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Fotorecettori Come fanno i germinelli ad accorgersi della presenza, della quantità e della qualità di luce? Come cambia la pianta?

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Presentazione sul tema: "Fotorecettori Come fanno i germinelli ad accorgersi della presenza, della quantità e della qualità di luce? Come cambia la pianta?"— Transcript della presentazione:

1 Fotorecettori Come fanno i germinelli ad accorgersi della presenza, della quantità e della qualità di luce? Come cambia la pianta?

2 Un fattore ambientale essenziale nella vita delle piante: la LUCE Fotomorfogenesi Germinazione dei semi Inverdimento Fioritura Fototropismo … Luce come SEGNALE Segnali chimici (ormoni)

3 LuceBuio Fotomorfogenesi Il processo di riprogrammazione del germinello dal punto di vista morfologico (ma anche biochimico…) scatenato dalla luce

4 La luce regola lo sviluppo della pianta 1) rinverdimento, 2) allungamento (ipocotile- e radice+), 3) apertura cotiledoni Scotomorfogenesi: morfogenesi al buio

5 Plantule di mais (monocot) Anche nelle monocot ritroviamo i tratti fondamentali

6 Plantule di fagiolo Leffetto della dipende dalla lunghezza donda (non è solo una questione di quantità di fotoni) cè di mezzo più di un fotorecettore

7 Germinazione dei semi di lattuga: linduzione (non la germinazione) è reversibile Le λ NON sono equivalenti spettro dazione La luce rossa stimola, quella rosso lontana inibisce. E cruciale quale tipo di luce colpisca i semi per ultima

8 Spettro dazione per la stimolazione e linibizione della germinazione Lo spettro dazione a quale pigmento può corrispondere? Uno o due pigmenti (responsabili) per i due effetti? Ipotizzato negli anni 40, il fitocromo viene rilevato nel 1959, purificato nel 1983 e clonato nel 1985.

9 Spettro di assorbimento del fitocromo dallavena (forma Pr e Pfr) I due spettri hanno una parziale sovrapposizione To cut a long story short...

10 Le due forme si interconvertono per effetto della luce Pr Pfr Red light Far-red light Equilibrio Fotostazionario Rosso 85% Pfr 15% Pr Rosso lontano 97% Pr 3% Pfr Il rapporto fra Pr e Pfr dipende dalla lunghezza donda della luce

11 Risposta dei germinelli di Arabidopsis alla diverse qualità di luce In qualche modo i germinelli vedono diversi tipi di luce E facile ricercare mutanti che non rispondono continuano ad allungare lipocotile (mutanti hy)

12 I mutanty hy di Arabidopsis hanno permesso di isolare diversi geni importanti nella fotomorfogenesi (tra cui alcuni per i fotorecettori

13 I mutanti phyB mostrano una ridotta sensibilità alla luce rossa phyB agisce come sensore per la luce rossa Funziona come sensore anche per la luce FR?

14 No phyB percepisce ancora lo stimolo FR Ricerca di mutanti insensibili alla luce FR F2 di semi mutagenizzati illuminati con luce FR E possibile trovar mutanti alterati nel recettore per il FR? Mutante che continua ad allungare

15 I mutanti phyA mostrano una ridotta sensibilità alla luce FR Il nuovo mutante è alterato nel gene per il fitocromo A

16 Il rapporto R/FR può cambiare nel tempo e nello spazio In sunlight most P gets converted to P fr form. After a long night most gets converted to P r. At dawn, most P gets converted to P fr form again.

17 I germinelli phyA rimangono parzialmente eziolati negli ambienti ricchi in luce FR

18 I mutanti phyA cresciuti in luce normale non hanno fenotipo

19 I mutanti phyB al contrario hanno internodi più lunghi e fioriscono precocemente Questo fenotipo assomiglia a quello delle piante cresciute a basso R:FR

20 Esistono fitocromi diversi

21 La famiglia genica del fitocromo Tipo I : fotolabile, alte concentrazioni in plantula eziolata Tipo II: fotostabile, presente in pianta alla luce Tipo I Tipo II Classificazione 1) in base alla sequenza o 2) in base al comportamento dopo illuminazione

22 PHYA è labile alla luce PHYB,C, D e E sono stabili alla luce

23 Effetti diversi mediati dai fitocromi (fotorecettori) possono richiedere quantità diverse di luce: Fluenza: mol fotoni/ m 2 Irradianza: mol fotoni/ m 2 sec Irradianza = velocità di fluenza QUANTITA INTENSITA VLFR (Very Low Fluence Response) LFR (Low Fluence Response) HIR (High Irradiance Response) (µmoli/m 2 )

