LGN 5799 - SEMINÁRIOS EM GENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas Departamento de Genética Avenida Pádua Dias, 11 - Caixa Postal 83, CEP: 13400-970 - Piracicaba - São Paulo - Brasil Telefone: (0xx19) 3429-4250 / 4125 / 4126 - Fax: (0xx19) 3433-6706 - http://www.genetica.esalq.usp.br/semina.php Ritmos Circadianos em Plantas Aluno: Ms. Ricardo Augusto de Oliveira Rodrigues Orientador: Prof. Dr. Marcio de Castro Silva Filho
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Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de ... · Daniel, X., Sugano, S., and Tobin, E.M. (2004). CK2 phosphorylation of CCA1 is necessary for its circadian oscillator
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LGN 5799 - SEMINÁRIOS EMGENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS
Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas
Departamento de GenéticaAvenida Pádua Dias, 11 - Caixa Postal 83, CEP: 13400-970 - Piracicaba - São Paulo - Brasil
Aluno: Ms. Ricardo Augusto de Oliveira RodriguesOrientador: Prof. Dr. Marcio de Castro Silva Filho
tempo
MúsicaPoesia
Natureza
Ritmo
Ambiente Indivíduo Sistema Órgão Célula
Ritmos de Sucessão Ambiental
Migração Temperatura Secreção de Hormônios
Expressão de Genes
Ritmos
Circatrigintans - 30 diasCiclo Menstrual
Circannuals - 1 anoHibernação
Circaseptan - 7 diasTransplantes
90 minutosSono/Vigília
Ritmos
Ritmo Circadiano – Subconjunto dos ritmos biológicos com período de ~ 24 horas.
Latin: Circadiano
Circa = Cerca
Dies = Dia
Ritmo que acompanha o movimento de rotação da terra;
Adaptação não somente para responder à luz, mas antecipar e ajustar as condições fisiológicas em resposta às mudanças ambientais;
Comprovada vantagem seletiva;
Bioluminescência
Bioluminescência
Bioluminescência
Bioluminescência
TempoTempoTempoTempo
Cianobactéria
TempoTempoTempoTempo
Desenvolvimento
Desenvolvimento
Desenvolvimento
Desenvolvimento
Neurospora crassa
Drosophila melanogaster
Eclosão
Eclosão
Eclosão
Eclosão
TempoTempoTempoTempo
TempoTempoTempoTempo
Melatonina
Melatonina
Melatonina
Melatonina
TempoTempoTempoTempo
Dias
Dias
Dias
Dias
Atividade
Aves
Mamíferos
Bell-Pedersen et al. (2005). Nat Rev Genet. Jul 544-56.
Organismos
Estatísticas
A performance em testes mentais é melhor perto do horário do almoço que durante a manhã ou noite (Folkard, 1975).
Diversos estudos demonstram que a velocidade visual de procura é melhor durante a manhã (Monk, 1979).
Por volta das 4h da manhã a probabilidade de ocorrer um acidente de carro aumenta.
Pessoas mantidas em cavernas tendem a apresentar um ritmo de ~ 24 horas.
40 a.C. – Androsthenes descreveu as observações do movimento diário da folha de Tamarindus indicus, durante as marchas de Alexandre o Grande. Simples descrição;
1729 - Jean Jacques d’Ortous de Mairan mostrou que os movimentos foliares da planta Mimosa pudica persistiam em escuridão constante, sugerindo uma origem endógena. Ele concluiu que a planta apresenta algum mecanismo próprio para “saber”quando abrir e fechar as folhas. O estudo não envolveu variação de temperatura;
Histórico
Escuro
1751 – Carolus Linnaeus, a partir do fato que cada espécie apresenta uma hora do dia única para abertura da flores, propôs o “relógio das flores” apoiando a idéia que cada organismo apresenta ritmos únicos;
Somers DE. (1999). Plant Physiol. 1999 Sep;121(1):9-20.
Histórico
1873 – Wilhelm Pfeffer suspeitou que a entrada de luz nos quartos escuros poderia invalidar a origem endógena do ritmo, dando margem a discussões;
1894 – Primeiros experimentos com animais. Padrões temporais de pigmentos em artrópodes;
1922 - Atividade diária de ratos;
1929 – Karl Von Frisch – Treinaram abelhas para coletar néctar na estação experimental entre 16 e 18 h. As abelhas não visitavam outros horários e,quando retirado o néctar, as abelhas continuavam visitando. Mesmo quando desprovidas de fatores ambientais, como a luz, a visita persistia;
1952 – Gustav Kramer – Estudou o padrão de migração de pássaros. Assim como as abelhas, os pássaros possuem um relógio circadiano para ajustar a orientação decorrente de alteração na posição do sol;
Histórico
Endógeno ou não?
Ritmos Circadianos
• 3 Características:
- Endógenos;
- Período de aproximadamente 24 horas;
- Independente da temperatura;
• Mecanismo baseado em reações químicas:
Jacobus Henricus van't Hoff
A + B � C + D
Regra de Van't Hoff
“um aumento de 10 graus celsius na temperatura duplica a velocidade da reação “
Q10=2
20oC � X
30oC � 2X
Bünning (1931) mostrou que o período do movimento foliar de Phaseolus spapresentava um Q10=1,2.
