Teil I. Proteine
Proteinfaltung, Proteinabbau, Proteinsortierung, Membrantransport
Teil II. Wachstum und Entwicklung
1. Frühe Keimlingsentwicklung: Photomorphogenese = De-Etiolierung 2. Zellwachstum
3. Stammzellen und Zellteilung
4. Signalperzeption und –tranduktion 5. Reproduktion
6. Wurzelentwicklung
Teil III. Entwicklung von Pflanzen in Anpassung an abiotischen Stress 1. Anpassungen an Überflutung
Literatur:
Taiz & Zeiger ‘Pflanzenphysiologie’
Buchanan, Gruissem, Jones „Biochemistry and Molecular Biology of Plants“.
Vorlesung biol 117 „Entwicklungsbiologie der Pflanzen“
Prof. Dr. Margret Sauter
Skript Teil II
Interphase
zwei Tochterzellen Prophase
Metaphase
Mitotischer Zellteilungszyklus bei Pflanzen
Anaphase Metaphase
Der Zellteilungszyklus wird reguliert
Mitosis promoting factor MPF
Anaphase promoting complex APC
S-phase promoting factor SPF
Wildtyp
Zellteilungsmutanten in Hefe
Wee1 Deletions-Mutante Wee1 Überexpressions-Mutante Spalthefe (Schizosaccharomyces pombe)
Entdeckung der Cycline über SDS-PAGE:
Zeit nach Befruchtung (min)
Weizenzelle in der Mitose Reiszelle in der Interphase Weizen-Reis-Fusionszelle
Die Chromosomen der Reiszelle wurden nach der Fusion zur Kon- densation angeregt.
Reis- chromosomen
Weizen- chromosomen
Der Mitose-induzierende Faktor:
Substratbindung
1. CDKs müssen an ein Cyclin binden.
2. Die Substratbindungsstelle wird erst nach Phosphorylierung am T-loop gut zugänglich.
(CAK = CDK-aktivierende Kinase)
CDK Cyclin CDK/Cyclin-Komplex
CDK-Aktivierung
(Thr160-P)-CDK/Cyclin aktiv
CAK
CDK Cyclin CDK/Cyclin-Komplex
CDK-Inaktivierung
(Thr160-P)-CDK/Cyclin
inaktivierter CDK/Cyclin-Komplex
inaktivierter CDK/Cyclin/CKI-Komplex
CKI
aktiv
Proteinabbau über Proteasomen erfordert Ubiquitinierung
E1 = Ubiquitin-aktivierendes Enzym E2 = Ubiquitin-konjugierendes Enzym E3 = Ubiquitin-ligierendes Enzym
Der APC ist eine E3 Ubiquitin-Ligase Abbau im Proteasom
=APC
CDK
+
Replikation
Präinitiationskomplex
Präreplikationskomplex (licensing factor)
G1 Phase Mitose
S Phase Replikationsursprung = origin of replication = ORC
Chromosomen werden von diskreten Stellen aus, den ORCs, repliziert.
Nicht alle ORCs werden gleichzeitig aktiviert.
CDK/CYCA
Inaktivierung von S-Phase Genen
CDK/CYCD
Aktivierung von S-Phase Genen
Copyright ©2004 American Society of Plant Biologists
Moon, J., et al. Plant Cell 2004;16:3181-3195
Die 5 Klassen an E3 Ubiquitin-Ligasen in Pflanzen
E3-Enzyme aus einer Untereinheit:
E3-Enzyme aus mehreren Untereinheiten:
E3-Enzyme aus einer Untereinheit:
FBP = F-Box Protein
CDK Mutanten
Blattquerschnitte Wildtyp CDK Mutante
Tabak
Wildtyp dominant-negative CDK Mutante
Arabidopsis thaliana
Bildung zusätzlicher Meristeme in der knotted Mutante, z. B. auf den Blättern.
