Hírlevél: 2013 November - December

Az abiotikus stressztoleranciát eredményező szabályozási körök felderítése

Rigó Gábor és Cséplő Ágnes
Kutatási újdonságok, 2014-01-11 21:24:50

Image Text

Az abiotikus (gravitropikus, ozmotikus és oxidatív) stressztoleranciát eredményező szabályozási körök felderítése egy gyomnövény mutáns segítségével

Az élőlények evolúciója során a földi gravitációs körülményhez való alkalmazkodás alapvető szerepet játszott a fejlődési folyamatokban, a szervek és szervrendszerek kialakulásában és elhelyezkedésében.Ennek következtében mind a szárazföldi, mind a vízi növények esetében a növekedési tengely párhuzamos a földi gravitáció irányával. A magasabb rendű növények esetén, a főgyökér növekedési iránya így mindig a Föld középpontja felé mutat (ún. pozitív gravitropizmus), szemben a fotoszintetizáló hajtással, amely ezzel ellentétes irányban - ún. negatív gravitropizmust mutatva - fejlődik. Charles Darwin óta, aki először írta le a gyökér és hajtásfejlődés pozitív, illetve negatív gravitropikus válaszait, felfedezték, hogy a növények a gravitációt - és annak irányát - a keményítő szemcséket tartalmazó kloroplasztiszaik és amiloplasztiszaik segítségével érzékelik, amely keményítő tartalmú sejteket ún. sztatolitoknak neveztek el. Így a keményítőszintézisben mutáns növények lassan vagy egyáltalán nem képesek növekedésük irányát a gravitáció iránya szerint megváltoztatni. Az is ismertté vált, hogy a sztatolitok gravitációs erő irányában mutatott mozgása megváltoztatja kölcsönhatásukat a mozgásukat biztosító és érzékelő aktin filamentumokkal. A sztatolitok gravitáció irányában történő mozgását és kölcsönhatását a sejtmembránnal számos, membránban elhelyezkedő mechanoreceptor érzékeli különböző jelátviteli utakat és másodlagos hírvivő komponenseket aktiválva. Ezek között a Ca -ion kiszabadulás, a Ca és kalmodulin (CaM) érzékelés és általuk kiváltott foszforilációs kaszkádok alapvető szerepet játszanak. 1926-ban N. Cholodny és F. W. Went a kijevi egyetemen és California Institute of Technology-ban végzett kísérleteikben kimutatták, hogy a gravitációt érzékelő szignálátviteli folyamat a sejtmegnyúlást szabályozó auxin növényi hormon aszimmetrikus eloszlásához (ún. exportjához) vezet. A vízszintes helyzetbe forgatott növényi gyökerek felső sejtrétegeiből auxin transzportálódik az alsó sejtrétegekbe, ami ott gátolja a sejtmegnyúlást. A csökkenő auxinszint következtében a felső sejtrétegek megnyúlnak, és így a gyökér a gravitáció irányába elhajlik. Az elmúlt évtizedben az auxintranszport számos részlete tisztázódott az ún. PINFORM(PIN) auxintranszportot végrehajtó membránfehérjék szerepének felfedezésével. Továbbra is megválaszolatlan maradt azonban az a fontos kérdés, hogy a gravitációs stimulust jelző másodlagos Ca /CaM-szignál milyen módon szabályozza az aszimmetrikus auxinexportot, sejtmegnyúlást és ez által a gyökerek pozitív geotropikus növekedési válaszát. A 2013-ban közölt cikkünk (Rigó et. al 2013, The Plant Cell, Vol.25:1592-1608) betekintést nyújt ennek a folyamatnak egyes részleteibe egy szerin-treonin típusú proteinkináz, a CRK5, jellemzésén keresztül. Ez a kináz az eddig jórészt ismeretlen funkciójú, nyolctagú, Arabidopsisban is előforduló CRK protein kinázcsalád tagja és – mint az kutatási eredményeink alapján kiderült – foszforiláció révén szabályozza a molekuláris genetika modellnövényében, az út szélén is előforduló gyomnövényben, az Arabidopsis thaliana-ban (lúdfűben) a gyökerek gravitropikus válaszában kulcsszerepet játszó PIN2 fehérje auxinszállításban betöltött funkcióját.

