FOTOMORFOGENEZA - bio.bg.ac.rs · PDF fileU procesu fotosinteze svetlost ... • Tamno crveno poništava efekat crvenog svetla. Irradiations G ermination% R 88% R , ... faza je vrlo

FOTOMORFOGENEZA

etiolatedde-etiolated

Etiolirane biljke su izdužene, zakržljalih listova, bledožute boje, sa vrhom stabla u obliku kuke.

SKOTOMORFOGENEZA

FOTOMORFOGENEZA

FOTOMORFOGENEZA

Sve osnovne faze rastenja i razvića kontroliše svetlost.

U procesu fotosinteze svetlost je izvor energije (koja se konvertuje u energiju hemijskih veza).

U fotomorfogenezi, svetlost je nosilac informacija o promenama u spoljašnjoj sredini, na osnovu koje biljke usklađuju rastenje i razviće sa uslovima sredine.

Da bi svetlost delovala na biljke, ona mora biti apsorbovana.

Pigmenti koji apsorbuju svetlost aktivnu u morfogenezi različiti su od fotosintetičkih pigmenata.

INFORMACIJA

ENERGIJA

FOTOSINTEZA

INTEZITET KVALITET PRAVAC PERIODIČNOST

FOTOMORFOGENEZA

Da li se nalazi na svetlu ili u mraku, intezitetu svetlosti, analizira kvalitet svetlosti, određuje pravac zračenja, kao i dužinu i periodičnost osvetljavanja.

Fotomorfogentski pigmenti

U fotomorfogentske pigmente spadaju:

Fitohromi – apsorbuju u crvenom, tamno crvenom i plavom delu spektra.

Kriptohromi – apsorbuju u plavom i UVA (bliskom ultraljubičastom) delu spektra.

Fototropini

Najvažnije familije: fitohromi, rodopsini, ksantopsini, kriptohromi, fototropini i BLUF proteini.

Procesi razvića biljaka kontrolisani svetlošću

Fotomorfogenetske pojave uključene u razvojne procese: pokreti biljaka,

klijanje semena, biološki sat, fotoperiodizam.

FITON – BILJKA; HROMA – BOJA, PIGMENT GRČ.

Fitohrom je pigmenit, karakterističan za biljke, koji učestvuje u

kontroli razvića i rastenja biljaka.

FITOHROM

• Semena salate (u mraku) osvetljavana su crvenim svetlom (1 min) ili tamno crvenim svetlom (3 min). Nakon 48 sati prebrojana su klijava semena i izračunaat procenat klijanja .

• Crveno svetlo stimuliše klijanja salate,• Tamno crveno poništava efekat crvenog svetla.

Irradiations Germination%

R 88%

R, Fr 22%

R, Fr, R 84%

R, Fr, R, Fr 18%

R, Fr, R, Fr, R 72%

R, Fr, R, Fr, R, Fr 22%

Irradiations Germination%

R 88%

R, Fr 22%

R, Fr, R 84%

R, Fr, R, Fr 18%

R, Fr, R, Fr, R 72%

R, Fr, R, Fr, R, Fr 22%

Otkriće fitohroma

Borthwick i Hendricks (1950):

Red light = ~ 620-680 nm

Far-red light ~700-800 nm

ŠTA JE FITOHROM?

Hromoprotein

Dimer molekulske mase 250.000 D.

Svaka subjedinica sastoji se od dve komponente:

- hromofora (neproteinski deo)

- apoproteina (proteinski deo)

Holoprotein

Structure of the phytochrome dimer. The monomers are labeled I and II. Each monomer consists of a chromophore-binding domain (A) and a smaller non-chromophore domain (B). The molecule as a whole has an ellipsoidal rather than globular shape. (After Tokutomi et al. 1989, courtesy of M. Wada.)

FITOHROM Hromofor – deo molekula

koji nije proteinske prirode, a koji apsorbuje svetlost.

Hromofori su tetrapirolikoji čine otvoren lanac od četiri pirolova prstena postavljena u nizu (fitohromobilin).

Po jedan molekul hromofora vezan je za svaki monomer fitohroma tioestarskom vezom.

Prvi stupnjevi sinteze indentični su sa stupnjevima u biosintezi hlorofila.

Putevi u biosintezi hlorofila i fikobilina se razdvajaju na stupnju protoporfirina IX, raskidanjem porfirinskog prstena.

Deo fitohroma koji apsorbuje svetlost (hromoprotein) lociran je na N-terminusu. C-terminus apoproteina ima sposobnost autofosforilacije i prenosa fosfata na drugi protein (ima funkciju histidnske kinaze).

FITOHROM

Fitohrom se sintetiše u obliku koji apsorbuje svetlost od 660 nm i u tom obliku se nalazi u biljkama koje rastu u mraku. On je označen kao fitohrom 660, ili P660 ili Pr (phytochrome red).

