wachstumsinhibierende Phytohormone (Übersicht)
FruchtreifeSeneszenzBlattfall
Ethylen HC
H HH
C
Abwehr von PathogenenReaktion auf VerwundungRegulationSekundärstoffwechselEntwicklungshormon
ThermogeneseReaktion auf PathogeneSeneszenz, BlütenbildungSchutz bei Lichtstreß
Salicylsäure OH
COOH
StomataschlußDormanzAustrocknungstoleranzKältetoleranz
Abscisinsäure
O
COOHOH
Jasmonate(+)-7-iso-Jasmonoyl-L-isoleucine
wachstumsinhibierende Phytohormonewachstumsinhibierende Phytohormone
Ethylen
HC
H HH
C
Gas (Abbau von Methionin)Gas (Abbau von Methionin)
vorwiegendevorwiegendeBildungsorte:Bildungsorte:
reifende Frreifende Früüchtechte
verschiedene Pflanzenteileverschiedene Pflanzenteilebei bei ÜÜberversorgung mit Auxinberversorgung mit Auxinoder Cytokinin oder Cytokinin
TransportTransport unpolare Diffusionunpolare Diffusionauch Interzellularen (Gasphase)auch Interzellularen (Gasphase)
FruchtreifungFruchtreifung
fföördernde Wirkungrdernde Wirkung
nevernever riperipe
WildtypWildtyp
Tomatenmutante Nr Tomatenmutante Nr ““nevernever riperipe””ist ist EthylenEthylen--insensitivinsensitiv
Ethylen und die Reifung klimakterischer Früchte
Inhibierung der Ethylenbildung durch SilberthiosulfatInhibierung der Ethylenbildung durch Silberthiosulfatunterdrunterdrüückt das Welken von Nelkenckt das Welken von Nelken
inhibiert Zellstreckunginhibiert Zellstreckung
Dunkelkeimung von Samen:Dunkelkeimung von Samen:Etiolierung (Vergeilung) unterdrEtiolierung (Vergeilung) unterdrüücktckt
SeneszenzSeneszenz
Dunkelkeimung von SamenDunkelkeimung von Samender Tomate (Nr u. der Tomate (Nr u. wtwt) +/) +/-- EthylenEthylen
Blattfall
BiosyntheseBiosynthese
CHCH22-- CHCH22-- CHCH--COOHCOOHNHNH22
CHCH33--SS-- --
Methionin S-Adenosyl-Methionin
+CCHH22-- CCHH22-- CHCH--COOHCOOH
NHNH22CHCH33--SS-- --
AdenosinAdenosinATPATP
PP + PiPP + Pi
SAM-Synthetase
HH22CCCC--COOHCOOH
HH22CC NHNH22--
Aminocyclopropan-carboxylat (ACC)
Methyl-S-AdenosinACC-Synthase
CCHH22= = CCHH22
Ethylen
(HCN + CO2 + H2O)ACC-Oxidase½ O2
Cyanidentgiftung
trans-aminase
Inhibitoren
AVG
AIB, Co2+
Ag+ , MethylcoclopropenRezeptor
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
Ethylenantwort Ethylenantwort von von etioliertenetiolierten DikotylkeimlingenDikotylkeimlingen
““dreifache Antwortdreifache Antwort”” ((tripletriple responseresponse))
-- verkverküürzte Wurzelrzte Wurzel
-- KrKrüümmung des mmung des HypocotylhakensHypocotylhakens
-- gestauchtes Hypokotyl (verkgestauchtes Hypokotyl (verküürzt und verdickt)rzt und verdickt)
Analyse der SignalwandlungAnalyse der Signalwandlung
Aufklärung des Ethylen-Signalwegs durch Mutantenanalyse
Mutantenerzeugung z.B. von Arabidopsis durch Mutagens-behandlung (z.B. Ethylmethansulfonsäure führt zu Transitionen: G nach A, C nach T)
