J. Kolář - Biologické rytmy

a fotoperiodizmus rostlin

4: Fyziologický a ekologický

význam cirkadiánních rytmů

Význam cirkadiánních rytmů pro rostliny

• každá rostlina vykazuje velmi velké množství jednotlivých cirkadiánních rytmů (např. odhadem

u 5-30% všech genů Arabidopsis thaliana existuje rytmus v hladině mRNA)

• pozorované cirkadiánní rytmy lze rozdělit do několika (částečně se překrývajících) kategorií

podle jejich předpokládaného významu pro rostlinu:

> načasování procesů do vhodné denní doby

> ochrana před každodenně se opakujícími nepříznivými podmínkami

> časová kompartmentace vzájemně nekompatibilních procesů

> časová koordinace fyziologických pochodů

> měření délky dne a noci ve fotoperiodizmu

• adaptivní význam cirkadiánní rytmicity se zdá být v řadě případů evidentní, nicméně je nutno

ho testovat experimentálně! - blíže v příští přednášce

Role cirkadiánní rytmicity v regulaci fyziologických procesů

• procesy regulované cirkadiánním oscilátorem jsou zpravidla ovlivňovány rovněž jinými faktory

(vlivy prostředí, vzájemná interakce metabolických drah aj.)

• u rostlin je dosti častá společná regulace cirkadiánním rytmem a přímým účinkem světla

transkripce genupro CAB protein u

Arabidopsis v LD 12:12 (měřeno pomocí luminiscence),

Millar a Kay 1996

přímá indukce světlem

endogenní regulace

cirkadiánním rytmem

Role cirkadiánní rytmicity v regulaci fyziologických procesů

vliv cirkadiánního oscilátoru na sledovaný molekulární nebo fyziologický jev může být dvojí:

• cirkadiánní rytmus přímo kontroluje jeho rychlost, intenzitu apod.

• cirkadiánní rytmus řídí citlivost sledovaného jevu k jiným podnětům (vnějším či vnitřním)

- tzv. „gating“

• oba mechanizmy se mohou i kombinovat

cirkadiánní rytmy - přímá kontrola vs. „gating“

• při kontrole exprese fotosyntetického genu CAB se kombinují oba způsoby: existuje rytmus

transkripce ve stálých podmínkách a rovněž rytmus v indukovatelnosti transkripce světlem

transkripce genu pro CAB protein u Arabidopsis (měřeno pomocí

luminiscence), Millar a Kay 1996

Circadian modulation of the acute response to light. Light-grown plants were transferred to DD at the normal lights-off time of the preceding

LD12:12 (12 h). Replicate samples (a total of 47) received 30 min light every 1.5 h (marked by ticks above the time axis). Eight images were

collected for each sample at 30-min intervals, two before and six after the light treatment. A dark control sample was imaged every 30 min,

and is included as a reference in each graph (solid line). Data are representative of three experiments. Data points were lost at 80.5 and 81

h. (A) Data from successive samples are graphed in red, blue, and green for clarity. A gap in each trace marks the time of the light pulse.

načasování procesů do vhodné denní doby

• maximum fotosyntetické kapacity (tj. schopnosti rostliny využít sluneční záření) nastává ve

dne, obvykle kolem poledne

• rytmus fotosyntetické kapacity je výsledkem řady dílčích rytmů (otevřenost průduchů, exprese

proteinů podílejících se na fotosyntéze aj.)

asimilace CO2 a vodivost průduchů v listech fazolu za stálých podmínek (osvětlení, teplota, koncentrace CO2) - Hennessey a Field 1991

načasování procesů do vhodné denní doby

• cirkadiánní rytmus vodivosti průduchů: maximum během dne (mutnost příjmu CO2 pro

fotosyntézu); změny vodivosti obvykle předcházejí změnám v osvětlení

• cirkadiánní oscilátor reguluje jak otevřenost průduchů ve stálých podmínkách, tak jejich

senzitivitu na různé podněty, např. světlo: maximální citlivost na světlo je v 1. polovině subjek-

tivního dne, max. citlivost na tmu během subjektivní noci

vodivost průduchů

v listech Arabidopsis

thaliana, Webb 2003

načasování procesů do vhodné denní doby

• některé řasy mají další rytmus související s fotosyntézou: intracelulární migraci chloroplastů

