Fitohormonlara Giriş.

Transkript

1 Fitohormonlara Giriş

2 Fitohormonlar nedir?...characterized by the property of serving as chemical messengers, by which the activity of certain organs is coordinated with that of others. -Frits Went ve Kenneth Thimann, 1937 Frits Went, Kenneth Thimann, Frits Went image courtesy of Missouri Botanical Garden 2010 Kenneth Thimann photo courtesy of UC Santa Cruz

3 Fitohormonlar Fitohormonlar hücresel aktiviteleri (bölünme, uzama ve farklılaşma) ve pattern oluşumu, cinsiyet belirlenmesi, organogenez, abiyotik ve biyotik stres gibi süreçleri kontrol eder. Notholaena standleyi 2008 Carl Rothfels

4 Fitohormonlar eskiler ve yeniler Oksin Sitokinin Giberellin Absisik asit Etilen Brassinosteroid Salisilik Asit Strigolakton Jasmonik Asit

5 Fitohormonlar bitki yaşam döngüsünün her evresini düzenler Meyve olgunlaşması Çimlenme Embriyogenez Tohumun uykuda kalması Büyüme ve dallanma Döllenme ve meyve oluşumu Çiçek gelişimi

6 Çoğu hormon, bitki yaşam döngüsündeki çoğu evreyi etkiler Her hormon, görevlerinden bir tanesi kapsamında incelenecektir. Bunlar sadece örneklerdir, çoğu hormon çoğu işlemi bir şekilde etkiler.

7 Ana başlıklar Hormonlar nasıl çalışır Vejetatif gelişimin hormonal kontrolü Oksin Sitokinin Strigolaktonlar Giberellinler Brassinosteroidler Üremenin hormonal kontrolü Etilen Absisik asit Strese hormonal yanıt Salisilik asit Jasmonik asit Hormonal etkilerin düzenlenmesi

8 Hormonlar: Sentez, taşınma, algılanma, sinyal ve cevap Downstream etki Aktif hormon üretimi Taşınma H Downstream etki Reseptöre bağlanma Sinyal iletimi

9 Sentez Sentez Bağlanma H Ayrılma H Aktif hormon üretimi Yıkılma Çoğu biyokimyasal yol, aktif hormon birikimi ile ilgilidir. Bu yollar sıkı olarak düzenlenir. Bağlanma, hormunu geçici bir süre inert halde tutup, kataboluk bozulmaya ya da jasmonik asitteki gibi aktif hormon üretilmesine aracı olabilir.

10 Taşınma ve algılanma Aktif hormon üretimi Hormonlar, hücresel membranlar arasından ksilem / floem ile veya düzenlenmiş taşıma proteinleri ile geçebilir. Reseptöre bağlanma Taşınma H Geçtiğimiz birkaç yılda hormon reseptörlerinin tanımlanması için araştırmalar yapılmıştır. Bu reseptörler, membrana tutunmuş, sitoplazmik veya nüklear olarak lokalize olabilir.

11 Sinyal iletimi Hormon sinyalleri, çeşitli şekilde düzenlenen downstream faktörler ile iletilir. İki genel yöntem; tersinir protein fosforilasyonu ve hedeflenmiş proteolizdir. Protein fosforilasyonu Protein defosforilasyonu P Proteoliz Sinyal iletimi

12 Cevap Downstream etkiler Downstream etkiler genellikle gen transkripsiyonundaki değişimleri (anlatımın başlaması veya baskılanması) kapsar. İyon kanalı aktivasyonu gibi diğer etkiler transkripsiyonel değişim olmadan da meydana gelebilir. Transkripsiyon Downstream etkiler Genomik olmayan etkiler (örn. İyon kanalı regülasyonu)

13 Hormonlar: Sentez, taşınma, algılanma, sinyal ve cevap Bağlanma H Ayrılma H Downstream etkiler Sentez Aktif hormon üretimi Yıkılma Taşınma Protein fosforilasyonu Transkripsiyon Reseptöre bağlanma H Protein defosforilasyonu Proteoliz Sinyal iletimi P Downstream etkiler Genomik olmayan etkiler (örn. İyon kanalı regülasyonu)

14 Proteoliz, oksin, GA ve JA gibi fitohormonların sinyal yollarında iş görür Hormonlar (kırmızı) reseptörlere (yeşil) bağlanır ve transkripsiyonel düzenleyiciyi (mavi) aktive etmek için proteolitik bozunmayı (turuncu, kesikli çizgili) başlatır. Oksin Giberellin Jasmonik Asit Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: NATURE Wolters, H., and Jürgens, G. (2009). Survival of the flexible: Hormonal growth control and adaptation in plant development. Nat. Rev. Genet. 10: Copyright 2009.

15 Proteolitik hedefler ubikitine kovalent olarak bağlanır Hedef Ubikitin Ubiquitin 76 aa lik küçük bir proteindir. Proteolitik kesim için proteinleri hedef alır. Ubiquitin by Rogerdodd

16 Ubikitin ligaz kompleksleri, hedef proteinlere ubikitini bağlar F-box F-box proteini SKP1 Hedef Hedef F-box proteini hedef proteini tanır ve bağlanır. CUL1 F-box F-box proteini SKP1 SCF ubikitin ligaz kompleksi (SKP1, CUL1 ve F-box proteinleri) CUL1 Ubiquitin by Rogerdodd

17 Ubikitinlenmiş hedefler 26S proteazom ile proteolize uğrar Hedef Proteazom hedef proteinleri yıkar ve ubikitini geri kazandırır. 26S proteazom

18 Vejetatif büyümeyi etkileyen hormonlar: uzama, dallanma ve organ oluşumu Çimlenmekte olan bir soya fasülyesinde filiz ve kök uzaması Organogenez Çimlenmekte olan tohum Dallanma ile büyüme Uzama ile büyüme Photo courtesy of Shawn Conley

19 Hormon sentezini veya cevabı engellemek uzamayı durdurur GA Oksin Brassinosteroid Bezelye Arabidopsis Arabidopsis Yabani tip Giberellin biyosentez mutantı Yabani tip Oksin cevabı mutantı Yabani tip Brassinosteroid biyosentez mutantları Lester, D.R., Ross, J.J., Davies, P.J., and Reid, J.B. (1997) Mendel s stem length gene (Le) encodes a gibberellin 3 -hydroxylase. Plant Cell 9: ;Gray WM (2004) Hormonal regulation of plant growth and development. PLoS Biol 2(9): e311; Clouse SD (2002) Brassinosteroids: The Arabidopsis Book. Rockville, MD: American Society of Plant Biologists. doi: /tab.0009

20 Oksin Büyüme Fototropizma ve gravitropizma Dallanma Embriyonik patern oluşumu Kök hücre devamı Organ oluşumunun başlaması indol-3-asetik asit (IAA) en çok bulunan doğal oksin

21 Oksin büyümeyi kontrol eder Charles Darwin fidelerin ışığa yönelmesini inceledi; oksin hareketinin doğrudan etkisi Sinyal alınan bölge Cevap bölgesi Coleoptile drawing from Darwin, C., and Darwin, F. (1881) The power of movement in plants. Available online.