Kada se osvetli crvenom svetlošću, Pr se konvertuje u drugi oblik, čiji je maksimum apsorpcije na 730 nm, pa se naziva fitohrom 730, ili P730 ili Pfr.

On započinje biološku akciju.

FITOHROM

Pri apsorpciji svetlosti menja se struktura fitohroma.

Na hromoforu dolazi do cis-trans izomerizacije između prstena C i D.

Pr Pfrcrveno-svetlo

tamno crveno svetlo

Fiziološki aktivna forma fitohroma

klijanje semena

De-etiolation

Formiranje hloroplasta

Apsorpcija svetlosti od strane bilo kog oblika fitohroma dovodi do njegovog prelaza u drugi oblik.

Jedinstvena osobina fitohroma je postojanje dveinterkonvertibilne forme istog molekula, koje se međusobnorazlikuju po apsorcionim spektrima i po funkcijama koje vrše.

FITOHROM

Pr apsorbuje crvenu svelost talasne duž. 660 nm, a Pfr apsorbuje tamno (daleko) crvenu svetlost – 730 nm.

Odgovor biljke na svetlosni stimulus zavisi od spektralnog sastava zraka, tj od toga da li (i u kojoj meri) dovodi do konverzije neaktivnog u aktivni oblik (P730/Pukupni).

Absorption spectra of purified pytochromes:

Pr = Red light (620-680nm)

Pfr = far-red light (700-800 nm)

Phytochromes also absorb blue light.

FITOHROM

Apsorpcioni spektri fitohroma se preklapaju na talasnim dužinama kraćim od 720 nm, što znači da je fotohemijski nemoguće konvertovati sav Pr u Pfr.

Zbog preklapanja aps. spektara, osvetljavanje svetlošću talasne dužine manje od 720nm, dovodi do uspostavljanja tzv. fotostacionarnog stanja fitohroma (P730/Pukupni).

Dnevna svetlost – obuhvata sve talasne dužine vidljivog spektra, pa su stoga oba oblika fitohroma ekscitirana i neprestano prelaze iz jednog u drugi oblik.

Dinamičkom stanju fitohroma u biljkama doprinosi pored fotokonverzije, biosinteza i destrukcija.

Osvetljavanje etioliranih biljaka dovodi do konverzije Pr u Pfr, ali i do destrukcije fitohroma.

Kod biljaka koje rastu na svetlosti uvek ima manje fitohroma nego kod etioliranih.

FITOHROM

Postoje dve klase fitohroma:

Tip I – zastupljen je oko 9 puta više kod etioliranih biljaka.

Tip II

U zelenim tkivima je količina ova dva tipa fitohroma približno jednaka.

Fitohrom I i II se među sobom razlikju po stabilnosti aktivne forme P730.

Biljka gajena na svetlu

Biljka gajena u mraku

FITOHROM

Kod model-biljke Arabidopsis thaliana identifikovana je fitohromska familija strukturno sličnih gena – PHYgeni.

Ova petočlana familija obuhvata: PHYA, PHYB, PHYC, PHYD i PHYE.

PHYA kodira sintezu fitohroma tipa I (on se sintetiše kod biljaka u mraku).

Geni PHYB – PHYE kodiraju fitohrome tipa II.

• All share the same chromophore but the apoproteins are encoded by five different genes: phyA, B, C, D, and E• Have slightly different amino acid sequences

FITOHROM

Distribucija i lokalizacija fitohroma u biljci:

Najviše je zastupljen u onim delovima biljke koji aktivno rastu i reaguju na svetlost – u meristemskim tkivima i zonama izduživanja.

Može se naći u skoro svim biljnim organima – koren, stablo, list, lisna drška, kotiledoni, hipokotil, pupoljci, cvasti.

FITOHROM

Lokalizacija fitohroma u ćelijama (intracelularna lokalizacija):

Pretežno u citoplazmi eukariotskih ćelija. Nakon fotoaktivacije fitohroma (osvetljavanja svetlošću 660nm) – promene u lokalizaciji na ćelijskom nivou. Nakon osvetljavanja crvenom sv. fitohrom, koji je bio difuzno raspoređen u citoplazmi, grupiše se u diskretne regione. Nakon osvetljavanja tamno-crvenom svetlošću, ponovo se vraća difuzni tip distribucije.

Fitohromi A i B se osim u citoplazmi nalaze i u jedru, gde su vezani za specifične proteine.

Fitohrom kontroliše sledeće pojave:

Fotomorfogenetske Nefotomorfogenetske

Fotomorfogenetske pojave mogu biti:

a) Fotoperiodske – cvetanje, opadanje listova, dormancija pupoljakab) Nefotoperiodske – klijanje semena, deetiolacija

Nefotomofrogenetske pojave –indukcija sinteze različitih enzima ili drugih supstanci čije je učešće u morfognezi posredno.

