Molekulare Pflanzenwissenschaften Zusammenfassung WS1213 PDF

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GROBE Zusammenfassung vom WS12/13 zur Vorlesung Molekulare Pflanzenwissenschaften....

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Photosynthese Unterschied Pflanzen/ Tiere: Autotrophie/ Heterotrophie Photosynthese (Triosephosphate, diurnal)/ Sessilität (hohe Flexibilität des Metabolismus nötig, Resistenzmetab.)/ Beweglichkeit Plastide/ Zellwand (enthält Cellulose, Hemicellulose & Lignin)/ Endosymbiose Cyanobakterium --> Plastiden α-Proteobakterium --> Mitochrondrium sekundäre & Endosymbiose: Eukaryont "frisst" Eukaryont PhotosyntheseLichtreaktion Chloroplast: äußere Membran innere Membran Stroma Thylakoid Granum (Thyl.-Stapel) Speicher (Stärkekörner), Lichtreaktion (ATP und NADPH) in den Thylakoiden, CO 2Fixierung Dunkelr. im Stroma (Triose: 3 CO2 + 6 H2O + Licht = C3H6O3 + 3 H2O + 3 O2) Pigmente: Chlorophyll: absorbiert in rot und blau Ch. A: Eukaryonten und Cyanobakterien

--> photochem. Reaktion

Ch. B: höhere Pflanzen, Grünalgen, Euglena --> Resonanzübertragung Ch. C: bei einigen Algen Phaeophytine --> in PS II Chlorophylle ohne Mg 2+ Bakterio-/ Chlorobiumchlorophyll: bei photoautotrophen Bakterien (nicht Cyanob.) Vier Wege, damit angeregtes Pigment in Grundzustand zurückkehrt Relaxation (Wärme), Fluoreszenz, Resonanzenergieübertragung, Seite 1 von 14

Zusammenfassung Vorlesungsteil Pflanzenwissenschaften II im WS 2012/13

Elektronenübertragung (Photochemisches Quenching) Carotinoide (Carotine und Xanthophylle) Carotine: Tetraterpene (8 Isopreneinheiten) Xanthophylle: zusätzlich mit Sauerstoffatomen absorbieren bei 400-500 nm, Resonanzenergieübertragung --> Verhindern Bildung von Singulett-Sauerstoff (ros) durch Quenching (ros durch Triplett-Chlorophyll) Z-Schema fernrotes Licht (>680 nm) wird von Photosynthese-Pigmenten absorbiert, aber trägt kaum zur Effizienz bei Überadditiver Effekt bei rotem & fernrotem Licht Photosystem II (P680) --> angeregt durch 680 nm (Photolyse von Wasser, spaltender Komplex an Lumenseite) --> Phaeophytin, Q A, QB --> Cyt b6/f-Komplex --> Plastocyanin --> Photosystem I (P700) --> angeregt durch 700nm --> Ferredoxin laterale Heterogenität --> PS II

in Grana

PS I und ATPase

in Stromathylakoiden

Cyt b6/f

in beiden

PS I hat ~ 250 Pigmente PS II ~360 Pigmente ATP-Synthase: intrinsische Domäne CF0 (in der Membran), extrinsische Domäne CF 1 (in Stroma) CF1 hat 3 katalytische Zentren, 3 Konformationen --> durch Protonenfluss durch CF 0 Änderung der Konformationen Zyklischer Elektronentransport keine NADPH-Produktion, nur ATP-Produktion, keine Wasserspaltung Inhibitoren Seite 2 von 14

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DCMU: bindet Plastochinon-Bindestelle von D1 --> hemmt Transport von PS II zu PS I DBMIB: Plastochinon-Analog Paraquat: ersetzt Ferredoxin Regulation der Lichtreaktion: kurzfristig --> state transitions langfristig --> photosynthetische Akklimation (LTR) –> mehr PS II oder PS I wird produziert --> gleiche Kinase STN7 für beide erforderlich