Organisation des Sproßmeristems
Somatische Embryogenese in planta
Kalanchoe
Bei Kalanchoe entstehen an den Blättern neue Pflanzen. Es handelt sich hierbei um klonale Pflanzen, da kein Generationswechsel und damit keine Neuverteilung des genetischen Materials stattfindet.
in vitro kultivierte Petunie-Pflänzchen
Somatische Embryogenese in vitro
Die hohe Regenerationsfähigkeit pflanzlicher Zellen wird in der Zellkultur genutzt, um:
(i) Pflanzen zu klonieren, oder um (ii) transformierte Zellen zu Pflanzen
zu regenerieren.
Lösliche Rezeptoren in Pflanzen
(A) Lichtrezeptoren: Phytochrom, Cryptochrom, Phototropin (B) Auxinrezeptor
(C) Gibberellinrezeptor
Membrangebundenen Rezeptoren
(A) G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (B) Enzym-gekoppelte Rezeptoren (C) Ionenkanal-gekoppelte Rezeptoren
Signalübertragung
inaktiv
aktiv GDP-Nukleotid
freisetzendes Enzym
GTP-Hydrolyse leer
G-Proteine werden in einer zyklischen Reaktion aktiviert.
(A) G-Protein-gekoppelte Rezeptoren
Signalmolekül
Signalmolekül
G-Protein
Enzym aktiviertes G-Protein
aktiviertes Enzyme
Es gibt drei Klassen an
membrangebundenen Rezeptoren:
(A) G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (B) Enzym-gekoppelte Rezeptoren (C) Ionenkanal-gekoppelte Rezeptoren
B. ) Ethylenperzeption erfolgt über einen Zwei-Komponenten-Rezeptor
ETR1
ADP
H2C = CH2
Ethylen
H2C = CH2
H2C = CH2
Histidin- Kinase
ETR1 = ethylene-resistent
Transkriptionsfaktor Genexpression Physiologische
Antwort
Signalübertragung
Arabidopsis thaliana Keimlinge
Arabidopsis Keimlinge die mit Ethylen behandelt werden zeigen eine Dreifach- antwort (‚triple response‘):
- Hemmung des Hypokotylwachstums.
- Verdickung des Hypokotyls.
- Einkrümmung des Hypokotylhakens.
+ Ethylen
Wildtyp Ethylenrezeptor-Mutante
‚never ripen‘
Tomaten
100 Tage nach der Ernte
Arabidopsis thaliana Keimlinge Ethylenmit
Wildtyp ohne
Ethylen ohne
Ethylen CTR1 Mutante
Ethylensignaltransduktion
CTR1 ist ein negativer Regulator.
CTR1 gehört zu den Raf Kinasen = MAPKKK EIN = ethylene insensitive (TF)
ERF = ethylene response factor (TF)
‚triple response‘
CTR1
Genexpression
Transkriptionsfaktor ERF Transkriptionsfaktor EIN
P MAPKK
MAPK
CTR1 = MAPKKK
‚triple response‘
H2C = CH2
Aux/IAA
Aux/IAA Auxin fördert die Bindung von Aux/IAA an eine E3-Ligase und damit den proteolytischen Abbau von Aux/IAA.
Die im Auxinsignalweg wichtige E3-Ubiquitinligase heißt SCFTIR1.
Aux/IAA wird von der E3-Ligase SCFTir1 erkannt.
SCFTIR1
SCFTIR1
IAA
IAA
Auxin bindet direkt an die SCFTir1 E3-Ubiquitinligase.
TIR1 ist damit ein Auxinrezeptor.
Proteinabbau von Aux/IAA
RGA/GAI SLY1
SCF
GA
SLY1 ist ein F-Box Protein und ein GA Rezeptor.
SLY1/GA erkennt RGA/GAI.