(Akcioni spektar svih ovih procesa je isti, što govori da postoji zajednički pigment posrednik u ovim reakcijama.)

odgovor na niske energije (LFR) odgovor na vrlo niske energije osvetljavanja (VLFR) visokoenetrgetske reakcije (HIR)

Svaki svetlosni izvor može da se definiše intezitetom i kvalitetom svetlosti kojuemituje. Intezitet svetlosti (irradiance ili fluence rate) je brzina kojom se svetlostapsorbuje, reflektuje itd. Kada ovu vrednost pomnožite sa vremenom osvetljavanjadobija se ukupna kolčina svetlosti- fluence (doza svetlosti).

Bunsen-Roscoe zakonu, veličina odgovora zavisi od proizvoda inteziteta i vremena izlaganja, odnosno od broja fotona koje koleoptil apsorbuje

FITOHROM

Induktivni fitohromski sistem – kontroliše procese izazvane jednokratnim osvetljavanjem crvenom svetlošću.

Osnovni kriterijumi koji karakterišu ovaj sistem su:1. proces mora da bude reverzibilan, tj. efekat crvene svetlosti se poništava pomoću tamno crvene.2. reakcija je indukovana niskom energijom oko 1µmol m-2 . Sve ove pojave su označene kao odgovor na niske energije (LFR).

Umetanje perioda mraka između osvetljavanja dovodi do delimičnog ili potpunog izostajanja reverzibilnog efekta tamno crvene svetlosti –izbegavanje reverzibilnog efekta tamno crvene svetlosti.

Izbegavanje reverzibilnog efekta tamno crvene svetlosti je i mera aktivnosti P730, od koje zavisi brzina odgovora.

FITOHROMTri faze:

Apsorcija fotona i formiranje P730 -percepcija signala, ova faza je vrlo kratka.

Aktivnost P730 – prva molekularna promena izazvana aktivnim oblikom fitohroma.

Ekspresija reakcije –pojava merljivih promena parometara indukovane reakcije.

Fitohrom indukovane reakcije mogu grupisati u dvekategorije: brzi biohemijski događaji i sporijemorfološke promene, uključujući i pokrete i rast.Neke od ranih biohemijskih reakcija mogu da pogodekasnije razvojne procese.

PROCES OBJEKAT VREME REAKCIJE

Brza aktivnost fitohroma / brza ekspresija reakcije

Promena u električnom potencijalu

Koleoptil ovsa

Vrhovi korena kineskog pasulja

15 s

30 s

Brza aktivnost fitohroma / ekspresija reakcije nakon nekog vremenskog intervala

Sklapanje listića

Sinteza askorbinske kis.

Mimosa

Slačica

5 min.

4 sata

Produžena aktivnost fitohroma / ekspresija reakcije nakon nekog vremenskog intervala

Klijanje semena Paulownia tomentosa

7 dana

Trajanje druge faze predstavlja kriterijum na osnovu koga se induktivni proces mogu podeliti na:

FITOHROM

Odgovor na vrlo niske energije osvetljavanja (VLFR)

Energija crvene ili tamno crvene je veoma niska oko 0.1 n mol m-2

Ova energija prevodi

manje od 0.02% fitohroma

u aktivnu formu. Pošto čak

i svetlost od 730nm prevodi

veći procenat 0.03% u

aktivan oblik, tamno crvena

svetlost takođe indukuje

ovaj tip odgovora.

VLFR se javlja samo kod imbibovanih semena i sejanaca raslih u mraku.

FITOHROM

LER (odgovor na niske energije) odgovor iniciran je energijom od 1μmol/m2

LER spektar uključuje dva pika: za stimulaciju crveni region spektra (660nm) i za inhibiciju tamno crveni region (730nm)

LER odgovori su fotoreverzibilni

LER akcioni spektar za fotoreverzibilnu stimulaciju i inhibiciju klijanja semena Arabidopsis-a.

Visokoenetrgetske reakcije (HIR)

Biljke su najčešće izložene tokom dužih vremenskih peroda relativno visokim energijama svetlosti.

Potrebna je kontinualna svetlost jača od 10mmol m-2.

Visokoenergetske reakcije: rastenjelistova, sinteze antocijanina, inhibicija izduživanja hipokotila....

Potrebno je da se uspostavi niska, ali stabilna koncentracija aktivnog fitohroma P730 što se postiže kada se etiolirani sejanci (sav fitohrom je u neaktivnom obliku) osvetle tamno crvenom svetlošću. Tamno crvena svetlost konvertuje 3 % fitohroma u aktivnu formu i održava ga na tom nivou jer je brzina sinteze izjednačena sa brzinom degradacije.

Akcioni spektar visokoenergetske reakcije-HIR: inhibicijaizduživanja klijanaca salate raslih u mraku (Hartmann 1967.)

Fitohrom A je posebno značajan receptor tamno crvene svetlosti.

U inhibiciji izduživanja hipoktila tamno crvena svetlost ima jače dejstvo nego crvena.

