Koordinace růstu a vývoje rostliny s hladinou cukru

1. Koordinace růstu Koordinace růstu a vývoje rostliny s hladinou cukru vyžaduje mechanismus vnímání dostupnosti C Cukerná signalizace Jaké procesy sacharidová signalizace ovlivňuje ?? • klíčení a časný vývoj semenáčků, další vegetativní vývoj, reproduktivní vývoj, senescenci a reakce na změny prostředí a stres Na jaké úrovni ??? • úrovni transkripce, stability RNA, translace, stability proteinů i posttranslační regulaci  změny v hladině signálního metabolitu  vazba na senzor změny v dostupnosti C spuštění signální dráhy odezva • Systémy účastnící se cukerné signalizace: • hexózová signalizace ---- hexokináza ---- glukózová signalizace nezávislá na hexokináze ---- fruktózová signalizace • sacharózová signalizace • SnRK1 • trehalóza-6-P • invertáza ….

2. Koordinace růstu Koordinace růstu a vývoje rostliny s hladinou cukru vyžaduje mechanismus vnímání dostupnosti C Cukerná signalizace Jaké procesy sacharidová signalizace ovlivňuje ?? • klíčení a časný vývoj semenáčků, další vegetativní vývoj, reproduktivní vývoj, senescenci a reakce na změny prostředí a stres Na jaké úrovni ??? • úrovni transkripce, stability RNA, translace, stability proteinů i posttranslační regulaci --- změny v hladině signálního metabolitu --- vazba na senzor změny v dostupnosti C --- spuštění signální dráhy ---odezva • Systémy účastnící se cukerné signalizace: • hexózová signalizace ---- hexokináza ---- glukózová signalizace nezávislá na hexokináze ---- fruktózová signalizace • sacharózová signalizace • SnRK1 • trehalóza-6-P • invertáza

3. Cukerná signalizace Hexózové systémy signalizace Glukózová signalizace- signalizační dráhyindukovatelnéglukózou: • AtHXK- hexokináza • dráha vyžadující fosforylaci, ale nevyužívající hexokinázu jako senzor??? • dráha nevyžadující fosforylaci cukrů (senzor spřažený s G-proteinem ) Fruktózová signalizace- signalizační dráhaindukovatelnáfruktózou 1

4. glukóza HXK Signál fruktóza UDPG FK fruktóza F- P Změna : štěpení invertázou štěpení SuSy, spojena s vývojovými změnami Cukerná signalizace -HXK Hexokináza (HXK) bifunkční enzym fosforylace hexóz cukerná signalizace Mutantní AtHXK1 (bodová mutace)  0 kinázová aktivita, zachovaný signalizační potenciál INV / HK X SuSy / FK Štěpení sacharózy: HX-P Invertázami SuSy (sacharózasyntázou)

5. Cukerná signalizace -HXK Hexokináza (HXK) – lokalizace v buňce Arabidopsis : 3 HXK geny, 3 HXK-like – pletivo-specifické exprese, stresově-specifické exprese • Isoformy se liší biochemickými vlastnostmi: • Afinitou k substrátu(přednostně glukóze) • ADP inhibicí • G-6-P inhibicí, různá úroveň u různých isoforem • T-6-P inhibice nezjištěna ! HXK signalizace - esenciální pro represi fotosyntetických genů Monitoruje tok kontrolním bodem metabolizmu ???Význam existence isoforem s různými vlastnostmi a rozdílnou lokalizací ??? Claeyssen & Rivoal,2007 Lokalizace v jádře! aklimace fotosyntézy ! – interakce HXK-1 s AHA-B1, a RPT5B (podjednotky vakuolární ATPázy a proteasomového komplexu)

6. Cukerná signalizace -HXK Hexokináza (HXK) – lokalizace v buňce Arabidopsis : 6 HXK genů – pletivo-specifické exprese, stresově-specifické exprese • Isoformy se liší biochemickými vlastnostmi: • Afinitou k substrátu(přednostně glukóze) • ADP inhibicí • G-6-P inhibicí, různá úroveň u různých isoforem • T-6-P inhibice nezjištěna ! Glukóza HXK signalizace - esenciální pro represi fotosyntetických genů HXK_1 Fotosyntetické geny PRPT5B Monitoruje tok kontrolním bodem metabolizmu m RNA AHA _B1 ???Význam existence isoforem s různými vlastnostmi a rozdílnou lokalizací ??? Claeyssen & Rivoal,2007 Lokalizace v jádře! aklimace fotosyntézy ! – interakce s AHA-B1, a RPT5B (podjednotky vakuolární ATPázy a proteasomového komplexu)