(obvykle přes den rozptýlené, v noci shluknuté)

migrace chloroplastů: zelená řasa Acetabularia

(z Engelmann 2004)

migrace chloroplastů: obrněnka Pyrocystis fusiformis - nahoře ve dne, dole v noci (Sweeney 1987)

načasování procesů do vhodné denní doby

• důležité jsou rytmy sloužící k interakci s opylovači

• výrazný případ ekologické funkce cirkadiánních rytmů a jejich koevoluce u různých skupin

organizmů (kvetoucí rostliny a opylovači)

• pro rostliny je výhodné lákat opylovače v určitou denní dobu:

> květy různých druhů jsou přizpůsobeny k opylování specifickými opylovači; ti mají své vlastní

denní rytmy aktivity (denní motýli vs. můry apod.) a navíc se někteří z nich dokážou naučit

přilétat na květy v konkrétní čas během dne

> rostlina proto ušetří zdroje (nektar, emitované vonné látky, polysacharidy na tvorbu nápad-

ných květů), pokud prezentuje atraktivní květy pouze po vhodnou část dne - podle aktivity

svých opylovačů

• do této kategorie patří cirkadiánní rytmy:

> otevírání a zavírání květů

> produkce těkavých vonných látek (chemoatraktantů)

> v několika případech prokázány i denní rytmy v produkci nektaru a uvolňování pylu

denní časování rozkvětu květů (připomenutí z první přednášky)

povijnice nachová (Pharbitis purpurea)

foto M. Kolář

nocenka zahradní (Mirabilis jalapa)

odpolednevečer ráno

dopoledneodpoledne večer

rytmická produkce vonných látek v květech

• u druhů vonících v noci je často řízena cirkadiánním oscilátorem

• u rostlin vonících ve dne je rytmus mnohdy vyvolán exogenně (slunečním zářením nebo

zvýšením teploty během dne), ale i mezi nimi jsou druhy s endogenní regulací

denní rytmus emise těkavých látek z květů Hoya carnosa (přetrvává i ve stálých podmínkách), Larcher 2004 podle Matile a Altenburger 1988

načasování procesů do vhodné denní doby

• ve dne je vyšší teplota a současně jsou otevřené průduchy kvůli příjmu CO2 pro fotosyntézu:

to znamená zvýšené nároky na transport vody z kořenů do nadzemní části

• proto existují cirkadiánní rytmy v hydraulické vodivosti kořene a kořenovém vztlaku, s maxi-

mem kolem poledne

cirkadiánní rytmus kořenového vztlaku v izolovaných kořenových systémech Lotus japonicus, Henzler et al. 1999

ochrana před každodenně se opakujícími

nepříznivými podmínkami

• cirkadiánní rytmy mohou být využity k „útěku před

světlem“

• u zelené řasy Chlamydomonas reinhardtii existuje

rytmus v citlivosti k UV - buňky jsou nejcitlivější v období

replikace DNA

• replikace DNA je proto časována do první poloviny noci,

kdy není v přírodě riziko expozice slunečnímu UV záření

přežívání zelené řasy Chlamydomonas reinhardtii po expozici UV záření

(Nikaido a Johnson 2000)

Figure 1.   Effect of UV radiation on the survival of wild-type C. reinhardtii. Cells

maintained on solid medium on LD 12:12 for one day were exposed to UV-C.