Início da análise genética: 1970
Dias
Moscas por hora
Ritmos de eclosão (liberação do inseto adulto a partir da pulpa)
Ponto de Partida
� Identificação dos componentes do relógio molecular;
� Kloppstech (1985) identificou os genes codificadores da LHCB (Light-harvesting chlorophyll binding protein);
� A expressão apresentava um perfil circadiano;
� Utilização de genes repórteres para busca de mutantes temporais;
Gene Repórter - Luciferase
� Luciferina não produz luz;
� Luciferase – Catalisa a oxidação da luciferina;
� Visualização através de equipamentos específicos;
promotor LHCB luciferase
tempo
tempo
tempo
tempo
selvagem
Millar et al. (1995b). Science 267, 1161–1163.
período-curto
período-longo
arritmico
ArritmicoPeríodo longoProteína F-boxZTL
ArritmicoPeríodo curtoElemento reguladorTOC1
Não conhecidoPeríodo curto, baixa amplitudeNão caracterizadaTIC
Período curto em luz vermelhaPeríodo longo em luz vermelhaFotoreceptorPHYB
Período curto em luz vermelhaPeríodo longo em luz vermelhaFotoreceptorPHYA
Período longoArritmicoDesconhecidaELF3
Período curto em luz azulPeríodo longo em luz azulFotoreceptorCRY2
Período curto em luz azulPeríodo longo em luz azulFotoreceptorCRY1
Período curtoNão conhecidoQuinaseCKB3
ArritmicoPeríodo curtoFator de transcriçãoCCA1
Super-expressãoPerda de FunçãoFunçãoGene
Tabela 1. Genes de constituintes do relógio biológio de Arabidopsis
McClung CR. Plant Cell. 2006 Apr;18(4):792-803.
McClung CR (2006) Plant Cell. Apr;18(4):792-803.
Via de entrada
Oscilador central
Via de saída
0h 6h 12h 18h
Microarranjos
Resultados
� Identificação de genes diferencialmente expressos ao longo do dia;
� 11.521 EST;
� 10% dos genes de Arabidopsis;
Germinação
Movimentos foliares
Evitar sombra
Florescimento Abertura Flores Produção de Fragrâncias
Tuberização
Fotossíntese Abertura Estômatos
Dormência
Black M & Wareing PF (1954) Nature 174, 705–706.
Período de luz (h)
% de germinação
Germinação
% de Germinação
Período de luz (h)
15oC
20oC
Betula pubescens
Dowson-Day MJ & Millar AJ (1999) Plant J 17, 63–71
� O progresso alcançado desde os experimentos de de Mairan éconsiderável;
� Entretanto diversas questões ainda continuam sem resposta;
� O campo de pesquisa está se expandindo para análises ecológicas, evolucionárias e agronômicas sobre o tema;
Bargiello, T.A., and Young, M.W. (1984). Molecular genetics of a biological clock in Drosophila. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 81, 2142–2146.
Black M & Wareing PF (1954) Photoperiodic control of germination in seed of birch (Betula pubescens Ehrh.). Nature 174, 705–706.
Bu¨ nning, E. (1960). Opening address. Biological Clocks. Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 25, 1–9.
Covington, M.F., Panda, S., Liu, X.L., Strayer, C.A., Wagner, D.R., and Kay, S.A. (2001). ELF3 modulates resetting of the circadian clock in Arabidopsis. PlantCell 13, 1305–1316.
Daniel, X., Sugano, S., and Tobin, E.M. (2004). CK2 phosphorylation of CCA1 is necessary for its circadian oscillator function in Arabidopsis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 3292–3297.
Dodd, A.N., Parkinson, K., and Webb, A.A.R. (2004). Independent circadian regulation of assimilation and stomatal conductance in the ztl-1 mutant ofArabidopsis. New Phytol. 162, 63–70.
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Dowson-Day, M.J., and Millar, A.J. (1999). Circadian dysfunction causes aberrant hypocotyl elongation patterns in Arabidopsis. Plant J. 17, 63–71.
Doyle, M.R., Davis, S.J., Bastow, R.M., McWatters, H.G., Kozma- Bognar, L., Nagy, F., Millar, A.J., and Amasino, R.M. (2002). The ELF4 gene controlscircadian rhythms and flowering time in Arabidopsis thaliana. Nature 419, 74–77.
Edwards, K.D., Lynn, J.R., Gyula, P., Nagy, F., and Millar, A.J. (2005). Natural allelic variation in the temperature compensation mechanisms of theArabidopsisthaliana circadian clock.Genetics 170, 387–400.
Kolosova N, Gorenstein N, Kish CM & Dudareva N (2001) Regulation of circadian methyl benzoate emission in diurnally and nocturnally emitting plants. Plant Cell 13, 2333–2347.
Martinez-Garcia JF, Virgos-Soler A & Prat S (2002) Control of photoperiod-regulated tuberization in potato by the Arabidopsis flowering-time gene CONSTANS. Proc Natl Acad Sci USA 99, 15211–15216.
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