ABA

wachstumsinhibierende Phytohormone (Übersicht)
Ethylene
Abscisic acid
Jasmonic acid
fruit ripening
senecence
leaf abscission
stomatal closure
dormancy
desiccation tolerance
cold tolerance
pathogen response
wound response
tendril coiling
H
C
C
H
H
H
OH
COOH
O
O
COOH
COOH
Salicylic acid
thermogenesis
pathogen response
OH
wachstumsinhibierende Phytohormone
H
H
Ethylen
C
C
H
H
Gas (Abbau von Methionin)
vorwiegende
Bildungsorte:
reifende Früchte
Transport
unpolare Diffusion
auch Interzellularen (Gasphase)
verschiedene Pflanzenteile
bei Überversorgung mit Auxin
oder Cytokinin
Wildtyp
fördernde Wirkung
Fruchtreifung
Tomatenmutante Nr “never ripe”
ist Ethylen-insensitiv
never ripe
Seneszenz
Dunkelkeimung von Samen
der Tomate (Nr u. wt) +/- Ethylen
Inhibierung der Ethylenbildung durch Silberthiosulfat
unterdrückt das Welken von Nelken
inhibiert Zellstreckung
Dunkelkeimung von Samen:
Etiolierung (Vergeilung) unterdrückt
Blattfall
Biosynthese
SAM-Synthetase
PP + Pi
+
CH3-S- CH2- CH2- CH-COOH
NH2
-
-
CH3-S- CH2- CH2- CH-COOH
NH2
ATP
Methionin
Adenosin
S-Adenosyl-Methionin
ACC-Synthase
Methyl-S-Adenosin
H2C
Inhibitoren
AVG
-
C-COOH
H2C
NH2
Aminocyclopropancarboxylat (ACC)
Cyanidentgiftung
½ O2
transaminase
ACC-Oxidase
AIB, Co2+
(HCN + CO2 + H2O)
CH2= CH2
Ethylen
Rezeptor
Ag+ , Methylcoclopropen
Blockierung von Ethylenrezeptoren durch 1-Methylcyclopropen:
kommerzielle Anwendung
Without EthylBloc®
With EthylBloc®
Treated for 4 hours at room temperature with EthylBloc®
and then overnight with an average of 1 ppm ethylene.
(Comparable to ethylene level at a supermarket.)
Step 7. Place bucket into truck.
Rapidly close truck door
Analyse der Signalwandlung
Ethylenantwort von etiolierten Dikotylkeimlingen
“dreifache Antwort” (triple response)
- Ethylen
- verkürzte Wurzel
- gestauchtes Hypokotyl (verkürzt und verdickt)
- Krümmung des Hypocotylhakens
Ethylen-insensitive Mutante
+ Ethylen
Hypokotylhaken von im Dunkeln gezogenen
Arabidopsiskeimlingen:
A+C: Wildtyp
B+D: Ethylen-insensitive Mutante
Kendrick und Chang, 2008,
Current Opinion Plant Biology, 5, 479)
ETR1-Mutante von Arabidopsis
zeigt keine Ethylen-Dreifachantwort
ETR1 Locus durch Punktmutagenese erzeugt
u. durch positionelle Genklonierung identifiziert
A)
Mutantenerzeugung z.B. von Arabidopsis durch Mutagensbehandlung
(z.B. Ethylmethansulfonsäure führt zu Transitionen: G nach A, C nach T)
B)
Isolation der gewünschten Mutanten durch spezifisches Screening
(Fehlen der Dreifachantwort)
C)
Genisolation durch Lokalisierung (Positonsbestimmung) des Gendefektes
auf dem Genom durch Segregationsanalysen und anschliessender Mutantenkomplementation mittels Gentransfer
ETR1
5 verschied. Ethylenrezeptoren in Arabidopsis: 2-Komponentensystem-Typ
(ETR2, ERS1, ERS2, EIN4)
Unterschiede in Kinase- und Transducerdomäne
ER-Membran lokalisiert
Mutationen an der Ethylen-Bindungsstelle führt zur genetisch dominanten
Ethyleninsensitivität
Positiver oder negativer Regulator der Ethylen-Antwort?
Experimenteller Beweis?