Survival was measured as the colony-forming ability of cells following treatment. The

mean value and standard deviation are plotted for triplicate measurements. (a) The

percentage of surviving colonies is plotted against increasing amounts of UV-C

radiation. Inverted triangles: UV-C treatment at 4 h after lights-on (LDT 4). Circles:

UV-C treatment at 4 h after lights-off (LDT 16 on LD 12:12). (b) Time course of the

effect of UV-C exposure at 4 h intervals during the LD 12:12 cycle. Dose of UV-C

was 40 J/m2. Stippled blocks represent the dark intervals of the LD cycle

replikace DNA

ochrana před každodenně se opakujícími nepříznivými podmínkami

• ochrana proti UV existuje patrně i u Arabidopsis: hladiny mRNA pro enzymy syntézy

fenylpropanových látek (z nichž některé slouží jako UV filtr) jsou maximální koncem noci

• látky absorbující UV se tak zřejmě začínají syntetizovat v předstihu před rozedněním

cirkadiánní rytmus hladin mRNA pro enzymy syntézy fenylpropanoidů a pro transkripční faktor, který patrně reguluje jejich genovou expresi - Arabidopsis (Harmer et al. 2000)

Fig. 2. Phenylpropanoid biosynthesis genes peak before subjective dawn.

(A) The gene encoding the Myb transcription factor PAP1 (accession number

AAC83630) is in blue. The red traces represent phenylpropanoid

biosynthesis genes. (B) Phenylpropanoid biosynthetic pathways. Genes

encoding all enzymes indicated in red are clock-controlled.

ochrana před každodenně se opakujícími nepříznivými podmínkami

• u bavlníku byly zjištěny cirkadiánní rytmy v odolnosti proti chladu (s maximem v noci) a proti

vysoké teplotě (s maximem ve dne); zvýšená odolnost k chladu koreluje s vyšším podílem

nenasycených mastných kyselin v lipidech

• podobné rytmy i u Arabidopsis (hladiny mRNA pro proteiny indukované chladem a horkem)

změny v odolnosti bavlníku vůči chladu a horku(Rikin et al. 1993)

cirkadiánní rytmy hladin mRNA pro proteiny Arabidopsis, které jsou indukované chladem a horkem

(Covington et al. 2008)

Anabaena sp.(http://protist.i.hosei.ac.jp/PDB/Images/Prokaryotes/

Nostocaceae/Anabaena/Anabaena9.jpg)

časová kompartmentace

• některé druhy sinic fixují vzdušný dusík, ale nitrogenáza je silně inhibována kyslíkem

• proto je nutné oddělit fixaci N2 od fotosyntézy

Oscillatoria limosa(http://protist.i.hosei.ac.jp/PDB3/PCD3688/htmls/29.html)

Synechococcus sp.(http://protist.i.hosei.ac.jp/PDB7/PCD0400/htmls/10.html)

heterocysty: fixace N2

vláknité druhy s heterocystami:prostorová kompartmentace

ostatní buňky: fotosyntéza

vláknité druhy bez heterocyst nebo jednobuněčné:časová kompartmentace

noc:fixace N2

den: fotosyntéza

časová kompartmentace

• jednobuněčné vodní řasy potřebují dva základní zdroje: světlo (nejvíce u hladiny) a minerální

živiny (nejvíce v hloubce nebo u dna) - jejich využívání je výhodné časově oddělit

• proto má mnoho řas denní rytmy vertikální migrace (ve dne za světlem, v noci za živinami)

• vertikální migrace Chlamydomonas reinhardtii je řízena dvěma cirkadiánními rytmy: fototaxe

ke světlu (nejintenzivnější ve dne) a chemotaxe k amonným iontům (maximální v noci)

denní rytmus chemotaxe k amonným iontům u Chlamydomonas reinhardtii (přetrvává i ve stálých podmínkách),

Johnson et al. 1992

časová kompartmentace

• rostliny aridních oblastí musí zajistit příjem CO2 a přitom minimalizovat ztráty vody

• řešením je CAM metabolizmus, v principu časové oddělení příjmu CO2 z atmosféry a jeho

následné asimilace fotosyntézou

• regulace cirkadiánním oscilátorem není zatím úplně jasná; patrně dosti komplexní, klíčová se

zdá být kontrola aktivity PEP karboxylázy prostřednictvím fosforylace

CAM metabolizmus (Taiz a Zeiger 2002)