HIR akcioni spektar inhibicijeizduživanja hipokotila Sinapsis alba(rasle na svetlu) pokazuje jedan pik ucrvenom delu spektra, isto kao iakcioni spektar LER reakcije, samošto ovaj efekat nijefotoreverzibilan. HIR reakcijaetioliranih biljaka izazvanaosvetljavanjem tamno crvenomsvetlošću je pod kontrolom phyA,dok kod biljaka raslih na svetlufitohroma II (phy B i ostalih).

Dimerni model aktivnosti fitohroma

Fitohrom je dimer, ukupno poseduje dva hromofora, pa se možepretpostaviti da postoji u tri interkonvertibilna oblika:

1. P660/P660 – fiziološki neaktivan2. P660/P730 – fiziološki aktivan3. P730/P730 – fiziološki aktivan

Svaki od ova tri oblika može da bude vezan za receptor “X”. Ako sepretpostavi da je fitohrom za ovaj receptor vezan u obliku P660 onda seindukucija crvenom svetlošću vrlo niske energije i tamno crvenom niskeenergije može objasniti tako što se u oba slučaja fitohrom prevodi uoblik P660/P730 u količini koja je dovoljna da zasiti receptor i da otpočnereakciju. Krajnji rezultat je nizak i ne može da se poništi tamno crvenomsvetlošću.

Za visokoenergetsku reakciju neophodno je dugotrajno prisustvo fitohroma u aktivnom obliku u relativno niskoj koncentraciji.

Dimerni model pretpostavlja da se relativno niska koncentracija aktivnog fitohroma obezbeđuje dimerom P660/P730.

U okviru dimera stalno dolazi

do konverzije jednog oblika

fitohroma u drugi –

ciklična fotokonverzija

fitohroma.

Ciklična konverzija fitohroma

zavisi od inteziteta svetlosti.

Više od 100 različitih transkripata (mRNK) se sintetiše pod dejstvom svetlosti. Svetlost utiče na transkripciju u jedru i hloroplastima, a veliki broj proteina zavisnih od svetlosti su fotosintetički proteini.

Fitohrom aktivira neke od transkripcionih faktora.

Učestvuje u transdukciji signala preko G-proteina, kalcijuma i fosforilacije.

Crveno svetlo povećava ekspresiju gena koji kodiraju nekeenzime koji učestvuju u sintezi giberalina. Fitohrom stimulišeklijanje semena salate povećanjem biosinteze giberalina.

Cell elongation is controlled by the hormone gibberellic acid, GA3, and can respond to seasons. The DIFference between night and day temperatures is the signal. The greater the overall difference between the night and day temperatures, the greater the rate of cell elongation.

(Fast)

Dark Reversion

Red Light

740 nm660 nm

Pr Pfr

(Slow)

Far Red LightSynthesis

Destruction

GA synthesis &Cell Elongation (Stretch)

Early Morning Pfr induces stretch!

Early Morning Far Red Light

More difference between day and night temperature causes more GA3

to be produced, greater responsiveness by the plant to the hormone and the faster cell elongation occurs. Early, pre-dawn periods are when the plant is most sensitive to this response. As the sun comes up, far-red light is generated sooner than red light. Far red light may stimulate production or sensitivity to GA3.

(Fast)

Dark Reversion

Red Light

740 nm660 nm

Pr Pfr

(Slow)

Far Red Light

Destruction

Reduced Cell

Elongation (Stretch)

Drop in temperature affects Pfr, hence GA systhesis, hence stretch

Early Morning Far Red Light

5-70 FTemperature

Drop

70F

By minimizing this day/night temperature difference when the far red light is dominant, we can reduce plant “stretch” by reducing production of GA3, and the sensitivity of the plant to the hormone. Increasing night temperatures is expensive, causes poor growth and low carbohydrate levels.

Izbegavanje zasenčenosti

U nižim spratovima biljne zajednice npr. šume dnevna svetlost je siromašna u plavoj i crvenoj komponenti, jer tu svetlost apsorbuje hlorofil listova iz gornjih spratova. Pošto je hlorofil transparentan za tamno crvenu svetlost, niži spratovi obiluju ovom komponentom.

Za rastenje je kritičan odnos P730/Pukupno. Ovaj odnos nije konstantan, zavisi od tipa vegetacije (biće viši u proređenim a niži u gušćim sklopovima).

U senci se smanjuje odnos R/FR, pa odnos P730/Pukupno opada.

Postoji linearni odnos između logaritma brzine izduživanja stabla ifotostacionarnog stanja. Izduživanje se povećava sa padomfotostacionarnog stanja.

Za biljke koje se izdužuju u uslovima senke, kaže se da pokazujureakciju izbegavanja senke.

P730/Pukupn

EFEKATI PLAVE SVETLOSTI

Kretanje hloroplasta, fototropizam, inhibicija izduživanja hipokotila, stimulacija sinteze karetenoida i hlorofila, otvaranje i zatvaranje stoma........

