A gibberellinek metabolizmusa és fiziológiai hatásai

A rizs „bakanae”, bolond csíranövény nevű betegségét Kurosawa írta le:

a növények hosszú, gyönge szártagokkal rendelkeznek és sárgulnak

A betegséget a Gibberella fujikuroi nevű gomba toxinja okozta, amelyet gibberellinnek neveztek el

- C-20-as gibberellinek

- C-19-es gibberellinek

A legfontosabb fiziológiailag aktív gibberellinek

A gibberellinek bioszintézise a mevalonsavból szintetizálódó terpénoid útból ágazik el, azonban a bioszintézis nem a

mevalonsavból, hanem a proplasztiszban található glicerinaldehid-3- foszfátból és a piroszőlősavból indul ki.

1. Az első lépés a ciklizáció:

- a proplasztiszban lokalizálódik

- az A és a B gyűrű záródását a kopalil-difoszfát szintáz (A),

a C és D gyűrűét a kaurén szintáz (B) katalizálja

- gátolják a kvaterner ammónium és foszfónium tartalmú retardánsok (AMO 1618)

A B

2. A GS12-aldehid keletkezése oxidációs reakciókban

- az endoplazmatikus retikulumban

- Cyt P450-függő monooxigenázok katalizálják

- gátlószer: triazol típusú retardánsok (Paklobutrazol, Unikonazol)

3. A GA12 oxidációja gibberellinsavvá

- korai C-13-as oxidáció

- dioxigenázok katalizálják

- citoszolban történik

- gátlószerek: ciklohexántrion típusú retardánsok

Az endogén gibberellinszint szabályozásának lehetőségei

1. A gibberellinek bioszintézisének egyes lépéseit a törpe kukorica mutánsokban fedezték fel.

A GS bioszintézis mutánsokat a kukoricában d-vel jelölik.

A GS bioszintézis kulcsenzimei, a GS 3β-hidroxiláz és a GS 20-oxidáz a végtermék GS1 feedback gátlása alatt állnak.

2. A gibberellinek bioszintézisét két környezeti tényező szabályozza (fény, hőmérséklet)

• a nappalok hosszúsága, hosszúnappalon a GS1 prekurzorának, a GS20-nak mennyisége nől

• a fitokróm, amely a 3β-hidroxiláz enzim expresszióját fokozza saláta magban

• a vernalizáció, amely megnöveli a virágzásindukcióban aktív GS9 mennyiségét a hajtáscsúcsban

3. A gibberellinek inaktiválódása

• 2-es pozícióban hidroxilálódás

• 2-es pozícióban glükóz konjugátum kialakulása

• a 7-es karbonsav glükozil-észter származéka hidrolizálódik, raktározott forma

A gibberellinek kimutatása:

-Biológiai tesztekkel (saláta hipokotil teszt, törpe növény megnyúlási teszt, árpa endospermium teszt)

- HPLC-MS, GC-MS

- jó immunológiai módszer nincs

A gibberellinek fiziológiai hatásai:

1. a megnyúlásos növekedés serkentése

Rozettás és a törpe növények internódiumai növekedésének serkentése

A törpe borsó növények internódiumainak megnyúlása szoros korrelációt mutat az endogén GS1 tartalommal.

na/na: a GS bioszintézis az ent-kaurén GA12 aldehid között blokkolt

le/le: a GS20→GS1 lépés hibás

Ultratall: nincs GS1, de van sok auxin

A GS3 serkenti a törpe mutáns rizs, a Tan-ginbozu leveleinek a növekedését: a sejtosztódások száma nem változik, a sejtek GS kezelés után megnyúlnak

A GS3 a normál rizs növények internódiumának növekedését is serkenti az interkaláris merisztémában lévő sejtek osztódásának és megnyúlásának serkentésével

A GS1 helyettesíti a hosszú nappalt a rozettás növények internódiumának megnyúlásában, és nem induktív feltételek

mellett indukálja a virágzást

Spenót növekedése GS kezelés hatására

Az árasztott rizs (deepwater rice) növekedése az vízborítottság kialakulása után

1. A vízborítottság csökkenti az O2 parciális nyomását a szövetekben →etilénszintézis indukciója

2. Az etilén az endogén GS1-gyel szemben érzékenyebbé teszi a szöveteket

3. A A GS1 sejtmegnyúlást indukál az interkaláris merisztémában

4. Az endogén GS1 serkenti a sejtciklust is.

EREDMÉNY: 25 cm/nap növekedési sebesség

1. A GS1 kezelést rövid időn belül követi a G2 fázisban lévő magvak számának csökkenése:

a gibberellinek serkentik a G2 – M átmenetet.