7. Cukerná signalizace -HXK Hexokináza (HXK) – lokalizace v buňce Arabidopsis : 6 HXK genů – pletivo-specifické exprese, stresově-specifické exprese • Isoformy se liší biochemickými vlastnostmi: • Afinitou k substrátu(přednostně glukóze) • ADP inhibicí • G-6-P inhibicí, různá úroveň u různých isoforem • T-6-P inhibice nezjištěna ! Glukóza HXK signalizace - esenciální pro represi fotosyntetických genů HXK PRPT5B Monitoruje tok kontrolním bodem metabolizmu m RNA AHA -B1 ???Význam existence isoforem s různými vlastnostmi a rozdílnou lokalizací ??? Claeyssen & Rivoal,2007 Lokalizace v jádře! aklimace fotosyntézy ! – interakce s AHA-B1, a RPT5B (podjednotky vakuolární ATPázy a proteasomového komplexu)

8. Cukerná signalizace Interakce HXK signalizace se signalizačními drahami fytohormonů Glukóza etylén HXK HXK1- independentní ABA1 ABA2 ABA3 AA03 ABI3 ABI4 ABI5 ABF2 ABF3 ABF4 EIN2 ABA EIN3 auxin cytokinin Stresová reakce Klíčení / časný vývoj semenáčků Podle Rolland et al., 2006

9. Trióza-P cytosol Pi Fruktóza 1,6 bis-P Glukóza Fruktóza Fruktóza 6-P Glukóza 6-P Glukóza 1-P HXK1 UDP-Glukóza ABA2 FBF Sacharóza 6-P ERF1 ABI3,4,5 Sacharóza Cho et al., 2011 FFK- fosfofruktokináza ABA2 - syntéza ABA ABI - ABA signalizace ERF1 - signalizace etylenu (ethylene response factor) FBF- fruktózabisfosfátfosfatáza FFF- PPi- dependentní fosfofruktokináza Regulační funkce nezávislá na katalytická funkci Fruktózová signalizace Fruktózová signalizace nezávislá na HXK1 Interakce s ABA a etylénovou signalizací (Li et al., 2011)

10. Wind et al., 2010 Sacharózová signalizace • Sacharóza reguluje procesy, které nejsou ovlivňovány hexózovými signalizacemi • Vnímání se děje na plazmatické membráně ? pomocí transportérů ?? Jinýmmechanismem ??? Co je specifickým senzorem sacharózy??? • Regulace translace

11. Regulace translace sacharózou Regulace exprese bZIP TF dostupností sacharidů (prokázáno u 10 bZIP TF) Exprese bZIP11 indukovatelná sacharidy včetně sacharózy Hummel et al., 2009

12. bZIP11 SC bZIP11 T-6-P Aktivace genů Inhibice růstu, modulace metabolizmu sacharidů, aminokyselin, translokace C Exprese bZIP11 indukovatelná sacharidy včetně sacharózy Regulace translace sacharózou Sacharóza AKIN10/11 Hummel et al., 2009

13. bZIP11 bZIP11 SC SC bZIP11 Aktivace genů Inhibice růstu, modulace metabolizmu sacharidů, aminokyselin, translokace C Exprese bZIP11 indukovatelná sacharidy včetně sacharózy Regulace translace sacharózou Sacharóza Sacharóza AKIN10/11 AKIN10/11 bZIP11 overexprese bZIP11  inhibice růstu připomínající reakci na nízký obsah cukrů Ma et al., 2011 T-6-P Další bZIP TF reprimovatelné sacharidy X represe i na úrovni transkripce, neznámý mechanismus, jen u bZIP1 účast hexokinázy Matioli et al., 2011 Aktivace genů Růst, modulace metabolizmu sacharidů, aminokyselin translokace C Hummel et al., 2009