SLY1 ist ein Gibberellinrezeptor
Gibberellinsäure
DELLA Proteine: RGA, GAI
Gibberellinantwort
Proteasom
Ubiquitinierung
E3-Ligase
Sly1
(C) Ionenkanal-gekoppelte Rezeptoren
Beispiel: IP3-regulierter Ca2+-Kanal:
ER Membran oder Tonoplast
Bei Bindung von IP3 verschieben sich zwei der vier Membranhelices. Der offene
Zustand des Kanals wird durch positive und negative Ladungen stabilisiert.
Ca2+-Kanal mit 4 Transmembrandomänen
Endoplasmatisches Reticulum oder Vakuole
Phospholipase C Phosphatidylisnositol-
bisphosphat
Diacyl- glycerin
- IP3kann über Dephosphorylierung inaktiviert werden.
- Es wird recycelt.
Signaltransduktion über G-Protein aktivierte Phospholipase C, IP3 und Ca2+
Ca2+-Calmodulin
E-Helix
F-Helix EF Hand
Calmodulin besitzt vier EF-Hand Motive, über die Ca2+gebunden werden kann.
Signalübertragung und -verstärkung:
1. über Ca2+als second messenger 2. über Proteinkinasen
3. second messenger aus Membranlipiden
Ca2+
wachsender Pollenschlauch
0 min
1 min
3 min
4 min 2 min
CMGC-Gruppe
z.B. Ca2+- und Phospholipid-abhängige PK AGC-Gruppe
CaMK-Gruppe Ca2+/Calmodulin-abhängige PK
Cyclin-abhängige PK
Mitogen-aktivierte PK
RLK-Gruppe
Raf-Gruppe z.B. CTR1 (Ethylen Signaltransduktion)
zusätzliche 80 AS Region
300 AS Proteinkinase Domäne autoinhibitorische Domäne
Ca2+-Bindedomäne (EF-Hand Motiv) Transmembrandomäne
Lignadenbindungs-Domäne
Rezeptor-ähnliche PK Signalübertragung und -verstärkung:
1. über Ca2+als second messenger 2. über Proteinkinasen
3. second messenger aus Membranlipiden
Phosphatidylcholin
Lyso-Phosphatidylcholin
Freie Fettesäure
Jasmonsäure
Phosphatidylcholin
Signalübertragung und -verstärkung:
1. über Ca2+als second messenger 2. über Proteinkinasen
3. second messenger aus Membranlipiden
Signalübertragung über Proteinkinase-
Kaskaden
Signalübertragun über Ca2+/CaM
Signal 1 Signal 2 Signal 3
Viele Signale können über verschiedene Signalketten das selbe Gen regulieren.
Komponenten, die an der Signaltübertragung beteiligt sind, liegen in der Zelle
möglicherweise in einem Komplex vor („Transducon“).
Reproduktion
Blütenbildung
1. Blühinduktion/Blühzeitpunkt 2. Blütenbildung/Blütenidentität
1. Entwicklung des männlichen Gametophyten und der Spermazellen.
2. Entwicklung des weiblichen Gametophyten und der Eizelle.
Gametophytenentwicklung
Selbstinkompatibilität
Befruchtung und Embryonalentwicklung
Samenentwicklung, Samenruhe, Samenkeimung
Blüte Sporenbildung Gametenentwicklung
Megasporen- Mutterzelle
(2n)
Megaspore (n)
Pollensack Mikrosporen- Mutterzelle
(2n)
Mikrospore (n)
Pollenkorn (n)
Embryo- sack
(n)
Generationswechsel bei angiospermen Blütenpflanzen
REPRODUKTION
Blatt, das an der Pflanze Kurztagbedingungen ausgesetzt war.
Langtagbedingungen
Blüte vegetativer Spross
Blühinduktion durch Kurztagbedingungen bei Perilla
Das gleiche Blatt kann bei erneutem Pfropfen wieder Blühen auslösen.
Das gleiche Blatt kann bei erneutem Pfropfen wieder Blühen auslösen.
Nicht-induzierte Blätter führen
nicht zur Blühinduktion.
Pfropfen des Blütenmeristems führt
nicht zur Blühinduktion.