2. A GS fokozta egy ciklin dependens proteinkináz (CDC2) és két mitotikus ciklin gén expresszióját.

3. A GS serkentette a CDC2-t aktiváló kináz expresszióját is (CAK).

A GS-indukált megnyúlás mechanizmusa:

-az auxinnál hosszabb lag fázis

- nincs protonextrúzió

1. A gibberellin nem okoz turgornövekedést és előzetes ozmotikus adaptációt.

2. A GS csökkenti a megnyúláshoz szükséges küszöbturgort.

3. A GS növeli a sejtfal extenzibilitását: a növekedést limitáló keresztkötések elvágásával

XILOGLÜKÁN-ENDO-TRANSZGLÜKOZILÁZ

Ez lehetővé teszi az expanzinok gyorsabb diffúzióját a sejtfalban.

Az árasztás és a GS serkentette két expanzin gén expresszióját is, és az expanzinok fokozták a sejtmegnyúlást

Az Os-EXP4 gént antiszensz vagy szensz orientációban expresszáló rizs növények növekedése az üres vektorral transzformált kontroll mellett

A GS érzékelése és jelátviteli folyamatának mechanizmusa

megnyúló sejtekben

GAI, a GS-által szabályozott gének represszora

A GS1 által aktivált jelátviteli út aktiválja a PHOR1 fehérjét, egy ubiquitin ligázt, amely a sejtmagban lévő represszor

fehérjét, a GAI-t kijelöli a 26S proteaszóma általi lebontásra.

GS bioszintézis és jelátviteli Arabidopsis mutánsok

1. gai1 – GS-inszenzitív, GS-t nem kötő represszor

2. spy (a GS jelátvitel negatív regulátora)- ha mutáns, a jelátvitel folyamatosan bekapcsolt

3. ga1 – GS bioszintézis, KPP szintáz mutáns

4. az rga, gai-al ortológ represszor, fenotípusosan helyreállítja a ga1 mutációt.

2. A gibberellin serkenti a magvak és rügyek nyugalmi állapotának megszakítását

Fontos a nyugalmi állapotot fenntartó abszcizinsav és a gibberellinek aránya.

A gibberellinek az auxinokkal együtt szabályozzák az apikális dominanciát

A csúcsrügyben szintetizálódó auxin gátolja az oldalrügyek kihajtását.

A csúcs eltávolítása vagy a citokininek megfordítják a hatást.

A gibberellinek erősítik az auxinok apikális dominanciát eredményező hatását.

3. A gibberellinek szabályozzák a virágzást

• juvenilis fázisból reproduktívba való átmenetet indukálnak nyitvatermőkben

• adult fázist juvenilissé fordítják borostyánban

•gyorsítják a virágrügyek képződését és növelik azok számát

•magas gibberellin/auxin arány a hím virágok képződésének kedvez

4. A gibberellinek szabályozzák a termés képződését és fejlődési folyamatait

• egyes fajokban (körte, citromfélék) fokozzák a terméskötést)

• lokálisan növelik a termés méretét

• partenokarpiát idéznek elő

• egyes termésekben gátolják a termésérést

A gibberellinek hatása a csírázásra, és az α-amiláz indukciójának molekuláris mechanizmusa

A GS3 az α-amiláz indukciót a transzkripció szintjén aktiválja:

A gélretardációs kísérletben a gibberellinnel kezelt aleuronsejtekből származó fehérje kötődése a promóterhez lassította a DNS mozgását a gélben

A GS3 hatására indukálódó

• primér válaszgének terméke a GAMYB transzkripciós faktor

• ez aktiválja az α-amiláz gén promóterének GARE elemeihez (gibberellin válasz elem) kötődve a transzkripciót

Az α-amiláz szintézise az durva felszínű ER-en történik, a lumenben a BiP közvetítésével Ca2+-ot köt, majd szekretálódik az apolasztba