A)A)
Isolation der gewünschten Mutanten durch spezifisches Screening(Fehlen der Dreifachantwort)
B)
Genisolation durch Lokalisierung (Positonsbestimmung) des Gendefektes auf dem Genom durch Segregationsanalysen und anschliessender Mutantenkomplementation mittels Gentransfer
C)
etiolierte Dikotylkeimlinge,nicht mit Ethylen behandelt
Mutantensuche in einer Mutantensuche in einer EMSEMS--mutagenisiertenmutagenisierten PopulationPopulation
etiolierte Dikotylkeimlinge,mit Ethylen behandelt
Mutantensuche in einer Mutantensuche in einer EMSEMS--mutagenisiertenmutagenisierten PopulationPopulation
Ethylenantwort Ethylenantwort von von etioliertenetiolierten DikotylkeimlingenDikotylkeimlingen
““dreifache Antwortdreifache Antwort”” ((tripletriple responseresponse))
-- verkverküürzte Wurzelrzte Wurzel
-- KrKrüümmung des mmung des HypocotylhakensHypocotylhakens
-- gestauchtes Hypokotyl (verkgestauchtes Hypokotyl (verküürzt und verdickt)rzt und verdickt)
Hypokotylhaken von im Dunkeln gezogenen Hypokotylhaken von im Dunkeln gezogenen Arabidopsiskeimlingen: Arabidopsiskeimlingen: A+C: Wildtyp A+C: Wildtyp B+D: B+D: EthylenEthylen--insensitiveinsensitive MutanteMutante
+ Ethylen+ Ethylen
-- EthylenEthylen
ETR1ETR1--Mutante von Arabidopsis Mutante von Arabidopsis zeigt keine Ethylenzeigt keine Ethylen--DreifachantwortDreifachantwort
EthylenEthylen--insensitiveinsensitive MutanteMutante
Analyse der SignalwandlungAnalyse der Signalwandlung
KendrickKendrick und Chang, 2008, und Chang, 2008,
CurrentCurrent Opinion Plant Opinion Plant BiologyBiology, , 55, 479), 479)
Ethylenantwort Ethylenantwort von von etioliertenetiolierten DikotylkeimlingenDikotylkeimlingen
““dreifache Antwortdreifache Antwort”” ((tripletriple responseresponse))
-- verkverküürzte Wurzelrzte Wurzel
-- KrKrüümmung des mmung des HypocotylhakensHypocotylhakens
-- gestauchtes Hypokotyl (verkgestauchtes Hypokotyl (verküürzt und verdickt)rzt und verdickt)
Dreifachantwort auf EthylenDreifachantwort auf Ethylen
ETR1ETR1
5 verschied. Ethylenrezeptoren in Arabidopsis: 25 verschied. Ethylenrezeptoren in Arabidopsis: 2--KomponentensystemKomponentensystem--TypTyp(ETR2, ERS1, ERS2, EIN4)(ETR2, ERS1, ERS2, EIN4)
Unterschiede in KinaseUnterschiede in Kinase-- und und TransducerdomTransducerdomäänene
ERER--Membran lokalisiertMembran lokalisiert
Mutationen an der EthylenMutationen an der Ethylen--Bindungsstelle fBindungsstelle füührt zur genetisch dominanten hrt zur genetisch dominanten EthyleninsensitivitEthyleninsensitivitäätt
Positiver oder negativer Regulator der EthylenPositiver oder negativer Regulator der Ethylen--Antwort?Antwort?
Experimenteller Beweis?Experimenteller Beweis?