Photosynthese-Dunkelreaktion Calvin-Zyklus besteht aus 3 Phasen: 1) Carboxylierung RubP + CO2 --> 2 PGS durch Rubisco (40% des löslichen Blattproteins) katalysiert Rubisco langsam & Nebenreaktion mit O 2 (--> Photorespiration von Phosphoglykolat, 3 Kompartimente benötigt, Freisetzung und Re-Fixierung von CO2 und NH3) Nachteile Rubisco: verringerte Lichtnutzungs- (Energie für Photorespiration geht drauf), Stickstoff- (Bildung von so viel Rubisco) und Wasser-Effizienz (größere Spaltöffnung, damit mehr CO2) CO2-Konzentrationsmechanismen: C4-Metabolismus (tropische & subtropische Gräser): PEP + CO2 (0,04%) --> Malat --> C 3 + CO2 (5%) --> Calvin-Zyklus / C3 unter Energieaufwand wieder zu PEP CAM-Metabolismus (Kakteen): PEP + CO2 --> Malat (in Vakuole bis tags gespeichert) --> weiter wie C4 CO2-Pumpen (viele Algen): HCO3 in Zelle --> Carboxysom mit Carbonicanhydrase --> CO2 2) Reduktion aus PGS (3-Phosphoglycerinsäure) wird PGA (3-Phosphoglycerinaldehyd) --> ATP und NADPH werden verbraucht 3) Regeneration 5 Triosephosphate --> 3 RubP Calvin-Zyklus-spezifische

Enzyme:

Rubisco

(Carboxylierung),

Seduheptulose-1,7-

bisphosphatase (SBPase; Regenerierung) & Phosphoribulokinase (PRK; Regenerierung) Seite 3 von 14

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Regulation des Calvin-Zyklus: Licht-abhängiger Anstieg von pH im Lumen und Mg 2+ im Stroma ---> ATPase, Rubisco (Carbamylation --> CO2 bindet + H + wird abgegeben --> Mg 2+ als Gegenion; RubiscoAktivase an Carbamylation beteiligt --> spaltet RuBP ab), FBPase, SBPase, PRK Thioredoxin-abhängige post-translationale Aktivierung im Licht (Thioredoxin reduziert Zielprotein, schnelle Anpassung an Licht möglich) --> ATPase, NADP-MDH, RubiscoAktivase, FBPase, SBPase, PRK, GAPDH Metabolit-Interaktion --> Rubisco-Aktivase, FBPase, SBPase, PRK Genexpression --> alle

Nitratreduktase

NR= Nitratreduktase, Homodimer NiR = Nitritreduktase, Monomer

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Regulation mRNA: Expressionsrate, Prozessierung, Stabilität, Sekundärstruktur, miRNA Protein: Translation, Transport, Modifikationen, Aktivierung, Degradation RNA-Nachweis: RT-PCR (reverse transcription), microarray, Northern Blot, nuclear run-on assay;

Expressionsnachweis: Promotor-Reportergen-Fusion

Proteinnachweis: Western Blot/ Immunologisch, Massspec Proteinaktivitätsnachweis: Nachweis von Metaboliten (Extraktion, Chromatographie, RfWert, Absorptionsspektrum, Masspec) Transgene Pflanzen Transformationsmethoden in vitro:

Protoplastentransformation, Particle Bombardment, Microinjection

natürlich:

virale Vektoren, Agrobacterium

Ti-Plasmid: ori, Vir-Gene, left border, right border, T-DNA, Selektionsmarker, Reportergen binäres Vektorsystem:

1) LB, RB, ori für E. Coli & Agrobacterium 2) Vir-Gene, ori für Agrobacterium

BASTA/ Glufosinat/ L-Phosphinothricin (PPT) --> bindet an Glutaminsynthetase --> toxische Anhäufung von Ammonium --> Membranen undicht & Nekrosen Glutaminsynthetase (GS), Glutaminsynthase (GOGAT) bar gen codiert Acetyltransferase --> Glufosinat wird acetyliert und unschädlich Anwedungen: Grundlagenforschung --> Analyse von Expressionsmustern (zeitlich & räumlich) loss of function-Mutanten, gain of function-Mutanten Reportergene: GUS (X-Gluc) & GFP GFP kann in vivo & subzellulär detektiert werden, Protein-Protein-Interaktionen können beobachtet werden Insertionsmutagenese --> Transposons oder T-DNA A. thaliana: 5 Chromosomen, 25000 Gene, 130 Mb knock-out-Allel: T-DNA-Insertion (meist in kodierendem Bereich) --> kein Transkript Seite 5 von 14

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knock-down-Allel: Insertion in 5'-UTR --> reduzierte Transkriptmenge psad1 --> PSI D1 ausgeknockt psad2 --> PSI D2 ausgeknockt Vorteile Arabidopsis thaliana kurze Generationszeit klein, diploid (einfach) transformierbar Genom sequenziert viele Hilfstechniken vorhanden forward genetics (Gen von Funktion finden), reverse genetics (Funktion von Gen finden) Ausschalten von Genen: Mutagenese, Insertion (Transposons, T-DNA, Retrotransposons), RNAi

PAM-Messung Maximum Yield: Fv/Fm Photochemisches Quenching: (Fm' – Ft)/ (Fm'-F0) non-photochem.

Quenching

(NPQ):

(Fm – Fm')/ Fm'

Pflanzliche Entwicklung und Signale Lichtsignale Während

des

Deetiolierung,

Lebenszyklus:

Schattenvermeidungsreaktion,

Phototropismus, Öffnung

der

Keimung,

Stomata,

Chloroplastenbewegung, Circadiane Rhythmik,

Blühzeitpunkt Seite 6 von 14

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Lichtinformation: Lichtqualität (λ), Intensität, Richtung, Dauer der Lichtperiode Photorezeptoren: Phytochrome A-E: 600 – 750 nm

Tetrapyrrol --> Phytochromibilin

Pr --> Licht 660 nm --> Pfr (aktive Form) --> Licht 730 nm (FR) --> Pr Dimere PhyA: instabil in Licht, akkumuliert im Dunkeln, Deetiolierung - high irradiance response (HIR) Dauerbestrahlung mit FR-Licht --> Anthocyanin - Very low fluence response (VLFR) sehr schwache Photonenzahl --> Keimung - Rotlicht --> Konformationsänderung --> Protein ABD mit NLS PhyB: stabil in Licht, in allen Stadien, in Rotlicht stabil durch Rotlicht NLS freigelegt --> in Kern transportiert Signaltransduktion Rezeptor --> Intermediate --> Reaktion Wahrnehmung: eine Signalform geht in eine andere über, externe/interne Signale, Wahrnehmung nur mit Rezeptor möglich Feedback --> Amplifizierung des Signals --> Genexpression --> Abschalten des Signals COP1 "masterrepressor" inaktiviert durch Licht Phototropine 1,2: 320 – 500 nm

LOV-Domänen binden FMN

FMN im Licht kovalent an Phototropin gebunden, Autophosphorylierung plasmamembran-assoziierte Serin/Threonin Kinasen LOV-Domänen in Pflanzen, Pilzen und Bakterien gefunden --> Phototropismus (Auxinzunahme in lichtabgewandter Seite, Beugung zum Licht) --> Öffnen der Stomata (Hyperpolarisation) ABA schließt Stomata (Depolarisation) --> Chloroplastenakkumulation --> Expansion der Kotyledonen --> Blattbewegung Cryptochrome 1-3: 320 – 500 nm