Signale
Ethylen
PLC
ETR1, ERS, EIN4
(inaktiviert Histidinkinase)
DAG
Ras
PKC
CTR1
MAPKKK (Raf)
EIN2
MAPKK
MAPK
Transkription
Wachstum, Seneszenz
Pflanze
ctr1-Mutante von Arabidopsis zeigt eine
konstitutive (permanente) Ethylen-Dreifachantwort (T-DNA erzeugte Mutante)
CTR1 Protein ist homolog zur Mitogen-aktivierten-Proteinkinase-Kinase-Kinase (MAPKKK)
Transkription
Mitogene
Antwort
Tier, Mensch
EIN3 (ethylen-insensitive) ist ein Transkriptionsregulator
und EREBP (ethylene-response-element-binding protein) ein Transkriptionsfaktor,
der an ein Ethylen-spezifisches cis-DNA-Element (ERE) bindet und die Transkription
dadurch aktiviert
Abscisic acid
OH
COOH
O
“Stresshormon” Sesquiterpen (alternativer Mevalonatweg)
vorwiegende
Bildungsorte:
reifende Samen
Transport
Wurzel zum Spross (Xylem)
unpolare Diffusion
verschiedene Pflanzenteile
bei Stresssituationen (v.a. Wassermangel)
fördernde Wirkung
Ruhezustand
induziert Dormanz der Samen und Knospen
- Gegenspieler zu GA Fruchtfallförderung (über Ethylen)
Adaptionen bei Wassermangel
Stomataschluss
Trockentoleranz (spezif. Genexpression von Schutzproteinen)
Kältetoleranz (spezif. Genexpression von Schutzproteinen)
Desiccation
ABA
Watering
24 h
The resurrection plant Myrothamnus from Namibia
Inhibitor des Wachstums
Antagonist von GA, Cytokinin, Auxin
inhibiert u.a. Cyclin-cdk-Komplex
Cell cycle
OH
COOH
O
Gene expression Turgor
ABA
zeaxanthin
HO
VDE
ABA1
Biosynthese von ABA
OH
O
antheraxanthin
HO
ABA1
VDE
OH
O
all-trans-violaxanthin
O
HO
Carotinoid Neoxanthin
(C40 Xanthophyll
Xanthophyll-Zyklus)
Neoxanthindioxygenase
(NCED) spaltet in
C15 Xanthoxin
und C25 Molekül
im Chloroplast
OH
HO
O
HO
all-transneoxanthin
O
O
HO
HO
9´-cisneoxanthin
9-cisviolaxanthin
O
HO
OH
Oxidation von Xanthoxin
über ABA-Aldehyd
zu Abscisinsäure im Cytosol
NCED
C25 epoxy apocarotenal
C25 allenic apocarotenal
O
HO
CHO
xanthoxin
ABA2
OH
O
CHO
abscisic aldehyde
AAO
OH
Christmann et al 2003
O
ABA
COOH
In-vivo Genregulation
ABA-regulierte
Luciferase
Expression
Arabidopsis
Keimling
30 μM ABA (24 h)
ABA
Lichtemission
Protein + Substrat
Pflanzen-Genregulator
Glühwürmchen-Leuchtgen
Root of Arabidopsis seedling sensing water deficiency and relaying
ABA hormone signal
along the vascular veins into the leaves (live image)
control
water
shortage
signal x2
stomates
vascular
veins
Christmann et al. 2005
cotyledon
ABA-Signaling triggered by root-sensed water stress
control
2h
4h
6h
10 h
1 mm
Analyse der Signalwandlung
Schliesszellen von Commelina communis
ABA-Antwort
“ABA-dreifach Antwort”
- Stomataschluss
- Inhibierung der Samenkeimung
- Wachstumsstopp
ohne ABA
10 μM ABA
Mutantensuche nach
ABA-insensitiven ArabidopsisKeimlingen
wt
wt
10 μM ABA
abi1 Mutante von Arabidopsis Ist ABAinsensitive
Stoma von abi1
Blatt unter Wasserstress
5 μM
Stoma von Wildtyp
Blatt unter Wasserstress
human PP2C
α
Structure of ABI1 and ABI2
abi1
ABI1
Gly
1
93
N-terminal
domain
1
ABI2
Asp
105
EFhand
- like
434
protein phosphatase 2C
putative
NLS
90
Tertiary Structure of
human Protein Phosphatase 2C
423
Gly
abi2
Asp
Protein phosphatases 2C
ƒ strict Mg2+-dependence
ƒ dephosphorylate P-Ser,
P-Thr and P-His
ƒ no heteromeric
complexes
ƒ no inhibitors
catalytic
site channel
C-terminal
domain
Das et al. 1996
RCAR12
Trp300
ABA
ABA
Trp300
S-ABA
OH
Bet V 1a
RCAR1
COOH
O
ABI1
R-ABA
OH
COOH
O
RS- trans ABA
COOH
OH
O
Ma et al. (2009) Science 324, 1064
Park et al. (2009) Science 324, 1068
Miyazono et al. (2009) Nature 462, 609
A
B
ABI1
PP2Cs RCAR
Cytosol
Nucleus
ABA
OST1
Rezeptorphosphatase
ABI1 RCAR
PP2Cs
ABA
OST1
SnRK2s
CPK
Proteinkinase
CPK4
CPK11
2+
2+
Ca
Ca
K+
ABI5
ABFs
Ca 2+
KAT1
Apoplast
SLAC1
Anions
ABI3
mRNA
ABI4
AP2s
CE
ABRE
GC-rich
c/tACGTggc
TranskripTionsfaktoren bzw.
Ionenkanäle