10/05/2016 Introducción a la Botánica 2016 16º clase teórica: 2/5/2016 Interacción de las plantas con el ambiente: Fotomorfogénesis II Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Ritmos circadianos Circadiano diurno (circa= aproximadamente; dies = día) Sincronización de la actividad biológica con los ritmos diurnos de luz y temperatura En todos los organismos Procesos con ritmo diurno en las plantas: • Actividad fotosintética y metabolismo • Transcripción de genes • División celular • Producción de hormonas • Flores/hojas que se abren o cierran Aproximadamente 1/3 de los genes de las plantas están regulados de manera circadiana Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA 1 10/05/2016 El reloj circadiano ¿Qué determina que exista un ritmo circadiano? Simple acción del ambiente vs. un “reloj” interno (= endógeno) Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Observaciones experimentales: • Los ritmos persisten aún cuando el ambiente deja de variar diariamente • Las actividades rítmicas se anticipan al estímulo diario luminoso o de temperatura [ARNm] de proteínas de la antena En condiciones de libre curso el ritmo se sigue observando por un tiempo Taiz y Zeiger Plant Physiology El reloj circadiano El reloj endógeno consiste de varias proteínas reguladoras cuya transcripción está asimismo regulada por mecanismos interconectados de retroalimentación (“feedback”) La acción del ambiente se limita a “poner en hora” el reloj Inductor = input (luz o T) [TOC] Atardecer baja [TOC] [LHY] y [CCA] [TOC] Un ejemplo de retroalimentación (feedback loop) negativa: la transcripción del gen C está regulada por la [A] que a su vez está regulada por un factor externo y por la [D]. D se va acumulando, por ejemplo, durante la noche LHY y CCA son activados por TOC. Su acumulación inhibe a TOC [CAB] Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA 2 10/05/2016 El reloj circadiano Cámara acelerada de 7 días de crecimiento de Arabidopsis expresando la enzima luciferasa (que produce fluorescencia) bajo el control de un gen del reloj circadiano https://www.youtube.com/watch?v=hOlO1Cu6E9I ¿Un método para buscar mutantes del reloj? Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Fotoperiodismo en las plantas La duración del día depende de la latitud (invertir los meses para el hemisferio sur) Hs de luz por día medido el 20 de cada mes En PDLs y PDCs el fotoperíodo es un factor determinante del momento de floración Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Transición desarrollo vegetativo des. reproductivo • Plantas que florecen en días largos (primavera), PDL • Plantas que florecen en día corto (otoño), PDC • Plantas neutrales para duración del día, PN 3 10/05/2016 ¿Qué factores inducen la floración? Garner WW, Allard HA (1920). Effect of the relative length of day and night and other factors of the environment on growth and reproduction in plants. J. Agric. Res. 18, 553– 606. Garner WW, Allard HA (1931). Effects of abnormally long and short alternations of light and darkness on growth and reproduction in plants. J. Agric. Res. 42, 629–651. La variedad de tabaco Maryland Mammoth Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Tabaco y soja transferidos a un galpón oscuro todas las tardes de verano floración en la soja (PDC) Fotoperiodismo en las plantas Azcón Bieto Fundamentos de Fisiología Vegetal 1915-1950’s Experimentos con fotoperíodo artificial: Era posible modificar el momento de floración independientemente de la estación del año el estímulo lumínico es suficiente Experimentos con luz de diferentes colores: Existe reversibilidad con R/RL actúa algún fitocromo Experimentos iluminando hojas y ápice de manera diferencial, injertos: El estímulo lumínico lo perciben las hojas y migra al ápice “florígeno” Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA 4 10/05/2016 Fotoperiodismo en las plantas PDC y PDL responden de manera opuesta a la duración del día/noche con respecto a un período crítico (*) (**) (*)= noche corta y día corto (**)= noche larga y día largo Las plantas “miden” la duración de la noche Para distinguir PDL de PDC lo importante no es el valor del período crítico (que puede ser el mismo) sino