Deazaflavin/Pterin + FAD

Ursprung Photolyasen, Dimerisierung im N-Terminus wichtig kommt überall vor (Circadiane Rhythmik, Magnetsinn bei Zugvögeln) Cryptochrom 1: Deetiolierung (Starklicht), lichtbeständig, nur im Dunkeln im Zellkern, bindet im Dunkeln an COP1+HY5 --> Proteasom, bei Licht HY5 nicht gebunden --> Seite 7 von 14

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Transkriptionsfaktor für lichtregulierte Gene Cryptochrom 2: Deetiolierung (Schwachlicht), Blütenbildung, immer im Zellkern, schnell wieder abgebaut, Translation unterdrückt Cryptochrom 3: in Plastiden UVR8: 280-315 nm (UV-B)

Tryptophan

Identifizierung durch Aktionsspektren, Mutantenanalyse

Signalwege Rezeptormutanten vs Signaltransduktionsmutanten vs Biosynthesemutanten Meristeme: Primärmeristeme (dauerhaft teilungsaktiv; Apikalmeristeme: Sprossspitze, Wurzelspitze), Restmeristeme (von Dauergewebe umgeben; Kambium, Blattachsel), Sekundärmeristeme (erneut teilungsaktiv; Seitenwurzeln, Verdickung, "Korkkambium") kleine Zellen, plasmareich, kleine Vakuolen, keine Interzellularen Wichtige Faktoren, die Entwicklung steuern: Licht Schwerkraft Temperatur Luftfeuchtigkeit Hormone/Wachstumsregulatoren

Nährstoffversorgung

Stressoren (Hitze, Dürre, Kälte, Licht, Hunger)

Keimung Dormanz Nondormant --> Germination GA fördert, ABA hemmt Keimung & Nondormanz Beginn der Keimung: Wasseraufnahme, Licht & Temp ok, Transkription & Translation beginnen, Energie aus Speichern, Zellstreckung & -teilung --> Sichtbarwerden der Keimwurzel (erst Testa rissig, β-1,3-Glucanase macht Endosperm rissig --> Wurzel zeigt sich) Phytohormone kleine organische Moleküle, sekundäre Pflanzenstoffe, aktiv zwischen 10 -6 und 10 -8 M, Synthese und Wirkort verschieden, Feedbackregulation, Aktivierung/Inaktivierung, durch andere Signalwege reguliert Seite 8 von 14

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Veränderung von Expression oder direkte zelluläre Interaktion Wirkweise: Downstream-Effekte Transkription, Downstream-Effekte nicht-genomische Effekte (z.B. Ionenkanäle, Enzymaktivitäten) Auxin: von Zelle zu Zelle ausgebreitet Cytokinine: über Leitbündel verbreitet Ethylen: über Interzellularen verbreitet

Gibberelline Wachstum

Abscisinsäure Auxin

Stamm;

Cytokinin

Elongation, Teilung Teilung

Elongation

und

Teilung Keimung

fördert

Dormanz, Samenreifung, Toleranz gegen Trockenheit

Reifung

Fruchtreife

Samenreife

Organinitiation,

Blattseneszenz,

Verzweigungen

Wurzelknöllchen-

(Wurzel,

nicht Entwicklung,

Spross)

Nährstoffverteilung

Morphogen (hohe Konz. Ruhestand) Schließen

Stomata

(Depolarisatio n,

K+-

und

H2OAusstrom) Induziert

Stress

Stressgene Biosynthese Proplastid

-->

AUX1 --> Import

/

Endomembranen

PIN 1 --> Export

Transport

--> Cytoplasma

(polarer Transport

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nach unten und in Wurzel

wieder

hoch – ein Stück) PIN1Polaritätsänderung -->

nächstes

Primordium

(-->

neues Blatt) Mutante

Zwergwüchsig

Biosynthese Mutante

Kein Signal -->

Signaling

immer zwergw. Konstitutives Signal

-->

Längenwachstum Rezeptoren

GID1 ist ein GA- PYR/PYL Rezeptor

inhibieren PP2C,

--> TIR --> mit E2Ubiquitin-Ligase die verbunden

-->

Signal

Ubiquitiniert

reprimieren

Aux/IAA --> keine Repression

von

Auxingesteuerten Genen Sonstiges

GA von Embryo

Phototropismus &

in Endosperm -->

Gravitropismus

Aleuronschicht

Stammzell-

-->

erhaltung

Amylasen

hergestellt (Brauerei!) Antagonist

ABA (Keimung)