Munkánkban kimutattuk, hogy a CRK5 proteinkináz alapvető szerepet játszik az Arabidopsis gyökér és szár gravitropikus mozgásának szabályozásában (1. ábra). Huszonnégy órával a 135 elfordítást követően a vadtípusú (wt) Arabidopsis gyökerek teljesen befordulnak a gravitációs vektor irá-nyába, míg ugyanennyi fordulási idő és fok ese-tében a mutáns (CRK5 proteinkinázt nem tartalmazó) crk5-1 gyökerek csak 90 fokos fordulásra képesek (1A. ábra). A vadtípusú (wt) Arabidopsis virágzati tengely 90 fokos elfordítást követően normális geotropizmust mutat, míg crk5-1 a mutáns növény virágzati tengelye csak 45 fokos fordulásra képes (1B. ábra). A CRK5 proteinkináz inaktiválása tehát gátolja a gyökér és virágzati tengely normális gravitropikus mozgását.

Image Text

1. ábra A CRK5 proteinkináz szerepet játszik az Arabidopsis gyökér és szár gravitropikus mozgásának szabályozásában (A, B).A CRK5 proteinkináz fluoreszcens fehérjével jelzett alakja (CRK5-GFP) jellegzetesen kifelé néző, U-alakú lokalizációs mintázatotmutat a gyökérsüvegben (C).A fekete nyilak a gravitációs vektor irányát jelölik.

Ennek oka az auxin eloszlásának megváltozásában kereshető, mivel ennek a növényi hormonnak a gyökér, illetve szárbeli megoszlása befolyásolja a gravitopikus válaszképességet. Kísérleteinkkel kimutattuk, hogy a crk5-1 mutáns gyökérben nem alakul ki az az aszimmetrikus auxingrádiens, ami gravitropikus inger hatására a normális (vadtípusú) gyökér elfordulását okozza. Vizsgálataink szerint a CRK5 protein kináz in vitro foszforilálja a PIN2 fehérjét. Ez a PIN2 fehérje a gyökér bazipetális auxin körforgásának kulcsfontosságú eleme, és kísérleteinkben kimutattuk, hogy ez az efflux auxintranszporter a vadtípusú PIN2 lokalizációtól eltérően lokalizálódik a crk5-1 mutánsban. A PIN2 fehérje sejten belüli, a plazmamembrán megfelelő (a bőrszövetben csúcsi, a fiatal kortexsejtekben alapi) részén történő elhelyezkedéséhez elengedhetetlen annak megfelelő foszforiláltsági állapota. Ennek hiányában a PIN2 fehérje lokalizációja zavart szenved. Mivel a CRK5 kináz a PIN2 molekula citoplazma felé néző hidrofil burok régióját foszforilálja, a CRK5 proteinkináz inaktiválódása a crk5-1 mutánsban a PIN2 protein nem megfelelő foszforilálódását eredményezi, aminek következtében a PIN2 fehérje normális lokalizációja zavart szenved, következésképpen az auxinkörforgás is sérülést szenved a gyökércsúcsi régióban, ami végső soron a gravitropikus ingerre bekövetkező gyökérelhajlás jelentős késéséhez vezet. Így a crk5-1 mutáns segítségével sikerült a CRK5 proteinkináz egyik, a gyökér gravitropizmus szabályozásában betöltött funkcióját igazolnunk. Kutatásaink további érdekessége, hogy a zöld fluoreszkáló protein riporter fehérjével megjelölt proteinkináz (CRK5-GFP) segítségével újabb fontos infomáció birtokába jutottunk a kináz esetleges további funkcióját illetően. A CRK5-GFPproteinkináz a gyökérsüveg sejtjeiben kifelé néző, laterális lokalizációt mutat (1C. ábra). Ehhez hasonló, sejten belüli lokalizációs mintázatot Arabidospsisban a bórtranszporter fehérje (BOR4) esetében írtak le ez idáig (Miwa et al. 2007, Takanoa et al. 2010). Ez a kapocsszerű, kifelé néző mintázat arra utal, hogy a CRK5 proteinkináz a gyökér mikroelem- és vízfelvétel szabályozásában is részt vehet. E felvételi folyamatok részletes tanulmányozása jövőbeni céljaink között szerepel.