22 Darwin bir sinyalin bitki boyunca hareket edip büyümeyi kontrol ettiği sonucuna vardı We must therefore conclude that when seedlings are freely exposed to a lateral light some influence is transmitted from the upper to the lower part, causing the latter to bend. Coleoptile drawing from Darwin, C., and Darwin, F. (1881) The power of movement in plants. Available online. Photograph of Darin statue by Patche99z

23 Farklı hücre büyümesi oksin hareketinin bir sonucudur Hücre boyu Oksin birikimi büyüme ve eğilmeyi uyarır. Oksin konsantrasyonu Esmon, C.A. et al. (2006) A gradient of auxin and auxin-dependent transcription precedes tropic growth responses. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103: Friml, J., et al. (2002) Lateral relocation of auxin efflux regulator PIN3 mediates tropism in Arabidopsis. Nature 415:

24 Oksin kısmen kemiozmotik bir mekanizma ile hareket eder IAAH IAAH Sitoplazma ph 7 IAA- Hücre duvarı ph 5.5 IAA- + H+ Oksin sitoplazmada (ph 7) yüklü bir anyondur (IAA-). Daha asidik hücre duvarında (ph 5.5) bir kısmı yüksüz hale geçer (IAAH). Yüksüz form plazma membranından geçerek hücreye girer, burada protonlarını kaybeder ve spesifik taşıyıcı olmadan hücre dışına çıkamaz. IAA- + H+ Redrawn from Robert, H.S., and Friml, J. (2009) Auxin and other signals on the move in plants. Nat. Chem. Biol. 5:

25 Kutupsal oksin taşınımı IAAH Sitoplazma ph 7 IAA- Hücre duvarı ph 5.5 IAA- + H+ Hücre dışına oksin taşınımı, oksin hareketinin yönünü denetleyen 3 transport proteini ailesi tarafından kontrol edilir. Taşıyıcıların asimetrik dağılımı, oksinin kutupsal olarak taşınımını sağlar. IAAH IAA- + H+ Oksin akışı ABCB Redrawn from Robert, H.S., and Friml, J. (2009) Auxin and other signals on the move in plants. Nat. Chem. Biol. 5:

26 Oksin biyosentezi IAA, triptofandan (Trp) çeşitli yarı bağımsız yollar ve bir Trpbağımsız yolla üretilir. Oksin biyosentezini, bağlanmayı ve yıkımını düzenleyen genlerin çevresel ve gelişimsel kontrolü, oksin dengesini sağlar. v Mano, Y. et al (2010) The AMI1 gene family: indole-3-acetamide hydrolase functions in auxin biosynthesis in plants J Exp Bot 61: 25-32, by permission of Oxford University Press.

27 Oksin bitki gelişimini kontrol eder Sürgün apikal meristeminde lateral organ oluşumunun başlatılması Sürgünde dallanmanın durdurulması Patern oluşumu ve vasküler gelişimin kontrolü Kök apikal meristeminde kök hücre farklılaşmasının belirlenip korunması Kökte dallanmanın başlatılması Wolters, H., and Jürgens, G. (2009). Survival of the flexible: Hormonal growth control and adaptation in plant development. Nat. Rev. Genet. 10:

28 Oksin etkilerinin çoğu gen anlatımındaki değişimlerle ilgilidir Hücre büyümesini kontrol eden genler Sinyalle ilgili genler Diğer hormon cevap yollarını düzenleyen genler Wolters, H., and Jürgens, G. (2009). Survival of the flexible: Hormonal growth control and adaptation in plant development. Nat. Rev. Genet. 10:

29 Oksin tarafından gen anlatımında Düşük oksin meydana gelen değişiklikler ARF Aux/IAA Düşük oksin koşullarında, oksin cevabı transkripsiyon faktörleri (ARFs) Aux/IAA proteinleri ile kompleks oluşturur ve işlevlerini baskılar. ARFs - Auxin responsive transcription factors

30 Yüksek oksin düzeyinde TIR1 oksin reseptörü Aux/IAA proteinlerine bağlanır Düşük oksin Yüksek oksin Aux/IAA TIR1 TIR1 Oksin TIR1 Oksin ARF Aux/IAA ARF

31 TIR1, bir F-box proteini olup, SCF ubikitin ligaz kompleksinin parçasıdır Aux/IAA TIR1 TIR1 Oksin TIR1 Oksin F-box/ TIR1 F-box/ TIR1 SCF kompleksi

32 Oksinin TIR1 e bağlanması Aux/IAA proteinlerinin proteolizini başlatır Ub F-box/ TIR1 ARF Aux/IAA Büyümenin artması + Oksin Baskılayıcıların uzaklaştırılması ARF lerin transkripsiyonu düzenlemesine olanak sağlar.

