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wachstumsinhibierende Phytohormone (Übersicht)
Ethylene fruit ripeningsenecenceleaf abscission
HC
H HH
C
Abscisic acid stomatal closuredormancydesiccation tolerancecold tolerance O
COOHOH
Jasmonic acid pathogen responsewound responsetendril coiling
O
COOH
Salicylic acid thermogenesispathogen response
OH
COOH
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wachstumsinhibierende Phytohormone
Ethylen
HC
H HH
C
Gas (Abbau von Methionin)
vorwiegendeBildungsorte:
reifende Früchte
verschiedene Pflanzenteilebei Überversorgung mit Auxinoder Cytokinin
Transport unpolare Diffusionauch Interzellularen (Gasphase)
Fruchtreifung
fördernde Wirkung
never ripe
Wildtyp
Tomatenmutante Nr “never ripe”ist Ethylen-insensitiv
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Inhibierung der Ethylenbildung durch Silberthiosulfatunterdrückt das Welken von Nelken
inhibiert Zellstreckung
Dunkelkeimung von Samen:Etiolierung (Vergeilung) unterdrückt
Seneszenz
Dunkelkeimung von Samender Tomate (Nr u. wt) +/- Ethylen
Blattfall
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Biosynthese
CH2- CH2- CH-COOHNH2
CH3-S- -
Methionin S-Adenosyl-Methionin
+CH2- CH2- CH-COOHNH2
CH3-S- -
AdenosinATP
PP + Pi
SAM-Synthetase
H2CC-COOH
H2C NH2-
Aminocyclopropan-carboxylat (ACC)
Methyl-S-AdenosinACC-Synthase
CH2= CH2
Ethylen
(HCN + CO2 + H2O)ACC-Oxidase½ O2
Cyanidentgiftung
trans-aminase
Inhibitoren
AVG
AIB, Co2+
Ag+ , MethylcoclopropenRezeptor
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Step 7. Place bucket into truck.Rapidly close truck door
Without EthylBloc® With EthylBloc®
Treated for 4 hours at room temperature with EthylBloc®and then overnight with an average of 1 ppm ethylene.
(Comparable to ethylene level at a supermarket.)
Blockierung von Ethylenrezeptoren durch 1-Methylcyclopropen:kommerzielle Anwendung
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Ethylenantwort von etiolierten Dikotylkeimlingen
“dreifache Antwort” (triple response)
- verkürzte Wurzel
- Krümmung des Hypocotylhakens
- gestauchtes Hypokotyl (verkürzt und verdickt)
Hypokotylhaken von im Dunkeln gezogenen Arabidopsiskeimlingen: A+C: Wildtyp B+D: Ethylen-insensitive Mutante
+ Ethylen
- Ethylen
ETR1-Mutante von Arabidopsis zeigt keine Ethylen-Dreifachantwort
Ethylen-insensitive Mutante
Analyse der Signalwandlung
Kendrick und Chang, 2008,
Current Opinion Plant Biology, 5, 479)
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ETR1 Locus durch Punktmutagenese erzeugt u. durch positionelle Genklonierung identifiziert
Mutantenerzeugung z.B. von Arabidopsis durch Mutagensbehandlung (z.B. Ethylmethansulfonsäure führt zu Transitionen: G nach A, C nach T)
A)
Isolation der gewünschten Mutanten durch spezifisches Screening(Fehlen der Dreifachantwort)
B)
Genisolation durch Lokalisierung (Positonsbestimmung) des Gendefektesauf dem Genom durch Segregationsanalysen und anschliessender Mutanten-komplementation mittels Gentransfer
C)
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ETR1
5 verschied. Ethylenrezeptoren in Arabidopsis: 2-Komponentensystem-Typ(ETR2, ERS1, ERS2, EIN4)
Unterschiede in Kinase- und Transducerdomäne
ER-Membran lokalisiert
Mutationen an der Ethylen-Bindungsstelle führt zur genetisch dominanten Ethyleninsensitivität
Positiver oder negativer Regulator der Ethylen-Antwort?
Experimenteller Beweis?