Image Text

A szakértők előrejelzései szerint a globális klímaváltozás következményeként a növények terméshozama Európa tekintélyes részén szignifikánsan (akár az eddigi 20 %-ára) fog csökkenni. Jelenleg a legkritikusabb környezeti faktorok közé a szárazság, a hőség, az extrém hideg és a talaj sótartalmának megnövekedése, az elszikesedés tartozik. A növények stressztűrésének, alkalmazkodási képességének megnövelése ezért kulcsfontosságú tényező a túlélés és adaptáció során. Így kutatásaink további célja, hogy a CRK5 proteinkinázt megvizsgáljuk és jellemezzük más abiotikus, pl. az ozmotikus és oxidatív stresszválaszok szempontjából is. Kísérleteink során kimutattuk, hogy a CRK5 proteinkináz egyik mutáns allélja hosszabb gyökeret fejleszt magas sókoncentráció jelenlétében, mint a vadtípusú allél (Rigo et al. 2010). Ez azt jelenti, hogy a CRK5 proteinkináz valószínűleg szerepet játszik az ozmotikus stressztolerancia kialakításában is. Azt is kiderítettük, hogy a CRK5 kinázt nem tartalmazó mutáns növények gyökerében megváltozott a nitrogén-monoxid (NO) szintje, ami arra utal, hogy e kináznak szerepe lehet az oxidatív stresszválasz kialakításában is. A NO egy multifunkcionális szignálmolekula, amely sokrétű szabályozó szerepet játszik a növények fejlődési folyamataiban (Kolbert et al. 2010, Fernandez-Marcos et al. 2011, Lehotai et al. 2012, Freschi 2013). A CRK5 proteinkináz transzgénikus úton létrehozott funkcióvesztéses mutánsának eddigi tanulmányozása kiderítette, hogy ez a szerin-treonin típusú kináz az abiotikus – gravitropikus, ozmotikus és oxidatív – stresszválasz szabályozásában is jelentős szerepet játszhat.

Jövőbeni terveink között szerepel, hogy megvizsgáljuk az Arabidopsis gyökerek CRK5 proteinkináz által szabályozott mikroelem,- és vízfelvétellel kapcsolatos kapacitását, illetve megvizsgáljuk a CRK5 proteinkináz NO jelátvitelben játszott szerepét, különös tekintettel a poláris auxintranszportban döntő szerepet játszó PIN2 efflux hordozó fehérjére, amely meghatározza az Arabidopsis gyökerek gravitropikus irányultságát. Továbbá szeretnénk részletesen tanulmányozni a CRK kinázcsalád többi tagjának is az abiotikus stresszválasz során betöltött lehetséges szerepét. Így pontosabb képet kaphatunk arról, hogy a jelenleg nagyrészt ismeretlen funkciójú CRK proteinkinázcsalád milyen szerepet játszik az abiotikus stresszválasz szabályozásában. Ezzel értékes információkat nyerhetünk arról, hogy egy adott fehérjecsalád - jelen esetben a CRK proteikináz-család - segítségével hogyan képesek a növények szembeszállni és alkalmazkodni az állandóan változó, manapság egyre gyakrabban extremitásokat mutató környezeti hatásokkal, változásokkal szemben.

Image Text


Irodalomjegyzék:

Fernández-Marcos, M., Sanza, L., Lewis, D.R., Muday, G.K., Lorenzo, O (2011) Nitric oxide causes root apical meristem defects and growth inhibition while reducing PIN-FORMED 1 (PIN1)-dependent acropetal auxin transport.PNAS, 108: 18506–18511.

Freschi, L. (2013) Nitric oxide and phytohormone interactions: current status and perspectives. Front. Plant Science, 4:398 doi:10.3389/fpls.2013.00398

Kolbert, Z., Ortega, L., Erdei, L. (2010) Involvement of nitrate reductase (NR) in osmotic stress-induced NO generation of Arabidopsis thaliana L. roots. J. Plant Physiol., 167: 77–80.

Lehotai, N., Kolbert, Z., Peto, A., Feigl, G., Ordog, A., Kumar.,D., Tari, I., Erdei, L. (2012) Selenite-induced hormonal and signalling mechanisms during root growth of Arabidopsis thaliana L. J. Exp. Bot., 63(15): 5677 5687.

Miwa, K., Takano, J., Omori, H., Seki, M., Shinozaki, K., and Fujiwara,T. (2007) Plants tolerant of high boron levels. Science, 318: 1417.