14. SnRK3 SnRK2 SNF1 SnRK1 AMPK- živočišná  Senzor nízké hladiny cukrů Aktivita SnRK1 je inhibována cukry; G-6-P Cukerná signalizace –SnRK1 SnRK 1(SNF-related protein kinase ) Homolog kvasinkového SNF1 – zodpovědného za aktivaci metabolické odpovědi při nepřítomnosti glukózy Transkripční regulace : SuSy, -amyláza, ADPGáza, SPS, a aktivace celé řady dalších genů účastnících se degradace buněčných stěn, aminokyselin, proteinů a lipidů. Řízení řady genů kódujících transkripční faktory a faktory remodelace chromatinu Posttranskripční regulace : HMG-CoA reduktáza, SPS, NR, T-6-P syntáza, ADPGáza, heat shock proteiny Rostliny obsahují SnRK2 a SnRK3 genové subrodiny – málo prostudované, pravděp. aktivní při osmotickém stresu Arabidopsis –heterotrimer, subjednotky : - katalytická, , -regulační - pravděpodobně stejná struktura u jiných rostlin    Overexprese AKIN 10 u Arabidopsis  oddálení senescence při stresu nedostatku C, oddálené kvetení, změna architektury květenství

15. Cukerná signalizace –SnRK1 T-6-P syntáza HMC-CoA reduktáza NR SPS SuSy amyláza geny degradace stěn, AK, proteinů, lipidů Abiotický stres Stres napadení patogenem, herbivorem Fertilita Organogeneze Senescence Regulace metabolizmu posttranslační regulace cukry SnRK1 G-6-P transkripční regulace tma Vývoj Stresová reakce Podle Polge & Thomase, 2006 Vnímání dostupnosti C a energie - aktivace katabolismu, potlačení anabolismu

16. Cukerná signalizace T-6-P TP-syntáza TP-fosfatáza trehaláza UDPG + G-6-P T-6-P  trehalóza  glukóza Trehalóza Původní představa: většina rostlin ne, role převzala sacharóza Současná představa: Všechny rostliny obsahují trehalózu hladiny  µg/g f.w. tedy ne osmoprotektant trehalóza Arabidopsis thaliana TPS11 genů (2 skupiny) TPP10 genů (2 skupiny) Trehaláza1 gen) SPS4 geny (3 skupiny) SPP4 geny Invertáza17 genů (4 skupiny) SuSy 6 genů Paul et al., 2008

17. Cukerná signalizace T-6-P TP-syntáza TP-fosfatáza trehaláza UDPG + G-6-P T-6-P  trehalóza  glukóza Trehalóza Původní představa: většina rostlin ne, role převzala sacharóza Současná představa: Všechny rostliny obsahují trehalózu hladiny  µg/g f.w. tedy ne osmoprotektant trehalóza Arabidopsis thaliana TPS11 genů (2 skupiny) TPP10 genů (2 skupiny) Trehaláza1 gen) SPS4 geny (3 skupiny) SPP4 geny Invertáza17 genů (4 skupiny) SuSy 6 genů Paul et al., 2008

18. Cukerná signalizace T-6-P WT TPS linie Rýže  syntézy trehalózy odolnost k nedostatku vody  syntézy trehalózy neschopnost zrání embryí • syntézy TPP změny stavby květenství Garg et al., 2002 Hanson et al., 2006 Satoh-Nagasawa et al., 2006 Wingler et al., 2012 • AtTPS1 exprese v Arabidopsis vykazují Glc a ABA insenzitivní fenotyp během klíčení Interakce s hexokinázovou signalizací, se syntézou ABA a signalizační dráhou ABA Avonce et al., 2004 • Arabidopsis, růst na médiu s trehalózou  škrob,  ATP, inhibice růstu kořenů Vliv na syntézu škrobu : ADPGázy i degradaci :  glukan-voda-dikináza,  -amyláza, ale !!! jen ve zdrojových listech a ne v kořenech Ramon et al., 2007 • Tabák zvýšená aktivita TPS ---zvýšená fotosyntetická kapacita na jednotku listové plochy; Pellny et al., 2004 Př.   hladiny T-6-P změny v nástupu senescence

19. Různé TSP geny jsou indukovány různými signály: např. : TPS5 .. indukce sacharózou TPS8.. indukce tmou, cytokininem TPS11.. represe hypoxií TPS1 … indukce ABA ve svěracích buňkách ….totéž pro TPP např. : TPP3, TPP9,TPP10.. indukce hypoxií TPP 3.. nitrátem TPP ( tři geny) .. ABA ……………… Ostatní?? Jiná funkce ?Regulační subjednotky TPS1 ?? Jenže ! Pouze TPS 1 – prokazatelná aktivita (skupina I) TPS 1- konstitutivní exprese, N- koncové rozšíření je autoinhibiční TPS skupiny II regulovány světlem, cukry, hladověním, denním rytmem, cytokininy.. , Fosforylace SnRK1 a Ca2+ dependentními kinázami, TPS 5-7 po fosforylaci vazba s 14-3-3 (DNA x protein analýzy TPSs skupiny II  synonymní substituce )