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CTR1 Protein ist homolog zur Mitogen-aktivierten-Proteinkinase-Kinase-Kinase (MAPKKK)
ctr1-Mutante von Arabidopsis zeigt eine konstitutive (permanente) Ethylen-Dreifachantwort (T-DNA erzeugte Mutante)
Signale
MAPKKK (Raf)
MAPKK
Transkription
MitogeneAntwort
MAPK
RasPKC
Tier, Mensch
PLC
DAG
CTR1
EIN2
Transkription
Wachstum, Seneszenz
Pflanze
Ethylen
ETR1, ERS, EIN4(inaktiviert Histidinkinase)
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EIN3 (ethylen-insensitive) ist ein Transkriptionsregulator und EREBP (ethylene-response-element-binding protein) ein Transkriptionsfaktor,der an ein Ethylen-spezifisches cis-DNA-Element (ERE) bindet und die Transkriptiondadurch aktiviert
ERETR1
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“Stresshormon” Sesquiterpen (alternativer Mevalonatweg)
vorwiegendeBildungsorte:
Abscisic acid
OCOOH
OH
reifende Samen
verschiedene Pflanzenteilebei Stresssituationen (v.a. Wassermangel)
Transport Wurzel zum Spross (Xylem)unpolare Diffusion
Ruhezustand
fördernde Wirkung
induziert Dormanz der Samen und Knospen- Gegenspieler zu GA -
Fruchtfallförderung (über Ethylen)
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Adaptionen bei Wassermangel
Stomataschluss
Trockentoleranz (spezif. Genexpression von Schutzproteinen)
Kältetoleranz (spezif. Genexpression von Schutzproteinen)
Watering
24 h
Desiccation
ABA
The resurrection plant Myrothamnus from Namibia
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Cell cycle Gene expression Turgor
OCOOH
OH ABAInhibitor des Wachstums
Antagonist von GA, Cytokinin, Auxininhibiert u.a. Cyclin-cdk-Komplex
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Biosynthese von ABA
Carotinoid Neoxanthinbzw. Violaxanthin(C40 Xanthophyll)
Neoxanthindioxygenase(NCED) spaltet in C15 Xanthoxinund C25 Molekülim Chloroplast
Oxidation von Xanthoxinüber ABA-Aldehydzu Abscisinsäure im Cytosol
zeaxanthin
antheraxanthin
all-trans-violaxanthin
9-cis-violaxanthin
xanthoxin
abscisic aldehyde
ABA
all-trans-neoxanthin
9´-cis-neoxanthin
ABA1 VDE
ABA2
AAO
NCED
VDEABA1
OH
HO
C25 epoxy apocarotenal C25 allenic apocarotenal
HO O CHO
O OH CHO
O OH COOH
HO O
O
OH
HO
O
HO O
OHO
HO O
HOOH
HO O
HO
OH
Christmann et al 2003
npr
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In-vivo Genregulation
ABA-regulierteLuciferase Expression
ArabidopsisKeimling30 μM ABA (24 h)
Glühwürmchen-LeuchtgenPflanzen-Genregulator
ABA
Protein + Substrat
Lichtemission
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signal x2
Root of Arabidopsis seedling sensing water deficiency and relayingABA hormone signal
along the vascular veins into the leaves (live image)
control
watershortage
vascularveins
cotyledon
stomates
Christmann et al. 2005
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control
6 h
4 h
10 h
2 h
ABA-Signaling triggered by root-sensed water stress
1 mm
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ABA-Antwort
“ABA-dreifach Antwort”
- Stomataschluss
- Wachstumsstopp
- Inhibierung der Samenkeimung
Analyse der Signalwandlung Schliesszellen von Commelina communis
ohne ABA 10 μM ABA
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Mutantensuche nachABA-insensitiven Arabidopsis-Keimlingen
10 μM ABA
wt
wt
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abi1 Mutante von Arabidopsis Ist ABA-insensitive
Stoma von abi1Blatt unter Wasserstress
5 μM
Stoma von WildtypBlatt unter Wasserstress
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Structure of ABI1 and ABI2
ABI1
ABI2
abi1
EF-hand - like
protein phosphatase 2CN-terminaldomain
1 93 105 434Gly Asp
1 90 423
Gly Aspabi2
putativeNLS
human PP2C α
Protein phosphatases 2C
strict Mg2+-dependence
dephosphorylate P-Ser,P-Thr and P-His
no heteromeric complexes
no inhibitors
Tertiary Structure of human Protein Phosphatase 2C
catalyticsite channel
C-terminaldomain
Das et al. 1996
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ABI1
ABA
RCAR12
Trp300
ABATrp300
O
-RS transABACOOH
OH
COOH
-R ABA
O
OH
COOH
-S ABA
O
OH
Bet V 1a RCAR1
Ma et al. (2009) Science 324, 1064Park et al. (2009) Science 324, 1068Miyazono et al. (2009) Nature 462, 609
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OST1SnRK2s
ABA
ABI5ABFs
mRNA
c/tACGTggcGC-rich
ABI4AP2s
ABI3
CE ABRE
Nucleus ABI1PP2Cs RCAR
Ca2+
CPK4CPK11
B
Anions
OST1
ABA
CytosolABI1PP2Cs RCAR
Apoplast
KAT1
K+
Ca 2+
SLAC1
Ca2+
CPK
A Rezeptor-phosphatase
Protein-kinase
Transkrip-tionsfakto-ren bzw. Ionenkanäle