Rigo,G.,Ayaydin, F.,Kovács, H., Szabados, L., Cseplo, A. (2011) AtCRK5, a CDPK-related serine/threonine protein kinase may participate in regulation of salt tolerance in Arabidopsis thaliana In: Palocz-Andresen, M., Nemeth, R., Szalay, D. (szerk.) TÁMOPHumboldt Colleg for Environment and Climate Protection, Sopron, Hungary 3rd December 2009 & 1st October 2010. Sopron: University of West Hungary, 2011. pp. 70 74.

Rigo, G., Ayaydin, F., Tietz, O., Zsigmond, L., Kovacs, H., Pay, A., Salchert, K., Darula, Z., Medzihradszky, K.F., Szabados, L., Palme, K., Koncz, Cs., Cseplo, A. (2013) Inactivation of plasma membrane-localized CDPK-RELATED KINASE5 decelerates PIN2 exocytosis and root gravitropic response in Arabidopsis Plant Cell, 25:1592 1608.

Takanoa, J., Tanakab, M., Toyodab, A., Miwab, K., Kasaib, K., Fujib, K., Onouchia, H., Naitoa, S., Fujiwarab, T. (2010) Polar localization and degradation of Arabidopsis boron transporters through distinct trafficking pathways. Proc Natl Acad Sci., 107/16: 5220–5225.

Image Text

A cikk letöltése pdf formátumban.

Du­dits Dénes aka­dé­m­i­kus
A pre­cí­z­i­ós ne­me­sí­t­és mint bi­o­gaz­dál­ko­dá­si in­no­vá­c­ió


Dr. Györ­gyey Já­n­os
Az elő­r­e­lé­p­és le­he­tő­s­é­g­ei a gén­tech­no­ló­g­i­á­r­ól va­ló tár­s­a­dal­mi vi­tá­b­an


Image Text

Legfrissebb
  • Batáta, az anyatermészet génmódosítása

    A há­z­i­a­sí­tott éd­es­bur­go­nya és an­nak kö­z­e­li vad ro­ko­nai kö­z­ött fon­tos kü­l­önb­sé­g­et fe­de­zett fel egy ku­ta­tás. A ba­tá­ta ge­nom­já­b­an ugya­n­is ket­tő, Ag­ro­bak­té­r­i­um ál­tal be­vitt gént ta­lál­tak. Ezek a gé­n­ek pe­dig nem csak je­len van­nak a ge­nom­ban, ha­nem ki is fe­je­ződ­nek, ami ar­ra en­ged kö­v­et­kez­tet­ni, hogy olyan hasz­nos tu­laj­don­ság ki­a­la­kí­t­á­s­á­b­an van sze­re­pük, ami a há­z­i­a­sí­t­ás so­rán sze­lek­ci­ós előnyt je­len­tett a ba­tá­t­á­n­ak.

  • Mérgező élelmiszer a polcokon

    A GM nö­v­é­nyek­kel el­len­tét­ben a nö­v­ény­vé­d­ő­s­z­er­rel szen­nye­zett ter­mé­nyek­ről ke­vés hír szól. Ér­d­e­mes át­bön­g­ész­ni a táb­lá­z­a­tot. Köz­ben fel­me­rül a kér­d­és, hogy vegy­s­zer­men­tes GM nö­v­ény­től vagy a mér­ge­ző re­tek­től kell-e job­ban fél­ni.

  • Mit mondanak azok a kutatások, amiket nem a multik pénzelnek?

    Az el­múlt 60 év so­rán 698 ku­ta­tás fog­lal­ko­zott GM-nö­v­é­nyek­kel. A köz­le­mé­nyek több, mint fe­le tel­je­sen füg­g­et­len ku­ta­tók­tól szár­ma­zik, va­gy­is nem "lob­bi­zik" az egyik vagy a má­s­ik ol­dal mel­lett - nem ér­d­e­k­elt a kí­sér­l­e­tek ki­me­ne­te­lé­b­en. Ezek a füg­g­et­len ku­ta­tók pe­dig rend­re biz­ton­sá­g­os­nak ta­lál­ták a gén­tech­no­ló­g­i­á­v­al ne­me­sí­tett nö­v­é­nye­ket.

Korábbi hírleveleink:
Hírlevél feliratkozás

Iratkozzon fel kéthavonta megjelenő hírlevelünkre email címével!

Keresés