20. Differential expression profiles of Arabidopsis TPP genes. Vandesteene et al., 2012

21. Glukóza, sacharóza, nitrát, ABA, cytokinin, vývoj ovlivňují expresi a post-translační regulaci enzymů syntézy trehalózy Tvorba komplexu AtTPS s CDKA;1? Interakce s buněčným cyklem?? Geelen et al., 2007 SnRK1 sacharóza G-6-P + T-6-P syntáza T-6-P fosfatáza T-6-P trehalóza UDPG AKIN 11 exprese, ale ne !!v dospělých listech, faktor I ABI4 exprese Fotosyntéza Stresová reakce Vývojembryí ADPGPáza Architektura květenství Buněčné dělení škrob • ???Účastní se trehalóza regulace získávání C symbiotickou houbou?Lopez et al., 2007 Utilizace C chloroplast Podle Paul, 2007

22. Stěnová invertáza generující signál o hladině sacharózy v apoplastu ???? Sacharidová signalizace • Mnohočetný systém vnímání vytvářející signalizační síť Myo–inositol Cukerné alkoholy • Komplexní síť interagující s ostatními signálními systémy Sacharidy rafinózové řady • Nemá hierarchickou stavbu, každá složka systému monitoruje jinou úroveň metabolizmu • Signály jsou integrovány, a teprve poté je ovlivněn konkrétní růstový nebo vývojový proces Nepřímá účast invertáz a transportérů na cukerné signalizaci kontrolou cytosolické koncentrace cukerných signálních molekul (sacharózy, glukóza, G-6-P, fruktóza….)

23. Regulace dostupnosti N jako odpověď na změny vnějších a vnitřních podmínek • upravují transportní aktivity NO3-dle dostupnosti • skladují NO3- ve vakuole • upravují architektutu kořene dostupnosti NO3- • upravují asimilaci NO3- podle požadavku rostliny Krouk et al., 2010 Koordinace asimilace N a dostupnosti C a energie Signální síť zahrnující NO3-,NH4+, glutamát, glutamin, aspartát, NADH.. ……… a signály z C metabolizmu

24. OAA citrát citrát mitochondrie 2-OG C/N rovnováha C/N • NR regulace • exprese nia genů – nitrát,  cukry,  Gln, světlo/tma • post-translační modifikace – inhibice fosforylací a vazbou 14-3-3 proteinu • fosforylace/ defosforylace závislá na G-6-P hladině (SnRK1), světle Kapacita asimilace N reaguje na dostupnost C pomocí integrovaných signálů fytohormonů, nitrátů, cukrů, org. kyselin a AK SnRK1 P SPS SPS Sacharóza Hexóza-P chloroplast Trióza-P OAA PEP P PEPC PEPC NO2- NH4+ NO3- NO2- NR AK GS/GOGAT P NR 2-OG PEPC regulaceaktivace světlem a NO3- Modulace světlem – fosforylací/defosforylací -- katalyzováno PEPC protein kinázou  změna citlivosti k efektorům ( citlivost k inhibici malátem) Transkripce PEPC protein kinázy řízena metabolickými signály: NO3- a metabolity C a N metabolismu

25. C/N Porušení rovnováhy v získávání C a Nzměna alokace ve prospěch nadz. části resp. kořenů Rozdělování asimilátů při N deficienci: Posílení růstu kořenů Omezení růstu nadzemní části Alokace C do kořenů protože: -Nprodukce cytokininůtransportu cytokininů obsahu cytokininů list kořen dělení buněk  dělení buněk síly sinku  síly sinku konc. C ve floému konc. C ve floému gradient C  směrování toku do kořenů X

26. Udržení stability vnitřního prostředí • Reakce rostliny na změny vnějšího prostředí • Harmonizace růstu a vývoje jednotlivých částí rostliny • Výměna látek mezi částmi rostliny Velké nároky na koordinaci procesů v rostlině Transport a distribuce asimilátů v rostlinách a sacharidová signalizace – podstatná role • Pravděpodobně mnohem složitější: rostliny s významným podílem metabolizmu manitolu, sorbitolu…, volemitolu…, RFO a oligosacharidů s cyklitoly jako základními komponentami ……

27. Díky za pozornost..