GA (Keimung) Cytokinin (Roots/Shoots,

(Roots/Shoots,

Hemmung

der Hemmung

der

Expression

des Expression

des

anderen) Seite 10 von 14

Auxin

anderen)

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Kontrollpunkte Genom

Methylierung, Position

Transkription

RNA-Stabilität, miRNA

Translation

Modifikation (Phosphorylierung etc)

Lokalisierung Degradation

Ubiquitin

Pflanzenernährung Essentielle Elemente: 9 Makroelemente: C O H N K Ca Mg P S 8 Mikroelemente: Cl Fe Mn B Zn Cu Ni Mo Nährstoffkreisläufe: global (Gase: N und S), lokal (P, Ca, K, etc.) Funktionen: –

regulieren Osmose/Transportvorgänge (zB K)

–

Einfluss auf Permeabilität von Membranen (Ca)

–

Strukturkomponente (N)

–

Bausteine wichtiger Stoffwechselverbindungen (P)

–

Aktivatoren/Bestandteile von Enzymen (Zn)

Sytmptome von Nährstoffmangel: gehemmtes Wachstum, Nekrosen, Chlorosen (Vergilbung) Liebig's Minimum-Gesetz: Ertrag von Nährstoff mit geringster Verfügbarkeit limitiert Aufnahme und Verteilung: Aufnahme über Wurzel (Wurzelhaarzone --> Oberflächenvergrößerung; Casparischer Streifen --> blockiert apoplastischen Weg --> Kontrolle über Membran) und Blätter Langstreckentransport: Xylem (mit Transpirationsstrom), Phloem (alle Richtungen) Nährstoffabgabe: Exkretion (Salzdrüsen), Leckage aus Blättern

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Stickstoff (N) Pflanzen können nur Nitrat (NO3-), Ammonium (NH4+) oder Harnstoff (H2N-Ô-NH2)

aufnehmen

-->

begrenzt vorhanden, N 2 macht aber 78% der Luft aus N2 durch 3-fach Bindung sehr stabil und reaktionsträge --> Haber-Bosch-Verfahren -->

Nitrogenase-Reaktion

in

Bakterien (Rhizobium) Stickstoff in der Pflanze: Nitrat –Nitrat-Reduktase--> Nitrit (NO2-) --Nitritreduktase--> Ammonium --> Aminosäuren (Glutamin --> Glutamat) ab Nitritreduktase in Chloroplast Regulation der N-Assimilation: warum? –

Anpassung an N-Status (Verfügbarkeit von Nitrat/ AS)

–

Anpassung an C-Status (Zucker als Skelette für AS-Synthese)

–

Anpassung

an

Licht

&

Photosynthese

(Verfügbarkeit

von

Energie

und

Reduktionsäquivalenten) Regulation durch 14-3-3-Dimer --> bindet phosphorylierte NR --> inaktiv! Schwefel (S) Sulfat (SO4-) --> Schwefelwasserstoff (H 2S) --> Cystein

im Chloroplasten

Phosphor (P) also Phosphat aufgenommen und in Phytinsäure gespeichert --> Nukleotide