Plava svetlost izaziva otvaranje stoma time što stimulira aktivnost protonske ATPaze na ćeljskoj membrani, što povećava polarizaciju membrane i otvaranje ulaznih jonskih kanala.

Svetlost deluje pre svega na fotosintezu u kojoj nastaju ATP i skrob; ATP je potreban za aktivnost H+-ATPaze, a od skroba postaje malat. Plava svetlost reguliše metabolizam u ćelijama zatvaračicama. U ćelijama zatvaračicama pod uticajem crvenog svetla akumuliraju se šećeri (Talbott and Zeiger 1998); ako se uz crveno svetlo stome osvetle i plavim svetlom niskog inteziteta ćelije zatvaračice počinju da akumuliraju K+ i malat2–.

Blue light also stimulates starch hydrolysis and malate biosynthesis.

UTICAJ SVETLOSTI NA OTVARANJE STOMA

EFEKAT CRVENE I PLAVE SVETLOSTI

Plava svetlost, verovatno preko zeaksantina, aktivira H+-ATPazu.

• Usled hiperpolarizacije membrane kalijum ulazi u ćeliju kroz ulazne kanale, a hlor u simportu sa protonima.

KRIPTOHROM

KRIPTOHROM

Kriptos = skriven, hroma = boja

Apsorbuje u plavom, ali i u bliskom ultraljubičastom (UV-A) delu spektra.

Efekti plave svetlosti:

fototropska reakcija, inhibira izduživanja stabla, stimuliše razvitak kotiledona, otvaranje apikalnog pupoljka,otvaranje stoma, sintezu flavonoida, modifikuje mnoge metaboličke procese,stimuliše pomeranje hloroplasta u ćeliji.

Za CRY1 protein vezana su dva hromofora: flavin adenin dinukleotid i pterin.

Flavini su žuti pigmenti i verovatno je jedan FADH nekovalentno vezan za protein.

Pterin (5,10-metilentetrahidrofolat) pripada derivatima pteridina; sastavni je deo nitratne reduktaze za koji je vezan molibden. Za protein je vezan nekovalentnom vezom.

CRY2 je vrlo sličan CRY1 genu i

znatnoj meri duplira njegove funcije.

Ima relativno veći značaj u rastenju

listova i indukciji cvetanja.

Kao i CRY1 učestvuje u inhibiciji

izduživanja hipokotila i sintezi

antocijanina.

Antocijanin štiti nerazvijeni fotosintetički aparat.

U ćelijama hipokotila dolazi do depolarizacije membrana (zbog otvaranja anjonskih kanala). Svetlost kako crvena, tako i plava izaziva inhibiciju aktivnosti P – ATPaza, što dovodi do povećanja pH ćelijskog zida i inhibicije rastenja.

Photomorphogenesis as a morphological and as a cellular process. The left photos show the change in form of an Arabidopsis thaliana seedling grown in darkness (top) or in white light. The right hand illustration shows the change in chloroplast structure and diagrams the progress of light signals through two receptor systems, cryptochrome and phytochrome. Adapted from Biochemistry and Molecular Biology of Plants,

POKRETI BILJAKA

Jedna od suštinskih karakteristika svih živih sistema je nadražljivost, sposobnostreakcije na fizičke faktore spoljašnje sredine. U užem smislu reči, reakcijenadražljivosti obuhvataju pokrete koje biljke vrše. Biljke vrše pokrete, a posledicatoga je optimizacija uslova za osnovne fiziološke procese.

Pokreti koje biljake vrše mogu da se svrstaju u dve grupe:

pokreti koje obavljaju slobodni organizmi

pokreti koje vrše utvrđene biljke

Po uzroku koji ih izaziva pokreti se mogu podeliti:

autonomne, čiji uzrok endogene prirode i koji se obavljaju nezavisno od spoljašnjih faktora(cirkumnutacije)

indukovane, čiji je uzrok fizički stimulus iz spoljašnje sredine.

Pokreti se mogu klasifikovati i na osnovu mehanizamakojim se obavljaju:

nutacionim pokretima, zasnovanim na diferencijalnom rastu

varijacionim pokretima, zasnovanim na promeni turgora

lokomotornim pokretima

Tropizmi

pokreti čvrsto priraslih organa, koje indukuje i usmeravajednostrani stimulus. Pokret se obavlja po pravcu draži.

Nastije

pokreti koji se obavljaju nezavisno od pravca draži. Vrsta ismer pokreta su određeni samo građom organa koji reaguje.Nastije mogu nastati reverzibilnim promenama turgora(varijacionim promenama) ili nejednakim rastenjem suprotnihstrana organa (nutacije).

POKRETI RASTENJA

Procesi kojima biljka usmerava rast u odnosu na smerstimulusa mogu se podeliti u tri faze:

1. faza percepcije2. faza transdukcije3. faza odgovora

FOTOTROPIZAM

Prostorna distribucija rastenja, izazvana asimetričnimosvetljavanjem organa.