33 Sitokininler Hücre bölünmesi Yaprak senesensinin kontrolü Besin dağılımının kontrolü Kök nodül gelişimi Kök hücre devamı Oksin hareketinin düzenlenmesi Bir sitokinin olan trans-zeatin

34 Sitokininler adenin benzeri bileşenlerle ilgili bir ailedir izopentenil adenin trans-zeatin dihidrozeatin cis-zeatin Hirose, N., Takei, K., Kuroha, T., Kamada-Nobusada, T., Hayashi, H., and Sakakibara, H. (2008). Regulation of cytokinin biosynthesis, compartmentalization and translocation. J. Exp. Bot. 59:

35 CK ve azot ile düzenlenme Sitokinin (CK) biyosentezi Dokuya özgü; oksin, CK ve ABA ya duyarlı Meristeme özgü CK biyosentezi ve inaktivasyonu CK, diğer hormonlar ve dışardan bazı faktörler tarafından düzenlenir. Inactive form CKX CK ve ABA ile düzenlenir Hirose, N., Takei, K., Kuroha, T., Kamada-Nobusada, T., Hayashi, H., and Sakakibara, H. (2008). Regulation of cytokinin biosynthesis, compartmentalization and translocation. J. Exp. Bot. 59:

36 Sitokininler oksin antagonistleri gibi CK Sürgün apikal meristeminde kök hücre farklılaşmasının başlatılması Oksin Sürgün apikal meristeminde lateral organ oluşumunun başlatılması hareket eder Sürgünde dallanmanın başlatılması Sürgünde dallanmanın durdurulması Kök apikal meristeminde farklılaşmanın başlatılması Kök apikal meristeminde kök hücre farklılaşmasının belirlenip korunması Kökte Kökte dallanmanın dallanmanın durdurulması başlatılması Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: NATURE Wolters, H., and Jürgens, G. (2009). Survival of the flexible: Hormonal growth control and adaptation in plant development. Nat. Rev. Genet. 10: Copyright 2009.

37 Oksin ve sitokinin kök uçlarında birbirlerinin işlevlerini düzenler Hücre farklılaşması Hücre bölünmesi Oksin taşınması Oksin ve sitokinin, kök ucundaki hücresel aktiviteleri düzenleyen iki domene sahiptir. Birbirlerinin sentezi, taşınması ve cevabını etkilerler. Sitokinin Oksin taşınması ve cevabı Sitokinin biyosentezi Oksin

38 Oksin, sitokinin ve striglolaktonlar dallanmayı kontrol eder Kök dalları (lateral kökler) oksin tarafından oluşturulur ve CK ile inhibe edilir. Sürgünde dallanma, CK ve strigolaktonlarla başlatılırken oksin tarafından inhibe edilir Dallanma, besin alımından ürün verimine bitkinin üretkenliğini kontrol eder. Coleus shoot image by Judy Jernstedt, BSA ; lateral root image from Casimiro, I., et al. (2001) Auxin transport promotes Arabidopsis lateral root initiation. Plant Cell 13:

39 Sitokinin sinyali iki bileşenli sistem tarafından yönlendirilir Giriş domeni Aracı domen Alıcı domen Çıkış domeni H D Histidin kinaz Cevap düzenleyici İki bileşenli sistem, bilgiyi girişten çıkışa taşıyan kısa bir sinyal yoludur. Bakterilerde genellikle iki proteinden oluşur: korunmuş bir histidin (H) bakiyesine sahip bir histidin kinaz (HK) ve korunmuş bir aspartat (D) bakiyesine sahip bir cevap düzenleyici (RR).

40 Bileşenler arasında bilgi ve fosforil grupları yer değiştirir ATP ADP Histidin kinaz P H P D Cevap düzenleyici Giriş domeninin uyarılması, aracı domenin fosforillenmesini sağlayarak kinaz aktivitesini arttırır. Sonrasında fosforil grubu cevap düzenleyiciye transfer edilir.

41 Bitkilerde iki bileşenli sinyal iletimi H D H Hibrid histidin kinaz Histidin fosfotransferaz (HPt) D Cevap düzenleyici Çoğu bitkideki HK lar hibrid haldedir, bunlar fosforil grubu histidin fosfotransferaza transfer eder. HPt de bunu cevap düzenleyiciye aktarır.

42 Arabidopsis te gen anlatımının sitokin ile kontrolü Reseptör H D H D HPt H Tip B Arabidopsis cevap düzenleyicileri (ARR ler) transkripsiyon faktörleridir. Tip A veya C ARR ler CK sinyaline henüz bilinmeyen bir şekilde müdahale eder. A-ARR ya da C-ARR D D B-ARR Transkripsiyon

43 Sitokininler tahılda tane üretimi ve kuraklık toleransını etkiler Daha çok CK biriktiren pirinç bitkileri daha çok tane üretir. Daha çok CK üreten tütün bitkileri kuraklığa daha toleranslıdır; çünkü yaprak senesensi CK tarafından geciktirilir. Yabani tip Arttırılmış CK Ashikari, M. et al. (2005) Cytokinin oxidase regulates rice grain production. Science 309: , with permission from AAAS; Rivero, R. M. et al. (2007) PNAS 104:

44 Strigolaktonlar Karotenoidlerden sentez edilen strigolaktonlar, bitki köklerinde üretilir. Mikorrhizial fungi yi çekerler ve parazitik bir bitki türü olan Striga nın çimlenmesini başlatırlar. Reprinted from Tsuchiya, Y., and McCourt, P. (2009). Strigolactones: A new hormone with a past. Curr. Opin. Plant Biol. 12: with permission from Elsevier.

45 Strigolaktonlar dal çıkmasını inhibe Apex Bud eder Sürgünden köke taşınan oksin, strigolakton sentezini indüklerken tomurcuk oluşumunu inhibe eder. WT Mutant Oksin Strigolakton Strigolakton üretmeyen bir pirinç mutantında lateral dallar şekildeki gibi büyümüştür. Lin, H., et al. (2009) DWARF27, an iron-containing protein required for the biosynthesis of strigolactones, regulates rice tiller bud outgrowth. Plant Cell 21:

46 Giberellinler Büyüme Tohum çimlenmesi Çiçeklenme Bazı türlerde cinsiyet oluşumu Meyve büyümesi Bir Giberellin (GA 4 )

47 Giberellinler bir ailedir GA 4, Arabidopsis teki en aktif GA dır Sadece bazı GA lar biyolojik olarak aktiftir. Çoğu biyoaktif giberellinler burada gösterilmiştir. Sun T (2008) Gibberellin metabolism, perception and signaling pathways in Arabidopsis: September 24, The Arabidopsis Book. Rockville, MD: American Society of Plant Biologists. doi: /tab.0103