24 Risposte mediate dal fitocromo Quantità di luce richiesta Fotoreversibilità Tempo di fuga Response mode Fluence requirementPhotoreversibility Reciprocity valid VLFR 100 pmol/m 2 –100 nmol/m 2 noyes LFR 1–1000 μmol/m 2 yes HIR >1000 μmol/m 2 no Fluence requirements are based on Mancinelli, 1994 and references therein. LFR fluence requirements are for red light.Mancinelli, 1994

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26 VLFR Risposte con quantità di fotoni molto basse (da fino a 0.1 µmoli/m 2 ): un decimo dei fotoni emessi da una lucciola durante un impulso Non fotoreversibili La luce produce quantità molto piccole di Pfr (<0.02%): qualsiasi luce non può esimersi dal produrre Pfr La luce far red converte solo il 97% del Pfr in Pr, per cui circa il 3% del fitocromo rimane come Pfr. Questo è molto di più dello 0.02% richiesto per indurre le risposte VLFR. E la forma Pfr quella attiva (che scatena la risposta biologica)

27 PhyA funziona in questo modalità (ma non solo) VLFR (Very Low Fluence Response) LFR (Low Fluence Response) HIR (High Irradiance Response)

28 Spettro dazione HIR per linibizione della crescita dellipocotile (germinelli di lattuga al buio) Lo spettro dazione non coincide con quello del fitocromo: sia il fitocromo che un altro recettore (criptocromo) contribuiscono ad inibire la crescita I due effetti si sovrappongono nello spettro di azione (ma è possibile distinguerli)

29 Ruoli antagonisti di PhyA e PhyB nel de-eziolamento Nelle risposte a bassa fluenza (LFR) è la % di Pfr che determina la risposta Nelle risposte ad alta irradianza (HIR) è importante il valore di Pr/Pfr

30 Wild type (A), and mutants in phyA (B), phyB (C), phyBDE (D), phyABE (E) and phyABDE (F). Seedlings were grown in 8 h photoperiods of white light at 120 µmol photons m -2 sec -1. Scale bar represents 5 mm. Pfr determina leffetto (e non la scomparsa di Pr): Mutanti Arabidopsis senza la maggior parte dei fitocromi sono hy (hanno lipocotile lungo) in luce bianca o rossa phyABDE wt phyAphyB phyBDE phyABE

31 In luce bianca bassissima phyA non germina In luce rossa phyB ha lipocotile lungo In luce rossa lespressione di PhyC e PhyD (e anche PhyA) dipende da PhyB Gli effetti sono dovuti alle regolazioni incrociate o alla mutazione? Leffetto delle mutazioni varia con la specie: in pomodoro senza PhyA e i due PhyB, i frutti (ma solo quelli) mancano di clorofilla

32 La luce come segnale influenza molti processi del ciclo vitale

33 Il rapporto R/FR influenza non solo lallungamento dellipocotile...

34 Molte piante quando esposte a luce con un basso rapporto di R/FR, hanno una risposta denominata fuga dallombra (shade avoidance)

35 In questo modo la pianta esplora lo spazio intorno alla ricerca di luce ottimale

36 NON è solo una questione di quantità di luce. Il sensore R/FR aiuta a sentire la presenza di competitori

37 (A) Seedlings of Datura ferox growing at increasing densities (32, 100 and 240 seedlings m -2 ) for three weeks. (B) As an even canopy develops with time, perception of the neighbors stimulates stem elongation, and increased leaf area results in a decrease in light intereception per plant. However, the elongation response precedes mutual shading. La risposta allallungamento risponde al rapporto R/FR, NON alla quantità di luce

38 FUGA DALLOMBRA luce rossa Le piante sciafile (che amano lombra) non hanno questa risposta (o lhanno ridotta)

39 Le vecchie varietà di mais erano piantate a circa piante/ettaro Le varietà moderne sono piantate a una densità di piante /ettaro

40 Come è fatto il fitocromo?

41 Cromoforo + Apoproteina = Oloproteina Fitocromobilina + Catena polipeptidica = Fitocromo

42 Prodotti di degradazione delleme nei sistemi animali

43 Structura delle forme di Pr e Pfr del cromoforo (fitocromobilina) Nellisomero cis lazoto e il metile sono in cis Nellisomero trans vale il contrario Lassorbimento della luce porta ad una isomerizzazione del cromoforo Lisomerizzazione causa a sua volta un cambio nella conformazione della proteina