Ein Blatt der Pflanze wurde Kurztag- bedingungen ausgesetzt. Diese Behandlung reicht für Blühinduktion der Pflanze aus.
Was genau messen Kurztagpflanzen: die Kürze der Tage oder die Länge der Nacht?
Wie reagiert eine Kurz- oder Langtagpflanzen auf Unterbrechungen der Dunkel- oder Lichtphase?
Pflanze, die das Gen Constans (CO) überexprimiert.
Wildtyp
Kurztagbedingungen
Blühgen: CONSTANS Blühgen: FRI
ohne Vernalisation mit Vernalisation
lfyMutante 35S::LFY Mutante
Blühgen: LEAFY Blühgen: TFL1
tfl1 Mutante
Kronblatt Kelchblatt
Anthere Fruchtblatt (2 Carpellen)
Samenanlage Fruchknoten
Blütenaufbau bei Arabidopsis thaliana
3
Blütenentwicklung (Neptunia pubescens)
5 Kelchblatt- (Sepalen-) primordien
umgeben den Blütenapex. 5 Kronblatt- (Petalen-)
primordien sind alternierend zu den Kelchblattprimordien
entstanden.
2 Wirtel an Staubblätter umgeben das Carpell, das sich in Fruchtknoten und Griffel differenziert.
(Sepalen und Petalen wurden entfernt.)
2 Wirtel an entwickelten Staubblättern.
Ältere Blüte mit Carpell, das in Fruchtknoten, Griffel und Narbe
differenziert ist.
Wirtel 1: Kelchblatt (Sepalen)
Wirtel 2: Kronblatt (Petalen)
Wirtel 3: Staubblätter (Stamina)
Wirtel 4: Fruchtblätter (Carpellen)
Wildtyp
apetala2
Kelchblätter/Sepalen Fruchtblätter Kronblätter/Petalen Staubblätter apetala2
Arabidopsis thaliana Blütenmutanten
Wirtel 1: Kelchblatt (Sepalen)
Wirtel 2: Kronblatt (Petalen)
Wirtel 3: Staubblätter (Stamina)
Wirtel 4: Fruchtblätter (Carpellen)
Wildtyp
Arabidopsis thaliana Blütenmutanten
agamous
agamous
Staubblätter Kronblättern/Petalen Fruchtblätter Blütenmeristemen
Wirtel 1: Kelchblatt (Sepalen)
Wirtel 2: Kronblatt (Petalen)
Wirtel 3: Staubblätter (Stamina)
Wirtel 4: Fruchtblätter (Carpellen)
Wildtyp
Arabidopsis thaliana Blütenmutanten
apetala3/pistillata
Kronblätter Kelchblätter Staubblätter Fruchtblätter
Einige Blütenidentitätsgene kodieren für MADS Box Transkriptionsfaktoren
APETALA2 (Gen A) ist während der gesamten Entwicklung in allen Blütenorganen exprimiert, d. h.
AGAMOUS (Gen C) reprimiert nicht die Expression von APETALA (Gen A), wie im ABC Modell vorhergesagt.
APETALA1 ist ebenfalls an der Spezifizierung der Wirtel 1 und 2 beteiligt.
MADS Box Gene sind Transkriptionsfaktoren mit einer hochkonservierten DNA-Bindedomäne, der MADS-Box.