48 Gelişmiş bitkilerde genel GA biyosentez ve katabolizması yolları Aktif İnaktivasyon Olszewski, N., Sun, T.p., and Gubler, F. (2002) Gibberellin Signaling: Biosynthesis, Catabolism, and Response Pathways Plant Cell 14: S61-S80

49 Giberellinler büyümeyi düzenler Mendel tarafından çalışılan bezelye mutantı le, aktif GA üreten GA 3 oksidazı kodlar. le işlev kaybı aktif GA düzeyini düşürür ve bitkiler bodur kalır. Aktif İnaktivasyon Yabani tip Giberellin biyosentez mutantı le Lester, D.R., Ross, J.J., Davies, P.J., and Reid, J.B. (1997) Mendel s stem length gene (Le) encodes a gibberellin 3 -hydroxylase. Plant Cell 9:

50 GA sentezini kontrol eden genler, önemli yeşil devrim genleridir 20. yy da gübre kullanımının artması ve yarı bodur varyetelerin geliştirilmesi sonucu ürün eldesinde artış olmuştur (Yeşil Devrim). Yarı bodur varyeteler, tohum üretimine gövde uzamasından daha fazla enerji harcar; daha güçlü ve dayanıklıdır. Nobel Ödüllü tanınmış bitki ıslahçısı Norman Borlaug Photos courtesy of S. Harrison, LSU Ag center and The World Food Prize.

51 Yeşil devrim genlerinin bazıları GA biyosentezini etkiler Yabani tip Yarı bodur Aktif Yarı bodur pirinç varyeteleri GA20 oksidaz biyosentetik genindeki mutasyon sonucu daha az GA üretir. Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd. (Nature) Sasaki, A., et al. (2002) Green revolution: A mutant gibberellin-synthesis gene in rice Nature 416: , copyright 2002.; Olszewski, N., Sun, T.p., and Gubler, F. (2002) Gibberellin sgnaling: Biosynthesis, catabolism, and response pathways Plant Cell 14: S61-S80.

52 GA sinyal yolu Düşük GA GA-cevaplı transkripsiyon faktörü DELLA proteini Yüksek GA GA Büyümenin artması GA reseptörü Transkripsiyon yok DELLA Transkripsiyon DELLA proteini kısmen transkripsiyonu bloke ederek büyümeyi engeller. GA, DELLA proteininin proteolizini tetikler. Proteoliz Reprinted from Davière, J.-M., de Lucas, M., and Prat, S. (2008) Transcription factor interaction: a central step in DELLA function. Curr. Opin. Genet. Devel. 18: with permission from Elsevier

53 DELLA protein stabilitesini etkileyen gen bir yeşil devrim genidir Yabani tip GA Buğdayda Rht1 lokusu bir DELLA proteini kodlar. Bodur allel DELLA domenini içermez ve böylece proteolize dirençlidir. Bodur rht1 DELLA Rht1 Transkripsiyon GA rht1 rht1 Reprinted by permission of Macmillan Publishers, Ltd. Peng, J., et al. (1999) 'Green revolution' genes encode mutant gibberellin response modulators. Nature 400:

54 Brassinosteroidler Hücre uzaması Polen tüpü büyümesi Tohum çimlenmesi İletim demetlerinin ve kök tüylerinin farklılaşması Stres toleransı En aktif brassinosteroid olan Brassinolid

55 Brassinosteroid (BR) mutantları cücedir Arabidopsis BR ler hücre duvarlarını gevşeterek hücre uzamasını sağlar Domates Bezelye Hücre duvarı gevşemesi Turgor basıncına azaltılmış direnç; hücre genişlemesi Bishop, G. J., and Koncz, C. Brassinosteroids and plant steroid hormone signaling. (2002) Plant Cell14: S97-S110.

56 BR sinyallerinin azaltılması bodur arpa oluşmasına neden olur H H Yabani tip uzu uzu bitkileri BR reseptörlerinde missense mutasyona sahiptir, böylece BR ye daha az duyarlı olur. Hücre uzaması Daha az hücre uzaması Bu, BR sinyalinin modifikasyonu ile elde edilen ilk bodur ekindir. Chono, M., et al., (2003) A semidwarf phenotype of barley uzu results from a nucleotide substitution in the gene encoding a putative brassinosteroid receptor Plant Physiology 133:

57 BR sinyali Düşük BR Reseptör (BRI1) İnhibitör (BKI1) BR olmadan, reseptörü (BRI1) bir inhibitöre bağlıdır (BKI1). Aktif BIN2 kinaz, transkripsiyon faktörlerini fosforiller ve inaktive eder. BIN2 P P P

58 BR sinyali Düşük BR Reseptör (BRI1) BIN2 P P P İnhibitör (BKI1) Yüksek BR BAK1 P BSU1 P BIN2 P BSKs P BR bağlanması BAK1 ve BRI1 reseptörlerinin birbirini ve BSK leri fosforillemesini sağlar. BSK ler BSU1 i fosforiller ve aktive eder, bu da BIN2 yi inaktive eder. BIN2 inaktif olduğu zaman, hedef transkripsiyon faktörleri defosforile ve aktif haldedir. Transkripsiyon

59 Hormonal kontrol ve vejetatif büyüme Bitki hormonlarının bitki büyümesi üzerine çeşitli etkileri vardır. Oksin, giberellik asit ve brassinosteroidler uzamayı sağlar. Oksin, sitokinin ve strigolaktonlar dallanma patternlerini kontrol eder. Büyüme ve dallanma, ürün eldesini yüksek düzeyde etkiler.

60 Üreme gelişiminin hormonal kontrolü Angiospermlerde üreme, vejetatif formdan üreme fazına geçişi, meyve gelişimi ile olgunlaşması ve tohum gelişimi, olgunlaşması ile çimlenmesini içerir. Bütün bu olaylar hormonal sinyaller tarafından belli bir düzeyde etkilenir. Photo courtesy of Tom Donald

61 Çiçeklenmeye geçiş Üreme kararı çevresel ve hormonel faktörlerce sıkı olarak kontrol edilir. Çoğu bitki için gün uzunluğu bu geçişte önemlidir. Benzer olarak, bazı bitkiler spesifik hormon sinyallerine gerek duyarken diğer bitkilerde bunun hiç etkisi olmaz. Lithops flowering

62 GA nın çiçeklenmenin başlamasındaki rolü, türe ve büyüme alışkanlıklarına göre çeşitlilik gösterir Lolium temulentum Tek yıllık ot Evet Beta vulgaris İki yıllık Evet Malus domestica Çok yıllık Hayır Arabidopsis thaliana Tek yıllık Kısa günler Uzun günler Evet Hayır Photos courtesy of Plate 271 from Anne Pratt's Flowering Plants, Grasses, Sedges and Ferns of Great Britain c.1878, by permission of Shrewsbury Museums Service; David Kuykendall ARS; Vincent Martinez; Takato Imaizumi.