la forma de la curva: Las PDC florecen cuando la noche es más larga que el período crítico Las PDL florecen cuando la noche es más corta que el período crítico Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Fotoperiodismo en las plantas Taiz y Zeiger Plant Physiology 2006 PDC y PDL responden de manera opuesta a la duración de la noche con respecto a un período crítico PDC florecen cuando la duración de la noche es mayor que el período crítico PDL florecen cuando la duración de la noche es menor que el período crítico Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA 5 10/05/2016 ¿Quién ve la luz en el fotoperiodismo? Taiz y Zeiger Plant Physiology 2006 El fotorreceptor involucrado es el fitocromo: reversibilidad R/RL Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA El mediador químico de la floración Una señal percibida en las hojas que viaja por el floema y se transmite en injertos = florígeno La proteína FT (flowering locus T) está involucrada o es la señal de inducción de la floración, actúa independientemente del estímulo MM no florece en DL MM transgéncio que tiene exceso de FT florece en DL Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA MM injertado con tomate transgénico con exceso de FT florece en DL Lifschitz et al. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006 Apr 18; 103(16): 6398–6403. 6 10/05/2016 ¿Qué regula al florígeno? La expresión de la proteína FT está regulada por el factor de transcripción CO (Constans), a su vez regulado por el reloj circadiano y los fotorreceptores PHY y CRY PHY y CRY controlan la degradación de la proteína CO Jones et al. The Molecular life of plants EL reloj controla la transcripción del gen CO Migración de FT al meristema apical FLORACIÓN La [Constans] está regulada por la duración de la noche mediante acción del reloj, PHY y CRY Durante una noche larga la proteína CO es degradada Baja [CO] no hay FT no florece Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA ¿Qué regula al florígeno? Floración dependiente del fotoperíodo Modelo de coincidencia externa Coincidencia del ritmo de expresión de CO (abundancia de mARN bajo control del reloj) con la cantidad de proteína CO, cuya degradación está controlada por los fotorreceptores Oscuridad proteína CO degradada Luz proteína CO estabilizada http://www.cbgp.upm.es/archivos/varios/noticias/investigacion_y_ciencia_2011.pdf Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA 7 10/05/2016 ¿Qué regula al florígeno? Floración dependiente del fotoperíodo Modelo de coincidencia externa Coincidencia del ritmo de expresión de CO (abundancia de mARN bajo control del reloj) con la cantidad de proteína CO, cuya degradación está controlada por los fotorreceptores De Fundamentos de Fisiología Vegetal, Azcón-Bieto y Talón 2013, pág 514: En las hojas la longitud del fotoperíodo se mide mediante un mecanismo molecular que permite comparar la longitud de los ciclos de día y de noche a lo largo del año con un ritmo circadiano endógeno que regula la expresión génica. La coincidencia de la fase de luz externa con la de mayor expresión de genes como CO provoca la inducción o la represión de la floración. El efecto de la luz en esta fase de coincidencia depende de fotorreceptores como los fitocromos y los criptocromos. Como consecuencia de la inducción fotoperiódica, las hojas generan una señal, de la que forma parte la proteína FT y otras moléculas derivadas de su actividad, que se transmite al meristema apical, donde se inicia el desarrollo floral. Los mecanismos de respuesta al fotoperiodo son similares, con independencia del requerimiento de fotoperiodo de la planta, y parecen estar conservados en las angiospermas. Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA 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 8 10/05/2016 Fototropinas Los fotorreceptores que contribuyen a optimizar la fotosíntesis fototropismo apertura estomática migración de los cloroplastos expansión de coltiledones y hojas movimientos de las hojas luz azul unidireccional Varias respuestas de las plantas a la luz con espectro de accion en el azul Uno o varios receptores diferentes? FOTOTROPISMO: crecimiento asimétrico de la zona no iluminada que permite a la planta orientarse hacia la fuente de luz Una respuesta a la luz (Darwin 1880) Luz azul (Julius von Sachs 1887) Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Fototropinas Se buscaba una proteína que aparecía fosforilada en tejido irradiado con luz azul 1997: se descubre el gen en Arabidopsis estudiando mutantes no fototrópicos fototropina 2 genes en Arabidopsis: PHOT1 y PHOT2 PHOT1 y PHOT2 presentan cierta redundancia funcional En el doble mutante phot1phot2 las cuatro respuestas están anuladas Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA 9 10/05/2016 Fototropinas Son proteínas hidrofílicas pero asociadas a oscuridad la membrana plasmática Poseen dos dominios bien definidos en proteínas de señalización: • dominio fotosensor LOV (regulación por Luz, Oxígeno o Voltaje) que une un oscuridad grupo FMN • Ser/Thr quinasa de proteína La kinasa cambia su conformación) cuando el grupo FMN es activado por la luz azul y se pone en contacto con el sustrato (PHOT u otros) Holland et al. J Exp Bot (2009) 60:1969–1978 Especificidad de respuesta si la quinasa activada interactúa con diferentes efectores (aún desconocidos) Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Las fototropinas y los estomas •La fototropina localizada en la membrana plasmática de las células oclusivas de los estomas es la responsable de la apertura estomática en respuesta a la luz azul •La fototropina activada genera una señal que activa una bomba de H+ en la membrana hiperpolarización apertura de canales K+ entra K+ a la célula entrada de agua por ósmosis apertura Cotelle y Leonhardt (2016) Frontiers in Plant Science Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA 10 10/05/2016 La relocalización de los cloroplastos t=0 oscuridad baja intensidad de azul: acumulación alta intensidad de azul: migración al exterior wt phot1phot2 mutante deficiente en la relocalización Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Criptocromos • Los criptocromos absorben luz en el azul • Controlan: desetiolación floración ritmos circadianos • Ahmad y Cashmore (1993) en Arabidopsis, luego en animales • Contienen dos cromóforos: FAD (flavina adenina mononucleótido) y pterina (MTHF) • Arabidopsis tiene tres genes de criptocromo DAS: secuencia conservada en plantas y animales Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA 11 10/05/2016 Criptocromos • La absorción de luz lleva a cambios redox y fosforilación • Probablemente migran del citosol al núcleo luego de su fotoconversión controlan la [factores de transcripción] • El mecanismo de transducción está en estudio, se sabe que involucra interacción física con fitocromos, PIFS, reloj circadiano regulación de la transcripción, marcado de proteínas para degradación por el proteasoma Interacción con el reloj circadiano: Los mutantes de CRY2 no florecen en día largo Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA Liu et al. Trends in Plant Science 2011, 16: 684-691 Criptocromos Luz azul CRY activo interactúa con factores que controlan la degradación de factores de transcripción por el protesoma regulación de la transcripción FT: flowering locus T Inducción de la floración Fotomorfogénesis genes regulados por luz Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA 12 10/05/2016 Fotomorfogénesis: puntos importantes • Además de activar la fotosíntesis, la luz actúa como señal que indica a las plantas las condiciones ambientales (hora del día, época del año, posición en el dosel, presencia de vecinos) • Los fotorreceptores captan diferentes colores de luz y disparan procesos de desarrollo (germinación, floración) o de optimización de la fotosíntesis (fototropismo, apertura de estomas, ubicación de los cloroplastos). También participan las fitohormonas (lo vemos la clase que viene) • Los fitocromos y criptocromos regulan la morfogénesis. Al absorber luz migran del citosol al núcleo donde modulan la expresión génica mediante la alteración de la actividad de factores de transcripción • Las fototropinas median respuestas de optimización de la fotosíntesis. Son quinasas de proteína que migran de la membrana plasmática al citoplasma al absorber luz azul Introducción a la Botánica 2016 DBBE FCEyN - UBA 13