44 Sintesi del cromoforo Assemblaggio del fitocromo (P r ) Conversione in P fr Effetto biologico Isomerizzazione cis-trans e cambio conformazionale

45 Effetti di P fr Cè anche un effetto sui flussi di ioni (molto veloce) Lesposizione del NLS determina limporto nel nucleo con un effetto sullespressione genica

46 Il fitocromo è una proteina kinasi autofosforilante

47 Lattività del fitocromo è modulata dallo stato di fosforilazione La fosforilazione regolatoria avviene in siti diversi dallautofosforilazione

48 Proteine COP regolano il turnover di regolatori dello sviluppo Giorno Notte COP1 interagisce con il fitocromo (dopo la traslocazione al nucleo)

49 Meccanismo dazione e secondi messaggeri Il mutante aurea di pomodoro non sente lo stimolo fotomorfogrnrtico. Fornendo fitocromo e luce rossa (o cGMP e Ca2+) si induce il rinverdimento

50 cGMP, Ca++, calmodulina e le proteine G sono secondi messaggeri

51 Il network a valle è complesso e lungi dallessere chiarito

52 Si conoscono alcuni early targets come un fattore di trascrizione Myb che a sua volta regola i geni fotosintetici come LhcB (Light Harvesting Complex B)

53 Linduzione de messaggero di Myb è molto precoce e precede quella del messaggero di LhcB

54 WT al buio cop1 al buio Mutante cop1D costitutive photomorphogenesis1 COP / DET / FUS Fenotipo fusca

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56 Spettro dazione ad alta intensità per linibizione della crescita dellipocotile (germinelli di lattuga al buio) Nella zona blu dello spettro linibizione della crescita da chi è mediata?

57 Mutanti di Arabidopsis phyA phyB sono ancora inibiti dalla luce blu per quanto riguarda lallungamento dellipocotile Non può essere il fitocromo, deve esistere un recettore per il blu Effetto dovuto a PhyAEffetto dovuto al Criptocromo

58 Recettori per il blu: CRIPTOCROMI Cry 1, 2 in Arabidopsis Fenotipo del mutante hy4 (= cry1) Alla luce CRY1 è stabile, mentre CRY2 viene degradato.

59 Sullivan and Deng, Developmental Biology 260 (2003) 289–297 La loro attività è regolata da fosforilazione. Interagiscono con PHYA che le fosforila

60 Criptocromo Gli effetti della luce blu sono veloci Spettro dazione Anche per il criptocromo esistono eventi precoci sulla membrana plasmatica (attivazione di canali anionici) e regolazione della trascrizione. Traslocano al nucleo in seguito ad illuminazione e interagiscono con COP1.

61 Physiological characteristics of cryptochrome and phototropin mutants. Christie J M, Briggs W R J. Biol. Chem. 2001;276: ©2001 by American Society for Biochemistry and Molecular Biology Fototropismo: non è mediato dal criptocromo perché i mutanti cry1 e cry1cry2 hanno una risposta fototropica normale al blu. Nph1 (non phototropic1) rinominato phot1 (phototropin1)

62 Light sensing by the LOV domains of phototropin. Christie J M, Briggs W R J. Biol. Chem. 2001;276: ©2001 by American Society for Biochemistry and Molecular Biology Le fototropine hanno come cromoforo FMN. In seguito allassorbimento della luce si forma un legame covalente

63 The +cry1, +cry1T, +cry2, and +cry2T mutants show hypocotyl curvatures that are irrelevant to the phototropic vector. Ohgishi M et al. PNAS 2004;101: ©2004 by National Academy of Sciences Risposta fototropica del wt (WS e Ler) e del mutante quadruplo Phot2 media le risposta afluenza più alta

64 Stomatal opening under blue light Mao J et al. PNAS 2005;102: ©2005 by National Academy of Sciences Cry1 e Cry2 regolano lapertura stomatica alla luce blu

65 Assorbimento della luce cascata di eventi risposte fisiologiche Spesso una risposta fisiologica è influenzata da più fotorecettori e mediata dalla modulazione dellattività/azione di più ormoni (es. il fototropismo implica la redistribuzione laterale di auxina)

66 Il fitocromo e i recettori della luce blu esplorano zone diverse dello spettro

67 Integratori dei segnali che arrivano dai vari recettori


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