63 Etilen, ananas ve diğer bromeliadlarda çiçeklenmeyi başlatır Ananas, ananas çiçeklerinden elde edilen bir meyvedir. Ticari yetiştiriciler, çiçeklenmeyi senkronize etmek için etilen kullanmaktadır. Images couresy of Dave McShaffrey, Marietta College, 2009, used by permission.

64 Meyve gelişimi ve olgunlaşması hormonal kontrol altındadır Tozlaşma; petal senesens, hücre bölünmesi ve meyve oluşumu için yumurtalıkta genişlemeyi başlatır.

65 Oksin ve GA, hücre bölünmesi ile meyve büyümesini başlatır Çekirdeksiz üzüm ve diğer çekirdeksiz meyveler, meyve gelişimi için dışardan GA uygulamasına ihtiyaç duyar. Çilek oksine cevap verir. Oksin + GA GA Oksin Photo credits: Grape flowers by Bruce Reisch; Strawberry flower by Shizhao

66 Meyve olgunlaşması etilen tarafından indüklenir Oksin GA Etilen Etilen gaz halde bulunan bir hormondur, meyve yumuşaması ile tat ve renk gelişiminde önemlidir.

67 Etilen Meyve olgunlaşmasının kontrolü Yaprak ve petal senesensinin kontrolü Hücre bölünmesi ve hücre uzamasının kontrolü Bazı bitkilerde cinsiyet belirlenmesi Kök büyümesinin kontrolu Stres yanıtları H H C C H H

68 Etilen, yaprak ve petal senesensini başlatır Hava (kontrol) 7 gün etilen Pamuk bitkisi Etilen, yaprak ve petal yaşlanmasını (senesens) başlatır Gaz lambaları kullanılan evlerde, bitkiler yanan gazdan çıkan etilenden zarar görürdü. Aspidistra etilene dayanıklı olduğu için popüler bir ev bitkisi oldu. Beyer, Jr., E.M. (1976) A potent inhibitor of ethylene action in plants. Plant Physiol. 58:

69 Etilen, kesilmiş çiçek ve meyvelerin dayanma sürelerini azaltır Meyvenin tazeliğini korumak için evde ve/veya ticari olarak etilen seviyeleri ayarlanabilir. Etilen etkisini sınırlandırmak için stratejiler: Üretimi sınırlamak - yüksek CO 2 veya düşük O 2 Havadan uzaklaştırmak -KMnO 4 reaksiyonu, zeolit emilimi Etilenin reseptöre bağlanmasını engellemek - sodyum thiosülfat (STS), diazosiklopentadien (DACP), diğerleri Reprinted from Serek, M., Woltering, E.J., Sisler, E.C., Frello, S., and Sriskandarajah, S. (2006) Controlling ethylene responses in flowers at the receptor level. Biotech. Adv. 24: with permission from Elsevier.

70 Moleküler genetik yöntemlerle etilen sentezi sınırlandırılabilir S-adenozil metiyonin ACC sentaz ACC (1-aminosiklopropan-1- karboksilik asit) ACC oksidaz H H C Etilen C H H Antisense ACC sentaz Kontrol Antisense moleküllerin verilmesi ile enzim biyosentezine müdahale edilir ve etilen üretimi kontrol edilir. Theologis, A., Zarembinski, T.I., Oeller, P.W., Liang, X., and Abel, S. (1992) Modification of fruit ripening by suppressing gene expression. Plant Phys. 100:

71 Etilen tarafından düzenlenen gen anlatımı negatif olarak regüle edilir Hava Hava Etilen Reseptör CTR Etilen yokluğunda CTR reseptöre bağlanır ve transkripsiyonu önler. Reseptöre etilenin bağlanması ile CTR serbest kalır ve transkripsiyona izin verilir. Benavente, L.M., and Alonso, J.M. (2006) Molecular mechanisms of ethylene signaling in Arabidopsis. Mol. BioSyst. 2: Reproduced by permission of The Royal Society of Chemistry (RSC) for the European Society for Photobiology, the European Photochemistry Association, and the RSC. Diagram adapted from Cuo, H., and Ecker, J.R. (2004) The ethylene signaling pathway: new insights. Curr. Opin. Plant Biol. 7:

72 Hava veya etilen Etilen algılanmasında mutasyona sahip bitkilerde olgunlaşma gecikir Yabani tip Reseptör CTR Etilen algılanmasını ve sinyalini etkileyen çeşitli mutasyonlar, meyve olgunlaşmasına müdahale eder. Green-ripe Never-ripe2 Never-ripe Barry, C. S., et al. (2005) Ethylene insensitivity conferred by the Green-ripe and Never-ripe 2 ripening mutants of tomato. Plant Physiol. 138:

73 Tohum olgunlaşması ve uyku hali Kuruma toleransı Stres cevabı Stomatal açıklığın kontrolü Absisik asit

74 ABA olgunlaşmakta olan tohumlarda birikir Embriyonik pattern Rezerv birikimi Tohum olgunlaşması için ABA sentezine ve kuruma toleransının sağlanması için spesifik proteinlerin toplanmasına ihtiyaç vardır. Kuruma toleransı

75 ABA sentezi ve sinyali tohumun uyku hali için gereklidir ABA Protein Kinaz Transkripsiyon Faktörü ABA sinyali işlev kaybı (protein kinaz veya transkripsiyon faktörü işlevi) ABA ile indüklenmiş uyku halini etkiler ve zamanından önce çimlenmeye neden olur. Transkripsiyon Nakashima, K., et al. (2009) Three Arabidopsis SnRK2 protein kinases, SRK2D/SnRK2.2, SRK2E/SnRK2.6/OST1 and SRK2I/SnRK2.3, involved in ABA signaling are essential for the control of seed development and Dormancy. Plant Cell Physiol. 50: Copyright (c) 2009 by the the Japanese Society of Plant Physiologists with permission from Oxford University Press. McCarty, D.R., Carson, C.B., Stinard, P.S., and Robertson, D.S. (1989) Molecular analysis of viviparous-1: An abscisic acid-insensitive mutant of maize. Plant Cell 1:

76 Uyku halinde ve kuru oldukları sürece tohumlar çok uzun yıllar canlılıklarını koruyabilir Bu hurma tohumları yaklaşık olarak 2000 yıllıktır; ancak hala canlı ve çimlenme yetisine sahiptir. 500 yıllık lotus tohumları da başarıyla çimlendirilmiştir. 200 yıllık tohumdan yetiştirilen hurma ağacı. From Sallon, S., et al. (2008). Germination, genetics, and growth of an ancient date seed. Science 320: 1464, with permission from AAAS Lotus picture by Peripitus

77 GA tohum çimlenmesi için gereklidir Tohum çimlenmesi için ABA nın uzaklaştırılması ve GA üretimi gereklidir. Böylece büyüme ve tohumdaki depo ürünlerin parçalanması gerçekleştirilir. Rezerv hareketliliği Hücre uzaması ABA GA

78 Bira yapıcıları GA yı arpa çimlenmesini başlatmak için kullanır Endospermdeki nişastanın parçalanması, endosperm tarafından üretilen veya işlem sırasında eklenen GA tarafından başlatılır. GA GA amilaz şekerler nişasta Embriyo Endosperm Aleuron Images by Prof. Dr. Otto Wilhelm Thomé Flora von Deutschland, Österreich und der Schweiz 1885 and Chrisdesign.

79 Üreme gelişiminin hormonal düzenlenmesi GA ve etilen bazı bitkilerde çiçeklenmeyi başlatır. Meyve büyümesi ve olgunlaşması; oksin, GA ve etilen tarafından kontrol edilir. Tohum olgunlaşması ve çimlenmesi ABA ve GA tarafından kontrol edilir. Bitki üremesinde hormonların rolünün anlaşılması besin üretimi için önemlidir; çünkü kalori alımının çoğu tohumlardan gelmektedir.

80 Abiyotik strese hormonal cevap Fotooksidatif stres Yüksek sıcaklık stresi Su azlığı, kuraklık Toprak tuzluluğu Hava kirliliği Yaralanma ve mekanik hasar Soğuk ve don stresi Bitkilerin hayatları çok streslidir. ABA ve etilen, stres yanıtı oluşmasına yardım eder. Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd. Nature Chemical Biology. Vickers, C.E., Gershenzon, J., Lerdau, M.T., and Loreto, F. (2009) A unified mechanism of action for volatile isoprenoids in plant abiotic stress Nature Chemical Biology 5: Copyright 2009.

81 ABA biyosentezi sıkı olarak düzenlenir ABA seviyeleri sıkı olarak kontrol edilir. ABA biyosentezindeki kritik aşamalar (kırmızı) hızlı ve tam bir kontrol için çok sıkı düzenlenen birden fazla gen tarafından kodlanır. Reprinted from Nambara, E., and Marion-Pol, A. (2003) ABA action and interactions in seeds. Trends Plant Sci. 8: with permission from Elsevier.

82 Stres yanıtında ABA sentezi indüklenir Yaprak su potansiyeli (atm) [ABA] µg/g kuru ağırlık Kuraklık stresi saatleri Kuraklık stresi sırasında ABA biyosentezinin artmasına bağlı olarak ABA düzeyi artar. R.L. Croissant,, Bugwood.org Zabadel, T. J. (1974) A water potential threshold for the increase of abscisic acid in leaves. Plant Physiol. (1974) 53:

83 ABA stres yanıtı genlerini indükler Ozmoprotektanlar (şekerler, prolin, glisin betain) Membran ve protein stabilizasyonu (HSPs, LEAs) H2O2 Oksidatif stres cevabı peroksidaz, superoksit dismutaz O2 Su ve iyonların hareketleri (aquaporinler, iyon kanalları)

84 ABA nın hücreiçi bir reseptöre bağlanması transkripsiyonel cevabı başlatır PYL1 bir ABA reseptörüdür. ABA ya bağlandığı zaman aynı anda protein fosfataz PP2C ye de bağlanıp işlevini engeller. Reprinted by permission of Macmillan Publishers Ltd. Miyazono, K., et al. (2009) Structural basis of abscisic acid signalling. Nature 462:

85 ABA sinyal iletimi gen anlatımını Düşük ABA PP2C TF PYL1 SnRK etkiler ABA bulunduğu zaman, PP2C fosfataz inaktivasyonu bir protein kinazın (örn. SnRK) fosforillenmesini ve ABA tarafından indüklenen transkripsiyon faktörlerinin aktive olmasını sağlar, böylece ABA tarafından indüklenen genlerin transkripsiyonu başlatılır. Yüksek ABA ABA PYL1 PP2C P P Transkripsiyon

86 ABA, çevresindeki hücrelerin hacmini değiştirerek stomatal açıklığı kontrol eder Bitki açıklıkları olan stomata ları çevreleyen koruyucu hücreler Koruyucu hücreler stomatanın açılıp kapanmasını kontrol ederek gaz değişimini düzenler. Guard cell image John Adds, obtained through the SAPS Plant Science Image Database. Fluorescent image Alex Costa

87 ABA, çevresindeki hücrelerin hacmini değiştirerek stomatal açıklığı kontrol eder Stomata açık olduğu zaman bitkiler terleme ile su kaybeder. Kuraklık ile indüklenmiş ABA, koruyucu hücrelerin kapanmasını sağlar ve yeniden açılmasını engelleyerek suyu muhafaza eder. Sirichandra, C., Wasilewska, A., Vlad, F., Valon, C., and Leung, J. (2009)The guard cell as a single-cell model towards understanding drought tolerance and abscisic acid action. Journal of Experimental Botany : The Author [2009]. Published by Oxford University Press on behalf of the Society for Experimental Biology.

