Il ruolo della luce nello sviluppo Giorno Buio Notte Oltre alla germinazione, La luce regola molti processi di sviluppo lungo il ciclo vitale della pianta e costituisce la fonte primaria di energia per tutti gli organismi vegetali seme plantula pianta adulta

regola molti aspetti dello sviluppo /differenziamento: La luce rappresenta il fattore ambientale più importante nella vita delle piante. Le piante, infatti, sentono e rispondono a: La presenza/assenza di luce la lunghezza d’onda e l’intensità (fluence rate) L’orientamento la durata giorno/notte (ciclo circadiano) La luce, infatti: regola molti aspetti dello sviluppo /differenziamento: fotomorfogenesi v/s skotomorfogenesi germinazione dei semi allungamento dell’ipocotile fioritura ritmo circadiano risposte trofiche (fototropismo)

plantula cresciuta al buio plantula creciuta alla luce La risposta di “de-eziolamento” è stata molto studiata come modello per la comprensione dei meccanismi coinvolti nella percezione della luce, nella trasduzione del segnale, e nella regolazione trascrizionale, per la semplicità del sistema e dello screening genetico. skotomorfogenesi plantula cresciuta al buio fotomorfogenesi plantula creciuta alla luce

Blu/UV RED/FAR RED

La percezione della luce avviene attraverso 3 classi di fotorecettori, che agiscono in modo indipendente e cooperativo: FOTOTROPINE (Phot 1 e 2 in Arabidopsis) CRIPTOCROMI (Cry 1, 2, 3 in Arabidopsis) FITOCROMI (PhyA,B,C,D,E ) R UV-B (caratterizzati mediante spettroscopia)

Transduction Pathway components HY5 COP1 COP9 DET1 FUS UV-B UV-A Blue Red F Red Light Parameters Light-regulated genes CAB RBCS PHYA PAL CHS etc Photomorphogenic display Seed germination Seedling De-etiolation Phototropism Shade avoidance Floral Induction Photorecep. phyA phyB Phot/Cry UV-B receptor

Trattamenti con intensità diverse di luce HIR > 1000 mol/m2 LFR 1-1000 mol/m2 (fotoreversibilità) VLFR 0.1 mol/m2

Funzioni membri della famiglia del Fitocromo durante lo sviluppo Fitocromo Fotorecezione Attività fisiologiche primarie phyA VLFRs Germinazione semi (UV,visibile,FR) HIRs deeziolamento plantule (FRc), induzione fioritura in LD phyB LFRs Germinazione semi (Rc) R-HIRs deeziolamento plantule (Rc) phyC R-HIRs deeziolamento plantule (Rc) phyD EOD-FR risposta di fuga dall’ombra (allungamento internodi, fioritura) phyE LFRs Germinazione semi EOD-FR risposta di fuga dall’ombra (allungamento internodi, fioritura)

I Fitocromi I Fitocromi sono codificati da una famiglia multigenica: in Arabidopsis 5 geni, PHYA-PHYE I 5 fitocromi sono tutti espressi in modo ubiquitario il fitocromo purificato è in forma di omodimero di 125kD il fitocromo attivo è presente come omodimero ogni polipeptide lega un cromoforo tetrapirrolico, fitocromobilina, con un legame tioetere, su una cisteina conservata i 5 fitocromi legano lo stesso cromoforo la regione C-ter media la dimerizzazione

Struttura di una molecola di Fitocromo AtPhyE AtPhyD AtPhyC AtPhyB AtPhyA 1) Albero filogenetico dei cinque geni Phy 80% identità aacidica 2) Struttura proteica dei fitocromi N terminale C terminale La luce rossa in particolare è la qualità più disponibile per le piante ed I fitocromi costituiscono la famiglia di fotorecettori che mediano la sua percezione F D1 P1 P2 D2 HKRD 1210 aa = fluorocromo D1, D2 = dominio di dimerizzazione P1, P2 = dominio PAS (interazione proteina-proteina HKRD = dominio istidina-chinasico F

Omologie strutturali/funzionali tra Phy batterici e vegetali PSD HKD HKRD PRD chromophore BATTERI PIANTE PSD:photosensory domain con cromoforo HKD:dominio istidina chinasi PRD:dominio PAS-related HKRD:dominio istidina chinasi-related

I fitocromi si dividono in 2 classi: La funzione dei fitocromi è basata sulla capacità di interconversione reversibile tra la forma Pr e quella Pfr: La forma Pr, biologicamente inattiva, assorbe luce rossa (R) La forma Pfr, biologicamente attiva, assorbe luce rosso lontano (FR) La percezione del segnale luminoso è seguita da un cambio conformazionale La percezione del segnale luminoso attiva poi vie di trasduzione del segnale I fitocromi si dividono in 2 classi: tipo I, instabile alla luce (phyA) tipo II, stabile alla luce (phyB-E) I fitocromi quindi fungono da sensori del rapporto R/FR nell’ambiente: normalmente R/FR ~ 1.2 le strutture fotosintetiche assorbono R, indi il rapporto diminuisce Il rapporto R/FR è indicativo anche della “densità di popolazione”

Attività del fitocromo Attività chinasica luce-regolata: Autofosforilazione (ser/thr chinasi) Legame con PKS1 (PhytocromeKinaseSubstrate) nel citoplasma Legame con diversi TF (PIF3, HY5, COP1) nel nucleo Ser-rich N-Ter Extension NTE Fosforilata in Pr e Pfr in vivo Fosforilata in Pfr in vivo

Localizzazione del fitocromo Citoplasmica: “Phy sono molecole solubili, citoplasmatiche…” Esperimenti di microiniezioni con a/antagonisti di 2°messaggeri noti Localizzazione immunocitochimica Nucleare: Analisi istologica di proteine chimeriche PhY-GFP, Phy-GUS, biologicamente attive (complementazione di mutanti phy) Legame di PhyB/PhyA con TF luce-regolati (PIF3)

PhyB-GFP localization in seeds Red light Pr Pfr B * Activated 35S:PhyB::GFP B 35S:PhyB::GFP * B PhyB-GFP localization in seeds WT phyB::GFP 630X