CTR1CTR1 Protein ist homolog zur Protein ist homolog zur MitogenMitogen--aktiviertenaktivierten--ProteinkinaseProteinkinase--KinaseKinase--KinaseKinase (MAPKKK)(MAPKKK)
ctr1ctr1--Mutante von Arabidopsis zeigt eine Mutante von Arabidopsis zeigt eine konstitutive (permanente) Ethylenkonstitutive (permanente) Ethylen--Dreifachantwort (TDreifachantwort (T--DNA erzeugte Mutante)DNA erzeugte Mutante)
SignaleSignale
MAPKKK (MAPKKK (RafRaf))
MAPKKMAPKK
TranskriptionTranskription
MitogeneMitogeneAntwortAntwort
MAPKMAPK
RasRas
PKCPKC
Tier, Mensch
PLCPLC
DAGDAG
CTR1CTR1
EIN2EIN2
TranskriptionTranskription
Wachstum, SeneszenzWachstum, Seneszenz
Pflanze
EthylenEthylen
ETR1, ERS, EIN4ETR1, ERS, EIN4(inaktiviert Histidinkinase)(inaktiviert Histidinkinase)
EIN3 (EIN3 (ethylenethylen--insensitiveinsensitive) ist ein Transkriptionsregulator ) ist ein Transkriptionsregulator und EREBP (und EREBP (ethyleneethylene--responseresponse--elementelement--bindingbinding proteinprotein) ein ) ein Transkriptionsfaktor,Transkriptionsfaktor,
der an ein Ethylender an ein Ethylen--spezifisches spezifisches ciscis--DNADNA--Element (ERE) bindet und die Element (ERE) bindet und die Transkription dadurch aktiviertTranskription dadurch aktiviert
ER
““StresshormonStresshormon”” Sesquiterpen (alternativer Sesquiterpen (alternativer MevalonatwegMevalonatweg))
vorwiegendevorwiegendeBildungsorte:Bildungsorte:
reifende Samenreifende Samen
verschiedene Pflanzenteileverschiedene Pflanzenteilebei Stresssituationen (v.a. Wassermangel) bei Stresssituationen (v.a. Wassermangel)
TransportTransport Wurzel zum Spross (Xylem)Wurzel zum Spross (Xylem)unpolare Diffusionunpolare Diffusion
RuhezustandRuhezustand
fföördernde Wirkungrdernde Wirkung
induziert Dormanz der Samen und Knospeninduziert Dormanz der Samen und Knospen-- Gegenspieler zu GA Gegenspieler zu GA --
FruchtfallfFruchtfallföörderung rderung ((üüber Ethylen)ber Ethylen)
OCOOH
OHAbscisinsäure
Adaptionen bei WassermangelAdaptionen bei Wassermangel
StomataschlussStomataschluss
Trockentoleranz (Trockentoleranz (spezifspezif. Genexpression von Schutzproteinen). Genexpression von Schutzproteinen)
KKäältetoleranz (ltetoleranz (spezifspezif. Genexpression von Schutzproteinen). Genexpression von Schutzproteinen)
Watering
24 h
Desiccation
ABA
The resurrection plant Myrothamnus from Namibia
Xerophyta humilis
OCOOH
OH ABAInhibitor des Wachstums
Antagonist von GA, Cytokinin, AuxinAntagonist von GA, Cytokinin, Auxininhibiert u.a. inhibiert u.a. CyclinCyclin--cdkcdk--KomplexKomplex
Biosynthese von ABABiosynthese von ABA
nprnpr
Carotinoid Neoxanthin Carotinoid Neoxanthin (C40 Xanthophyll(C40 XanthophyllXanthophyllXanthophyll--Zyklus)Zyklus)
NeunNeun--ciscis--EpoxycarotinoidEpoxycarotinoid--dioxygenasedioxygenase(NCED) spaltet in (NCED) spaltet in C15 C15 XanthoxinXanthoxinund C25 Molekund C25 Moleküüllim Chloroplastim Chloroplast
Oxidation von Oxidation von XanthoxinXanthoxinüüber ber ABAABA--AldehydAldehydzu Abscisinszu Abscisinsääure im Cytosolure 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
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 2003Christmann et al 2003
promoter RD29B
promoter ATHB6
Promoter-Reporter Konstrukte eines ABA-Reportersystems
RD29B
ATHB6
ABRE: t/cACGTGGC
-1000 -1
LUC = Glühwürmchen-Luciferase
LUC
LUC
-1000 -1
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
control
6 h
4 h
10 h
2 h
ABA-Signaling triggered by root-sensed water stress
1 mm
ABAABA--AntwortAntwort
““ABAABA--dreifach Antwortdreifach Antwort””
-- StomataschlussStomataschluss
-- WachstumsstoppWachstumsstopp
-- Inhibierung der SamenkeimungInhibierung der Samenkeimung
Analyse der SignalwandlungAnalyse der Signalwandlung Schliesszellen von Commelina communis
ohne ABA 10 μM ABA
Mutantensuche nachABA-insensitiven Arabidopsis-Keimlingen
10 μM ABA
wt
wt
abi1 Mutante von Arabidopsis Ist ABA-insensitive
Stoma von abi1Blatt unter Wasserstress
5 μM
Stoma von WildtypBlatt unter Wasserstress
Structure of ABI1 and ABI2
ABI1
ABI2
abi1
EF-hand - like
protein phosphatase 2CN-terminal domain
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
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
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