88 ABA ile indüklenmiş stomatal kapanma çok hızlıdır ve iyon kanalları aktivitelerinde değişimi içerir Cl - A - kanalı ABA sitosolik kalsiyumda (Ca 2+ ) artışı tetikler, bu da anyon kanallarını (A - ) aktive ederek Cl - nin hücre dışına çıkmasına izin verir. ABA, potasyumu (K + out) hücre dışına çıkaran kanalları aktive eder ve potasyumu hücre içine sokan kanalları (K + in) inhibe eder. Net sonuç iyonların hücre dışına hareket etmesidir. H 2 O K + K + in kanalı İyonlar hücre dışına çıktıkça, su da çıkar (ozmoz ile); hücreler hacim kaybeder ve porun üstüne kapanır. Adapted from Kwak JM, Mäser P, Schroeder JI (2008) The clickable guard cell, version II: Interactive model of guard cell signal transduction mechanisms and pathways. The Arabidopsis Book, ASPB. doi: /tab.0114.

89 Biyotik strese hormonal cevap Bakteri, mantar, virüsler Biyotrofik organizmalar Salisilik Asit Jasmonik Asit Herbivorlar böcekler, diğer hayvanlar, fungi Nekrotrofik organizmalar Photo credits: A. Collmer, Cornell University; Salzbrot.

90 Salisilik Asit bitki hormonu ve ağrı kesici Biyotrofik patojenlere cevap İndüklenmiş savunma cevabı Sistemik kazanılmış bağışıklık Salisilik Asit Asetilsalisilik Asit - aspirin Salisik asit adını, analjezik (ağrı kesici) özellikleri kimyasal izole edilmeden önce de bilinen söğüt Salix ten alır. Photo credit: Geaugagrrl

91 SA sentezi SA sentezi için en azından iki yol vardır. Mavi olarak boyanmış yol, patojen enfeksiyonu ile indüklenen izokorizmat sentazı (ICS) içerir. Reprinted from Métraux, J.P. (2002) Recent breakthroughs in the study of salicylic acid biosynthesis. Trends Plant Sci. 7: , with permission from Elsevier.

92 Bitkiler PAMP (patojen-ilişkili moleküler pattern) ları tanır PAMP ile tetiklenmiş bağışıklık SA Flagellin, bitkiler tarafından tanınan korunmuş bir bakteriyal porteindir, patojen ilişkili moleküler pattern ler pathogen-associated molecular pattern (PAMP) olarak da bilinir İmmün cevap PAMP ların bitki tarafından tanınması, salisilik asit aracılı bir seri immün cevabı tetikler. Redrawn from Pieterse, C.M.J, Leon-Reyes, A., Van der Ent, S., and Saskia C M Van Wees, S.C.M. (2009) Nat. Chem. Biol. 5:

93 Flagellin, bitki hücreleri tarafından tanınan bir bakteriyel proteindir Bakteriyel flagella, binlerce flagellin monomerinden meydana gelir. Bitki hücreleri flagellini tanıyan reseptörlere sahiptir. Flagellin monomerleri Reprinted by permission of Macmillan Publishers Ltd. Chevance, F.F.V and Hughes K.T. (2008) Coordinating assembly of a bacterial macromolecular machine. Nat. Rev. Microbiol. 6: Flagellin models courtesy of the University if Illinois.

94 Bazı patojenler daha güçlü bir savunma cevabına neden olur Çoğu bitki bazı spesifik bakteriyel proteinleri (efektör proteinler) tanıyan direnç genlerinin ( resistance - R genleri) anlatımını yapar. Efektör ile tetiklenmiş bağışıklık Bir R proteinin bir efektör protein ile etkileşimi, Hipersensitivite Cevabı nı içeren daha güçlü bir immün yanıtı başlatır ve SA bu sinyalin iletiminde görevlidir. R SA İmmün cevap Redrawn from Pieterse, C.M.J, Leon-Reyes, A., Van der Ent, S., and Saskia C M Van Wees, S.C.M. (2009) Nat. Chem. Biol. 5:

95 Hipersensitive cevabı hücre ölümüne neden olur Efektör ile tetiklenmiş bağışıklık R Patojen Cevabı (PR) genleri Antimikrobiyel bileşenler Bitki hücre duvarlarının güçlendirilmesi Programlanmış hücre ölümü Hipersensitivite cevabı (HR) SA İmmün cevap From Cawly, J., Cole, A.B., Király, L., Qiu, W., and Schoelz, J.E. (2005) The plant gene CCD1 selectively blocks cell death during the hypersensitive response to cauliflower mosaic virus infection. MPMI 18: ; Redrawn from Pieterse, C.M.J, Leon-Reyes, A., Van der Ent, S., and Saskia C M Van Wees, S.C.M. (2009) Nat. Chem. Biol. 5:

96 Hipersensitivite cevabı (HR), patojeni ölü hücrelerle dolu bir alanda hapseder HR HR yok HR, enfekte olmuş hücreleri ve çevredeki hücreleri öldürürerek patojenin yayılmasını engeller. HR olmadan patojen çoğalabilir. Drawing credit Credit: Nicolle Rager Fuller, National Science Foundation; Photo reprinted by permission of Macmillan Publishers Ltd. Pruitt, R.E., Bowman, J.L., and Grossniklaus, U. (2003) Plant genetics: a decade of integration. Nat. Genet. 33:

97 Sistemik kazanılmış bağışıklık (SAR) Enfekte olmuş bölge damarlar aracılığıyla sinyal gönderir: metil salisilik asit (MeSA) ve azelaik asit (AzA), diğer dokular uyarılır ve saldırıya hazırlanır. AzA MeSA SA SAR MeSA Bu etkiler Sistemik Kazanılmış Bağışıklık olarak adlandırılır: Systemic Acquired Resistance (SAR). AzA MeSA SA Drawing based on Vlot, A.C., Klessig, D.F., and Park, S.-W. (2008). Systemic acquired resistance: The elusive signal(s). Curr. Opin. Plant Biol. 11:

98 Jasmonik Asit Nekrotrofik patojenlere cevap Anti herbivor cevapların indüklenmesi Herbivor tarafından indüklenmiş uçucu bileşiklerin üretimi ve diğer organların saldırıya karşı uyarılması, yırtıcı böceklerin ilgisinin çekilmesi

99 JA biyosentezi Cytoplasm JAR1 conjugation JA-ILE İzolösine bağlanmış JA (JA- ILE) aktif bileşendir. From Acosta, I., et al. (2009) tasselseed1 is a lipoxygenase affecting jasmonic acid signaling in sex determination of maize. Science 323: Reprinted with permission from AAAS.