PEPc

cirkadiánní oscilátor

transkripce genu pro PEPc kinázu

regulace aktivity PEPc(fosforylovaná je aktivnější a hlavně méně senzitivní k inhibici malátem)

transkripce PEPc a dalších genů CAM

metabolizmuotevírání průduchů

vysoká koncentrace malátu v cytoplazmě

(negativní zpětná vazba)

časová koordinace fyziologických pochodů

• koordinace rytmů podílejících se na fotosyntéze: u Arabidopsis jsou ve stejné fázi

(maximum kolem CT 4) cirkadiánní rytmy hladin mRNA pro proteiny světlosběrných komplexů,

reakčních center fotosystému I a II i pro jeden z enzymů syntézy chlorofylu

• hladiny mRNA začínají stoupat už koncem noci - pravděpodobně příprava fotosyntetického

aparátu v předstihu před začátkem dne

• rytmy mRNA pro fotosyntetické proteiny jsou navíc sladěny i s rytmem otevírání průduchů

cirkadiánní rytmus hladin mRNA pro fotosyntetické proteiny - Arabidopsis

(Harmer et al. 2000)

Fig. 1. Photosynthesis genes peak near the middle of the subjective day...

(A) LHCA genes are in blue... LHCB genes are in pink... (B) Photosystem I

genes are in red... Photosystem II genes are in green... (C) Model for

function of photosynthesis gene products in photosystemsII (left) and I

(right). Colors of proteins match colors of corresponding gene traces.

časová koordinace fyziologických pochodů

• zajišťuje také správnou návaznost různých procesů: fotosyntéza probíhá ve dne, mobili-

zace škrobu vzniklého v chloroplastech následuje v noci - a je rovněž regulována cirkadiánním

oscilátorem, jak naznačují rytmy hladin mRNA pro některé zúčastněné proteiny

cirkadiánní rytmus hladin mRNA pro enzymy odbourávající škrob na metabolizovatelné a

transportovatelné cukry - Arabidopsis(Harmer et al. 2000)

Fig. 3. Genes encoding starch-mobilizing enzymes peak during the

subjective night... (B) Model for the enzymatic functions of these gene

products in the mobilization of starch. Colored arrows indicate the function of

the corresponding gene indicated in (A). The chloroplast is bounded by a

green box and the cytoplasm by a black box.

časová koordinace fyziologických pochodů

• rytmus prodlužovacího růstu stonku (maximální rychlost v LL na konci subjektivního dne)

vyžaduje precizní vzájemné časování dílčích procesů, které se podílejí na prodlužovacím

růstu buněk a na syntéze nových komponentů buněčné stěny

cirkadiánní rytmus hladin mRNA pro proteiny účastnící se

prodlužování buněk a syntézy buněčné stěny - Arabidopsis

(Harmer et al. 2000)

Fig. 4. Genes implicated in cell elongation are circadian-regulated. (A) Genes encoding the auxin

efflux carriers PIN3 ... and PIN7 ... (red), a putative expansin ... (green), a putative

polygalacturonase ... (light blue), and aquaporin d-TIP ... (dark blue) all peak toward the end of the

subjective day. Three enzymes implicated in cell wall synthesis [cellulose synthase isolog...,

cellulose synthase isolog..., and similar to dTDP-D-glucose 4,6-dehydratase...], all in gold, peak

toward the end of the subjective night. (B) Proposed mode of action of the products of these clock-

controlled genes in cell wall remodeling.

další funkce cirkadiánních rytmů

• měření času ve fotoperiodizmu

> cirkadiánní oscilátor měří délku dne/noci ve fotoperiodických reakcích

> podrobnosti v přednáškách ve druhé části semestru

• cirkadiánní rytmy s nejasným významem

> spánkové pohyby listů (snad snížení transpirace a/nebo zmírnění tepelných ztrát z listů

během noci; je ale nedostatek přesvědčivých důkazů)

> rychlost prodlužovacího růstu stonku

> další rytmy (např. bioluminiscence některých řas)