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Primärstoffwechsel Zentrale Stoffwechselwege Transport-Kohlenhydrat0 Saccharose: Transportform in Pflanzen, auch Speicher (Möhre, Zuckerrohr), nichtreduzierender Zucker, Glukose & Fructose, im Cytosol synthetisiert Saccharosesynthese: UDP-Glukose-Pyrophosphorylase --> Saccharose-P-Synthase --> Saccharose-P-Phosphate S-Transport: in Phloem (von Quelle zu Senke) kann symplastisch (durch Plasmodesmata) oder apoplastisch (durch Zellwand) aufgenommen/ abgegeben werden in heterotrophen Pflanzengeweben (Wurzel, Knolle, Samen): Saccharose --> Hexose-P --> a) Glykolyse b) Stärke Speicher-KH Stärke: Amylose (α-1,4-glyk. Bindung), Amylopektin (+ α-1,6-glyk. Bindung), Synthese und Speicherung in Plastiden, aus ADP-Glukose (Glykogen aus UDP-Glukose, Bakterien: ADP-Glukose --> Endosymbiontentheorie) Glukose-1-Phosphat + ATP –ADP-Glukose-Pyrophosphorylase(AGPase)--> ADP-Glukose –Stärkesynthase--> Amylose –Verzweigungsenzym--> Amylopektin Regulation der AGPase durch Metaboliten, Licht/Thioredoxine, Genexpression Langfristige Speicherung in Amyloplasten (Knollen & Samen) Stärkeabbau: Amylolytisch & (Phosphorylytisch) Keimung: Amylasen in Aleuronschicht hergestellt (durch GA gefördert, ABA hemmt) Struktur-KH Zellulose: 15.000 Glukoseeinheiten Höher reduzierte Form des C – Lipide: sehr energiereich, Synthese energieaufwändig Energiereserve: Fette & Öle (Glycerin + 3 Fettsäuren -->meist 16 oder 18 C, unverzweigt, über Estherbindungen verbunden; FS in Plastiden Acetyl-Gruppen (C 2) an Acylkette angehängt, braucht ATP und NADPH) Strukturbausteine: Phospholipide, Galaktolipide, Wachse, Sterole Elektronentransfer: Chlorophyll, Ubichinon, Plastochinon Photoprotektion: Carotenoide Schutz vor ROS: Tocopherole Proteinmodifikation (Membrananker) Signalling: ABA, Gibberelline etc. Pathogenantwort: Öle, Terpene Seite 13 von 14

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Sekundärstoffwechsel Sekundär-Metabolite: keine essentielle Funktion bei Wachstum und Entwicklung, nicht ubiquitär Chemische Waffen: Toxine, Bitterstoffe Schutzstoffe: Flavonoide (UV) Lockstoffe Speicherstoffe: Stickstoff- und Schwefelspeicher 3 große Gruppen: Terpenoide: leiten sich von IPP ab (IPP aus Acetat-Mevalonat-Weg im Cytosol, DOXPWeg in Plastiden), wasserunlöslich, auch primäre Aufgaben (Widerspruch Def. Sekundärmetaboliten) Monoterpene: C10, z.B. Menthol, Limonen, Pyrethine (Insektengifte) Sesquiterpene: C15, Antibiotika, Abschreckung von Herbivoren Diterpene: C20, z.B. GA Triterpene: C30 Tetraterpene: C40, Carotenoide, ABA durch Abbau vom Carotenoiden Polyterpene: C40+ Alkaloide: leiten sich von Aminosäuren ab, meist basisch, Verteidigung gegen Pathogene und Fressfeinde, 20% der Blütenpflanzen produzieren Alkaloide z.B. Nikotin, Koffein, Cocain, Opium, Morphium & Codein (aus Milch der Mohnkapsel), Coniin (Schierlingsbecher) Phenole/ Phenylpropanoide (Shikimatweg oder Malonat/ Acetat-Weg) Lignin: kovalent mit Zellulose verknüpft, dreidimensional verzweigt, hohe mechanische Festigkeit, in Zellwänden Flavonoide: Düfte, Farben, (Anthocyane), UV-Schutz, Verteidigung Tannine: Gerbs...