100 Jasmonik Asit sinyali herbivorlara karşı savunmada iş görür WT Mutant (JA yok) Bitkiler aç sinek larvalarına maruz bırakıldığı zaman, JA üretemeyen bitkiler çok az oranda kurtulabilmiştir. McConn, M., et al. (1997) Jasmonate is essential for insect defense in Arabidopsis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94:

101 JA, anti-herbivor kimyasallarının anlatımını arttırır Yara ile indüklenmiş sinyallar Böceğin ağız salgısı Proteaz inhibitörleri R.J. Reynolds Tobacco Company Slide Set and R.J. Reynolds Tobacco Company, Bugworld.org

102 JA, uçucu sinyal bileşiklerinin üretimini uyarır Herbivor tarafından indüklenmiş uçucu bileşenler diğer doku ve bitkileri saldırıya karşı uyarır ve yaprakların yenilmez hale getirilerek saldırıya karşı hazırlanmasını sağlar. Reprinted from Matsui, K. (2006) Green leaf volatiles: hydroperoxide lyase pathway of oxylipin metabolism. Curr. Opin. Plant Biol. 9: , with permission from Elsevier.

103 Herbivorlar ile indüklenmiş uçucular karnivor ve parazit böcekler tarafından da tanınır Tim Haye, Universität Kiel, Germany Bugwood.org; R.J. Reynolds Tobacco Company Slide Set and R.J. Reynolds Tobacco Company, Bugworld.org

104 Gen anlatımında JA tarafından indüklenmiş değişimler Düşük JA-Ile F-box proteini reseptörü (COI1) JAZ proteini JA-cevabı transkripsiyon faktörü Transkripsiyon yok Yüksek JA-Ile JA-Ile Savunma genleri Transkripsiyon Proteoliz

105 Savunma cevabı sinyalini diğer hormonlar da etkiler İmmün cevabın bir aşaması olarak, bitkiler bazı hormonları üretir ve bazı hormonlara da cevap verir. Bazı patojenler büyüme hormonları ve patojen cevabı hormonları arasındaki bağlantıları kendi lehine kullanır; hormon sinyalini etkileyen fitohormonlar üretirler. Reprinted from Robert-Seilaniantz, A., Navarro, L., Bari, R., and Jones, J.D.G. (2007). Pathological hormone imbalances. Curr. Opin. Plant Biol. 10: with permission from Elsevier.

106 Stres cevabı Hormonal sinyal, bitkinin abiyotik ve biyotik strese karşı savunmasında önemlidir. ABA ve etilen strese girmiş bitkilerde üretilir ve savunma mekanizmalarının aktive olmasında önemlidir. JA ve SA, patojenlere karşı lokal ve sistemik savunmada etkilidir. Strese karşı bitkilerin hormonal cevabının anlaşılması, tarımsal verimin arttırılması için gereklidir. Abiyotik ve biyotik stresler ürün kaybının temel nedenidir.

107 Hormon sinyal yolları arasındaki crosstalk H1 H1 H2 H1 H2 Cevap Cevap Crosstalk (ya da cross regülasyon), iki yol bağımsız olmadığı zaman olur. Pozitif, etkiyi arttırıcı, sinerjetik ya da negatif olabilir.

108 Hormon sinyal yolları arasındaki crosstalk H1 H1 H2 H1 H2 H2 H1 H2 Cevap Cevap Cevap Crosstalk (ya da cross regülasyon), iki yol bağımsız olmadığı zaman olur. Pozitif, etkiyi arttırıcı, sinerjetik ya da negatif olabilir. Crosstalk, başka bir hormonun sentez, taşınma veya sinyal yolunu etkileyebilir.

109 Savunma cevabında sinerjik JA ve ET sinyali gereksinimi JA JA cevabı yok ET cevabı yok JA ve ET sinyalleri, savunma genleri anlatımını indükleyen bir transkripsiyon faktörü olan ERF1 in yüksek düzeyde anlatımı için gereklidir. ve ERF1 ERF1 ET Savunma genleri Lorenzo, O., Piqueras, R., Sánchez-Serrano, J.J., and Solano, R. (2003) ETHYLENE RESPONSE FACTOR1 integrates signals from ethylene and jasmonate pathways in plant defense. Plant Cell 15:

110 Savunma cevabında JA ve SA arasındaki negatif etkileşim Savunma sinyalinde JA ve SA yolları lokal olarak antagonistiktir ve ABA, ikisinin de antagonistidir. ABA neden SA ve JA sinyalini azaltmaktadır? Belki de zaten strese girmiş bir bitkinin patojenlere cevabının geçici olarak sınırlandırılması daha uygundur. Reprinted from Spoel, S.H., and Dong, X. (2008) Making sense of hormone crosstalk during plant immune responses. Cell Host Microbe 3: with permission from Elsevier.

111 GA ve DELLA lar diğer sinyal yollarıyla da etkileşime girer Bitki hayatının neredeyse tüm evreleri GA ve diğer hormon sinyal yolları üzerindeki etkileri tarafından kontrol edilir. GA nın DELLA proteinleri üzerindeki etkilerinin çok önemli olduğu bilinmesine rağmen hala bu proteinlerin ne yaptığı anlaşılamamıştır. Weiss, D., and Ori, N. (2007) Mechanisms of cross talk between gibberellin and other hormones. Plant Physiol. 144:

112 GA ve DELLA lar diğer sinyal yollarıyla da etkileşime girer ABA Oksin ET ABA CK Weiss, D., and Ori, N. (2007) Mechanisms of cross talk between gibberellin and other hormones. Plant Physiol. 144:

113 Yürütülen araştırmalar Hormonlar, bitki büyüme ve savunmasını düzenleyen önemli sinyal molekülleridir. Hormon sentezi, homeostazi ve sinyal iletiminin basamakları hala keşfedilmektedir. Bu bilgiler, strese ve patojenlere dayanıklı, daha çok ve daha uzun süre taze besin sağlayabilen bitkilerin geliştirilmesinde kullanılmaktadır.

114 Bitki hormonları araştırmaları hızla artmaktadır