Zavisno da li se pokret odvija prema izvoru draži,govorimo o pozitivnom ili u obrnutom smeru, kadagovorimo o negativnom fototropizmu.

Konačni ugao koji koleoptil postigne je posledica nejednakog rastenja dveju strana koleoptila, njegova veličina zavisi :

od inteziteta,

trajanja,

talasne dužine,

suprotne tendencije rastenja

uspravno izazvane gravitacionom

silom.

Jednostranim osvetljavanjem ovsa, uz variranje inteziteta i trajanjasvetlosti, fototropsku reakciju karakterišu četiri jasno izdvojenaodgovora.

Dobijeni odgovori na svetlosnu stimulaciju zavise od odnosa između ukupneenergije svetlosti i trajanja osvetljavanja.

Kriva reakcije koleoptila ovsa u funkciji energije svetlosti

Kriva fototropske reakcije kukuruza

Prva pozitivna i prva negativna reakcija ponašaju se premaBunsen-Roscoe zakonu, veličina odgovora zavisi od proizvodainteziteta i vremena izlaganja, odnosno od broja fotona kojekoleoptil apsorbuje.

Za drugu pozitivnu reakciju ovaj zakon ne važi, pri višimintezitetima, ugao savijanja zavisi samo od vremenaosvetljavanja.

Dva flavoproteina: fototropin 1 i 2.

Fototropin sadrži dva LOV domena, uz koje je smešten domen za serin/treonin kinazu. Svaki od LOV domena vezuje hromofor FMN čime se obrazuje funkcionalan holoprotein.

Veličina odgovora u okviru prve fototropske reakcije zavisi od ‘’životne istorije’’ jedinke.

Kada se etiolirani hipokotili Arabidopsis-a osvetle kratkotrajno crvenom svetlošću i ostave u mraku sledeća dva sata, a zatim osvetle plavom svetlošću, ugao savijanja u prvoj fototropskoj reakciji je daleko veći nego kad fitohrom nije aktiviran.

Povećanje odgovora se postiže i kada se sejanci izlože plavom svetlošću pre fototropskog stimulusa.

Na osnovu navedenog fototropska reakcija je rezultat zajedničkog delovanja – fototropina, kriptohroma i fitohroma.

Određivanje pravca svetlosti

Pravac se registruje na osnovu gradijenta svetlosti, odnosno na osnovu većeg broja apsorbovanih kvanata svetlosti na jednoj od dve strane osvetljenog organa.

Gradijent svetlosti se može uspostaviti na dva načina:

1. putem refrakcije

2. putem maskiranja

Kako biljka određuje pravac draži ?

A. Mehanizam maskiranja:

intezitet svetlosti tokom protoka kroz organ se snižava, pa je na proksimalnoj strani viši intezitet nego na distalnoj.

B. Mehanizam refrakcije:

kada svetlost prelazi iz vazduha, sa relativno niskim indeksom refrakcije (1.0), u citoplazmu čiji je indeks refrakcije relativno visok (1.34) dolazi do fokusiranja svetla na distalnoj strani, pa je na distalnoj strani intezitet svetlosti viši nego proksimalnoj strami.

A B

Kockice agara stavljene su na dekapitirane koleoptile sa jedne strane, koleoptil se savijao na suprotnu stranu, pod uglom čija veličina je bila srazmerna broju upotrebljenih vrhova.

Blaauw (1914-15)

Polazeći od činjenice da svetlost najčešće inhibira rastenje, Blaauw je smatrao da se uspostavljeni gradijent svetlosti između dve strane koleoptila direktno odražava na brzinu rastenja dveju strana.

Cholodny-Went hipoteza

Fototropska stimulacija izaziva lateralno premeštanje auksina u vrhu organa.

Asimetrija u distribuciji auksina u vrhu se longitudinalno prostire duž organa, utičući na rastenje svih delova organa.

Po Cholodny-Went-ovoj hipotezi krivljenje je posledica povećanja količine auksina na zamračenoj strani i smanjenju količine auksina na osvetljenoj strani.

Sama promena u rastu, ogleda se u porastu brzine rastenja na zamračenoj strani i smanjenjem brzine rastenja na osvetljenoj strani.

Osnovni mehanizam izvođenja pokreta je nejednakorastenje dvaju strana, osvetljene i zasenčene.

Šta utiče na izduživanje ćelija ?

U izvesnim slučajevima ne može da se utvrdi gradijent auksina, a i ako se utvrdi njegova veličina nije dovoljna za izazivanje nejednakog rastenja.

Kod nekih biljaka (suncokret) utvđen je gradijent giberelina.

Neki podaci iz literature ukazuju na ulogu inhibitora rastenja (ksantoksina).

Gravitropizam Jedan od faktora spoljašnje sredine, koji

u svakom trenutku deluje na rast irazviće biljaka je gravitaciona sila.