homeotische Gene = Entwicklungsgene
= Gen A = Gen B = Gen C
Kelchblatt
Kronblatt
Staubblatt
Fruchtblatt
Das (erweiterte) ABC Modell der Blütenentwicklung
Kelchblatt Kronblatt Staubblatt Fruchtblatt
Erweitertes ABC Modell Ursprüngliches ABC Modell
B
A C
SUP
Pollenentwicklung
Epidermis Pollensack Pollenmutterzelle
Meiose I + II
Callose- Zellwand
Leitbündel Tapetum
Callase (aus Tapetum)
Einkern- stadium
Zweikern- stadium
unreife Zellwand Kernwanderung
vegetativer Kern Vakuole
generative Zelle
freie Mikrosporen Tetrade
Mitose I
Anthere
Filament
Hahnenfuß Banane
Winde Gänseblümchen
Platane Nessel Mohn
Blüte
Antheren Antheren
Antheren- kultur
Mikrosporen- embryogenese
Embryo Proembryo Mikrosporenkultur
vielkerniger Pollen
Pollen
Wochen nach Bestäubung
Mega-
spore Meiose Bildung des Embryosacks Fruchtblattprimordien
wachsen
Wochen nach Bestäubung
Embryosackentwicklung
partielle Kern- fusion
polare Kerne Antipoden
Zea mays
sekundärer Endosperm- kern
polarer Kern
3 Zellen degenerieren
Eizelle
Synergiden Kern- fusion
Embryosackentwicklung
Sporophytische Selbstinkompatibilität Gametophytische Selbstinkompatibilität
Pollenschlauch
Pollenhüll- protein Pollenhüll- adhäsions-
protein
Pollenligand
Narbengewebe Zelle
Aquaporin (modifiziert Inkompatibilität) S-Locus
Glykoprotein (SLG)
S-Locus Rezeptor- kinase (SRK) S-Locus
Rezeptor- kinase (SRK)
SLG-ähnlicher Rezeptor 1 (SLR1)
Inkompatible Pollen-Stigma Interaktion bei Brassica
S25PCP S29PCP S29 PCP
kein Pollenwachstum Pollenwachstum Pollenwachstum
kompatibler Pollen inkompatibler
Pollen Stigmazelle
Test auf (In-) Kompatibilität
Getestet werden biochemisch aufgereinigte Pollenhüllproteine (PCP = pollen coat protein):
Der Pollenschlauch liefert zwei Spermazellen
Die Spermazellen dringen in eine der beiden Synergiden
ein
Eine Spermazelle verschmilzt mit den
beiden Polkernen und bildet das triploide Endosperm
Eine andere Spermazelle befruchtet die Eizelle
aus der sich der Embryo entwickelt
Doppelbefruchtung von Eizelle und Zentralzelle
Embryosack von Arabidopsis
Embryosack
Sperma- kerne
degenerierte Synergide
Zentral- zelle
Eizelle
Pollen- schlauch
Kerne der Zentralzelle
Doppelbefruchtung:
- Der Pollenschlauch wächst durch das mikropylare Ende der Samenanlage in eine Synergide des Embryosacks. Die Synergide degeneriert.
- Eine Spermazelle befruchtet die Eizelle.
- Die zweite Spermazelle befruchtet die Zentralzelle, die dadurch triploid wird.
Antipoden
Zentralzelle
Synergiden
Eizelle
Isolierter Embryosack von Mais
(Kranz, unveröffentlicht)
vorglobulär globulär Übergangsstadium Herzstadium Torpedostadium
reifer Embryo
Embryo
Suspensor Protoderm
Hypophyse
Grundmeristem
Prokambium
Leitbündel
Kotyledonen Achse
Wurzelmeristem
Sproßmeristem Epidermis Leitbündel
Parenchym
Kotyledonen
Embryonalentwicklung von Arabidopsis thaliana
Suspensor Protoderm
Endosperm
Wurzelspitze Kotyledonen
Endosperm
Prokambium
Wurzelmeristem
Sproß- meristem
Prokambium
Samenschale
Kotyledonen
Keimung
DNA Reparatur
Proteinsynthese mit existierender RNA Beginn von
Respiration und Proteinynthese
Wasseraufnahme
Reparatur von Mitochondrien Proteinsynthese mit neugebildeter RNA
DNA Synthese und Zellteilung Wachstum von Zellen in der Primärwurzel
Mobilisierung von Reservestoffen
Reparierte Mitochondrien werden aktiviert
Post-Keimungsphase
Mineralien und Metabolite treten aus weil Membranen nicht dicht sind.
Samenkeimung
Embryowachstum