teo 15 fotomorfogéniesis i
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27/04/2016 Introducción a la Botánica 2016 15º clase teórica: 27/4/2016 Interacción de las plantas con el ambiente: Fotomorfogénesis I Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Fotomorfogénesis ¿Cómo saben las plantas… …en qué estación del año están? …qué hora del día es? …si al germinar llegaron a la superficie? …si están solas o rodeadas de “vecinos” que les hacen sombra? Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA 1 27/04/2016 Desarrollo post-embrionario El patrón de desarrollo resultante está determinado por la continua interacción de factores ambientales con factores internos de la planta Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Las plantas crecen y se desarrollan respondiendo a estímulos del ambiente en el que están inmersas plántula factores ambientales estímulo o señal ambiental planta adulta Transducción de señales a nivel celular La señal (=estímulo) es recibida por un receptor que puede estar localizado en la membrana plasmática o el citoplasma Se dispara una cascada molecular de transducción intracelular de la señal, mediada por segundos mensajeros: • AMP cíclico (cAMP) • Calcio (Ca2+ ) • Cascadas de fosforilación • Otros Se produce una respuesta que puede o no involucrar cambios de expresión génica Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA 2 27/04/2016 Cascada de regulación de la expresión génica Ejemplo: cadena de transducción mediada por fosforilación en serie de proteínas gen “blanco” fotorreceptor Nabors Introducción a la Botánica 2006 proteína-quinasa: enzima que utiliza ATP para transferir un grupo fosfato a una proteína Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Regulación de la expresión génica Niveles de regulación de la cantidad de producto de un gen regulación de la función del gen • ¿Cuánto ARNm se transcribe? • ¿Cuánto dura ese ARNm? • ¿Cuánto de ese ARNm se traduce a proteína? • ¿Dónde localiza la proteína? (compartimiento celular) • ¿Cuánta de esa proteína está en forma activa? (activación, inactivación, degradación) • ¿Con qué interactúa la proteína? Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA 3 27/04/2016 Regulación de la transcripción de un gen a nivel del promotor Para que se inicie la transcripción de un gen se requiere el ensamblado secuencial y ordenado de factores de transcripción en la zona del promotor •Hay factores de transcripción que se actúan sobre todos los genes (constitutivos) •Hay factores de transcripción específicos • Pueden ser activadores o represores regulación de la transcripción Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Degradación controlada de proteínas Señalización mediante la degradación controlada y selectiva de proteínas: • Intervienen: una cadena de señalización, un sistema de marcación de la proteína a ser degradada y un proteasoma que la degrada • El sistema de marcación está altamente regulado especificidad • Cuando lo que se degrada es un factor inhibidor de la transcripción se activa la expresión del gen que estaba inhibido Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA proteína marcada Marcación de proteínas destinadas a degradación proteasoma proteína degradada Jones et al. 2013 The molecular life of plants 4 27/04/2016 Mutantes de Arabidopsis thaliana Arabidopsis thaliana: genoma pequeño, el primero en ser completamente secuenciado Tiempo de generación corto, planta pequeña, muchas semillas • Mutantes espontáneos • Mutantes generados por el investigador Mutagénesis generalizada (al azar) seguida de un esquema de selección del fenotipo buscado Mutagénesis dirigida a un gen en especial “knockouts” “Bancos” de mutantes • Plantas transformadas para un gen (o grupo de genes) en especial Sobre-expresantes: más cantidad de ARNm que lo normal Sub-expresante: de menos ARNm a nulas (sin expresión) Con expresión ligada a un gen reportero (patrón de expresión) Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA La luz como efector del desarrollo vegetal El desarrollo normal de las plantas es fotomorfogénico: la planta crece respondiendo continuamente al ambiente lumínico • • • • Germinación de la semilla, desarrollo de las yemas Dirección del crecimiento: fototropismo Crecimiento en respuesta a presencia de plantas vecinas Transición de desarrollo vegetativo a reproductivo Procesos de la vida diaria regulados por la luz: • • • • Heliotropismo Apertura y cierre de los estomas Movimiento de los cloroplastos para captación de luz Modulación del tamaño de la antena fotosintética Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Procesos del desarrollo regulados por la luz: 5 27/04/2016 Características de la luz que la planta “ve”: • Duración relativa del día y de la noche fotoperíodo • Calidad del la luz: color = longitud de onda • Dirección de la luz incidente • Intensidad de la luz Varían con: latitud, estación del año, clima, hora del día, posición de la planta en la comunidad vegetal ¿Cómo perciben las plantas las características de la luz? Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA La luz como efector del desarrollo vegetal Fotorreceptores apoproteína cromoproteína cromóforo absorción de luz cambio conformacional del fotorreceptor cadena de señalización RESPUESTA Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Ejemplo: Fitocromo 6 27/04/2016 Existen varias familias de fotorreceptores vegetales con diferentes propiedades, los mejor estudiados son: Fitocromos: absorben en el rojo y rojo lejano Fototropinas absorben en el azul Criptocromos Cada familia de fotorreceptor tiene varios miembros Ej. en Arabidopsis Fitocromos: PHY-A, PHY-B, PHY-C, PHY-D, PHY-E Fototropinas: PHOT-1, PHOT-2 Criptocromos: CRY-1, CRY-2 Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Fotorreceptores • con diferentes propiedades bioquímicas, de estabilidad, concentración, actividad, respuesta a intensidad de luz • con diferentes patrones de expresión: condiciones de luz, temporal, tisular El ambiente lumínico de la planta Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Intensidad de luz para cada longitud de onda Fundamentos de Fisiología Vegetal-Azcón Bieto 2ed 7 27/04/2016 Fitocromos La estructura contiene •una parte fotosensora que porta el cromóforo •una parte regulatoria que transduce la señal lumínica Absorción de luz roja (680nm): apertura de la región bisagra Absorción de luz en el rojo lejano (730nm): replegamiento REACCIÓN FOTO-REVERSIBLE Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Absorben en el rojo-rojo lejano Fitocromos: foto-reversibilidad H. Borthwick , 1952 Semillas embebidas durante unas horas, mantenidas en oscuridad con o sin pulsos de luz en rojo o rojo lejano Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Algunas semillas germinan respondiendo al tipo de luz R/RL de manera reversible. Ej: lechuga (Lactuca sativa) 8 27/04/2016 Fitocromos: foto-reversibilidad Pr: forma inactiva vida media: 1 semana Pfr: forma activa vida media: 2 h La foto-conversión (por absorción en el R) de Pr a Pfr expone la zona bisagra Pfr listo para interactuar con otras proteínas, como los factores PIF (phytochrome-interacting factors) Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA •La foto-reversibilidad de un proceso en el R/RL o •la dependencia de un proceso de la proporción R/RL indica que ese proceso está controlado por un fitocromo Fitocromos: foto-reversibilidad Según la proporción de luz incidente en R y en RL se establecen distintas proporciones de Pr y Pfr mediodía =1,2 atardecer = 0,8 sombra del dosel vegetal = 0,1- 0,8 fitocromo activo 1 2 3 4 R :RL Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA medio acuático 9 27/04/2016 •Germinación √ •Desetiolación = crecimiento normal de la plántula •Respuesta a la sombra de plantas vecinas •Detección del fotoperído floración •Ritmos circadianos Fotoconversión fitocromo activo Pfr interacción con PIFs cambios en expresión de genes blanco Los genes blanco son específicos para cada proceso Algunos PIFs controlan respuestas a hormonas Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Procesos controlados por fitocromos Emergencia de la plántula y etiolación Luz Oscuridad hojas verdaderas maíz (monocot.) coleoptilo hipocotilo hipocotilo poroto (dicot.) coleoptilo Plántula expuesta a la luz (fotomorfogénesis): •Hipocotilo (y entrenudos) corto (dicot.), coleoptilo corto (monocot.) •Cotiledones y hojas verdaderas expandidos •Parte aérea verde síntesis de clorofila y proteínas asociadas (centros de reacción, antena) cloroplastos funcionales •Plántula no expuesta a la luz (escotomorfogénesis): •Etiolación •Hipocotilo o coleoptilo elongado, entrenudos largos •Cotiledones y hojas verdaderas no expandidos •Parte aérea amarillenta síntesis de clorofila inhibida etioplastos •Ápice del vástago formando un gancho apical (dicotiledóneas) Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA 10 27/04/2016 Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Migración de Pfr al núcleo plántula de Arabidopsis cultivada bajo plántula de Arabidopsis cultivada en 8 uE de luz roja oscuridad fitocromo localiza en el citoplasma, fuera fitocromo localiza en el núcleo del núcleo Escotomorfogénesis Fotomorfogénesis ¿Cómo se transduce la señal R/RL? • El tipo de desarrollo (escoto- vs. fotomorfogénesis) depende del balance entre reguladores (+) y (-) de la transcripción • La fotoconversión Pr → Pfr ocurre en el citoplasma • Pfr se transloca al núcleo • Pfr en el núcleo: •interactúa con PIFs y los marca para su degradación •anula la función de COP Pfr controla el balance entre reguladores (+) y (-) de la fotomorfogénesis Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Percepción de luz roja cambios morfogenéticos 11 27/04/2016 Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Mutantes de la fotomorfogénesis COP1 está activo en la oscuridad, forma parte de la cadena de degradación de efectores de la fotomorfogénesis The Arabidopsis book http://www.bioone.org/doi/full/10.1199/tab.0148 Respuesta a la sombra de plantas vecinas Escape al sombreado: otra respuesta controlada por Pfr Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Alargamiento de entrenudos Cambio del ángulo de las hojas R/RL (Pfr:Pr) alto R/RL bajo R/RL alto R/RL bajo R/RL 12