Tokom rasta, biljke savijanjem dovodesvoje organe u određeni položaj u odnosuna pravac gravitacije. Organi koji rastuvertikalno, po pravcu gravitacije, rastuortogravitropski. U zavisnosti od smeraorgani mogu da budu pozitivnoortogravitropski (korenovi) ili negativnoortogravitropski (izdanci).

Organi koji rastu pod nekim uglom napravac gravitacije su plagiogravitropni.

Organi koji rastu horizontalno kao što surizomi nekih biljaka rastudiagravitropski.

Biljke veoma brzo registruju promenu orjentacije u odnosu na gravitacionu silu.

Minimalno vreme stimulacije da se izazove prva reakcija naziva se vreme PREZENTACIJE.

Vremenski period koji protekne od početka stimulacije do pojave

odgovora naziva se

vreme REAKCIJE.

Gravitacioni stimulus ne može da se dozira, tako da svaka ćelija prima istu količinu stimulusa.

Gravitacija ne deluje kao unilateralni stimulus, niti može da se izolovano primeni na pojedine delove biljnog organizma.

Da bi biljka reagovala na gravitacioni stimulus, potrebno je uspostavljanje izvesne asimetrije pod dejstvom ove sile.

Senzorni mehanizam

Haberlandt i Nemec (1900) su došli do zaključka da u određenim biljnim ćelijama postoje statoliti koji pod uticajem gravitropskog stimulusa sedimentiraju na nižoj strani ćelije. Statoliti su ustvari skrobna zrna.

Sa razvićem istraživačkih tehnika pokazano je da se radi o amiloplastima.

Sedimentacijom amiloplasta na nižu stranu ćelija, postiže se uspostavljanje izvesne asimetrije.

Iako u gravitropizmu stimulus ne deluje sa jedne strane organa, pokret se indukuje kao posledica unilateralne stimulacije, ali na ćelijskom nivou.

Volkmann i Sievers: asimetričan pritisak statolita na ER izaziva promene u potencijalima membrana. Električna asimetrija je drugi stepen transdukcije i sa njom bi možda mogao da se poveže transport inhibitora (ABA).

SKROB-STATOLITNA HIPOTEZA

Da li su amiloplasti zaista receptori?

Vreme sedimentacije amiloplasta mora da bude u korelaciji sa vremenom prezentacije (minimalno vreme stimulacije da se izazove prva reakcija).

Uklanjanjem skrobnih zrna izostaje gravitropska reakcija. Inkubacija organa u visokoj koncentraciji kinetina ili giberelina na temperaturi od 300C dovodi do uklanjanja skrobnih zrna.

U izdanku ćelije oko vaskularnih elemenata bogate su skrobnim zrnima (starch sheath).

Ukalanjanje korenove kape, izaziva gubitak gravitropske reakcije.

Prenos signala

Evans i dr. (1988): asimetrična distribucija kalcijuma i auksina.

Mehanizam izvođenja pokreta

Cholodny-Went hipoteza

TIBA – 2,3,5-trijodbenzoeva kiselinaNPA – naftil-ftalmična kiselina

Pozitivno krivljenje prema površini kontakta nije posledica inhibicije rastenja površine koja je ostvarila kontakt. Naprotiv, ta strana organa nastavlja da raste istom brzinom, a ubrzanje rasta se dešava na suprotnoj strani.

Precepcija stimulusa je nejasna.

Reakcija rastenja odvija se neposredno oko mesta stimulacije.

Hapto- ili tigmotropizam je pokret indukovan mehaničkim stimulusom.

Tendril

Nastije Indukovani pokreti koji mogu da budu:

- pokreti rastenja - delovi organa koji obavljaju

pokret rastu i tako menjaju položaj u prostoru

- varijacioni pokreti – delovi organa menjaju

položaj u prostoru na osnovu promene turgora.

Pravac nastija određen je strukturom organa.

Niktinastije (pokreti spavanja) promena inteziteta svetlosti izaziva večernje zatvaranje cvetova.

Oxalis

Pokreti spavanja listova su dobar primer regulacije endogenog dnevnog ritma biljakapomoću svetlosti. Ovu pojavu karakteriše otvaranje i širenje listova tokom dana izatvaranje, sklapanje tokom noći.

Pokreti spavanja listova

Promena ugla pod kojim su postavljeni listovi ili listići složenog lista uzrokovana je ritmičkim promenama turgora u ćelijama pulvinusa, specijalizovane strukture u bazi lisne drške.

Regulacija endogenog dnevnog ritma pomoću svetlosti. Na faze ritma može se delovati različitim spoljašnjim stimulusima, uključujući crvenu ili plavu svetlost. Svetlost može direktno da utiče na pokrete. Naime, plava svetlost stimuliše zatvorene listiće da se otvore, a crvena svetlost praćena prekidom osvetljavanja uzrokuje zatvaranje listića.

Uloga fitohroma

Promene turgora u ćelijama pulvinusa. Fiziološki mehanizam – promene turgora zavise

od fluksa K+ i Cl- jona.

Pošto efekat crvene svetlosti može biti poništen dejstvom tamno crvene svetlosti, ova pojava ukazuje na to da fitohrom reguliše zatvaranje listova.

Fotonastije (fotoniktinastije)- kodbiljaka koje cvetaju noćuotvaranje cvetova se dešava tokomodsustva svetlosti.

OenotheraTermonastije (termoniktinastije)– cvetovi mnogih prolećnih biljakareaguju na promenu temperatureotvaranjem i zatvaranjem.

Krunični listići lale, sa povećanjemtemperature brže rastu gornjomstranom pa se cvet otvara.

Pri zatvarnju cveta brzinarastenja donje strane kruničnihlistića je veća.

Hemonastija i haptonastija Pokret izazvan hemijskom draži ili

mehaničkim stimulusom.

Rastvor azotnih jedinjenja izaziva reakciju.

Krivljanje se obavlja na osnovu nejednakog rasta gornje i donje strane hvataljki, a posledica je njihovo savijanje prema centru.

Ovaj pokret nije isključivo nastijski. Ako se nadražuju kraće hvataljke na lisnoj ploči, nadražaj se provodi do rubnih hvataljki, pa se oni više ne savijaju nastijski, već usmereno prema izvoru draži – tropistički.

Iz glavica tentakli izlučuje se kisela tečnost koja sadži pepsin. Skoro trenutno nastaje varenje životinje, a glavice vrše upijanje svarenih supstanci. List je u stanju da izvrši tri do četiri hvatanja. Drosera

Hemonastije i haptonastije - mehanizam odigravanja pokreta

Haptonastije kod Dionea muscipula:

U kontaktu sa insektom, dolazi do nadraživanja receptornihdlaka i generisanje električnog signala. Ovaj signal se u viduakcionog potencijala od dlaka prenosi u tkivo lista koji jesastavljen iz dva lobusa. Akcioni potencijali se kreću iprenose kroz dlačice i prouzrokuju da se dva režnja listazaklope za manje od jedne sekunde kada insekt sleti na njih.

Dionaea

Kod Dionaea muscipula dokazano je da u ćelijama sa donje strane lista dolazi do aktivacije H+ pumpi i izbacivanja jona H+ u apoplast ovih ćelija kao odgovor na akcioni potencijal koji dolazi od senzornih dlaka na gornjoj površini lista. Zakišeljavanje omogućuje rastezanje ćelijskih zidova u dovoljnoj meri da ćelije koje primaju vodu povećaju svoj volumen i obezbede zatvaranje lista. Pokret se ostvaruje rastenjem ćelija sa donje strane lista. Do otvaranja lista dolazi kada rast ćelija gornje strane lista prevaziđe rast donje površine lista.

Seizmonastije – poseban oblik haptonastija.

Subfamilija Mimosideae familije Fabaceae Pokreće ih mehanički stimulus. Stimulacija

jednog listića dovodi do savijanja i sklapanja ostalih listića složenog lista, petiola, pa i susednih listova.

Smisao pokreta – moguće da je zaštita od insekata.

Seizmonastijski pokreti prašnika: Cynara, Centaurea, Helianthemum i dr.

Ovaj tip pokreta indukuje se po principu sve ili ništa. Pokret se obavlja promenom turgora u pulvinusu. U određenim ćelijama pulvinisa dolazi do pada turgora.

Signal se prenosi ksilemom i delimično floemom što ukazuje na delimičnu ulogu hormona. Moguće je i pretpostaviti prenos signala na osnovu propagacije talasa hidrostatičkog pritiska izazvanog promenom turgora u primarnoj stimulaciji.

.

Mehanizam savijanja listova – transport vode u i iz motornih ćelija u pulvinusima

Hideo Toriyma je 1955. godine zapazio da K+ izlazi iz ćelije koja gubi vodu. Ruth Satter(1972) je kasnije sa saradnicima utvrdila da je kod biljke Albizzia koncentracija jona upulvinusima neuobičajeno visoka, i da je zatvaranje listića koji čine složeni list praćenogubitkom K+ jona u ventralnim motornim ćelijama i apsorpcijom tih jona od stranedorzalnih motornih ćelija.

Međutim, dorzalne motorne ćelije ne apsorbuju iste jone K+ koje otpuštaju ventralnemotorne ćelije, već se ovi joni skladište u okolnim ćelijama ili apoplastu. Dalje, promeneu koncentraciji Cl- jona prate promene u koncentraciji K+ jona.

Kretanje jona prati i kretanje vode unutar biljke, kao odgovor na promene u osmotskompotencijalu motornih ćelija koje izaziva transport jona. Dakle, listići se zatvaraju kadadorzalne motorne ćelije akumuliraju K+ i Cl- jone, što uzrokuje ulazak vode i povećanjenjihovog volumena, dok ventralne motorne ćelije ispuštaju ove jone i vodu i njihovvolumen se smanjuje.

Mehanizam transporta jona