Fotomorfogénesis en plantas [
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La fotomorfogénesis induce a:
Inhibición de la longitud hipocotilo. Expansión de los cotiledones. Síntesis de pigmentos (clorofila).
Fotomorfogénesis
Es importante que las plantas coordinen la cantidad de luz con su desarrollo. El desarrollo de las plantas está coordinado para optimizar la cantidad de luz disponible para la fotosíntesis. fotosíntesis. Las plantas han desarrollado sistemas de percepción de luz que les permiten sobrevivir sean cuales sean las condiciones lumínicas, esto es posible gracias a las familias de foto-receptores. Para descubrir los genes que forman parte de estas familias de foto-receptores, se realiza un rastreo de mutantes con menor/mayor percepción de la luz o que sean más susceptiblesresistentes a esta (aproximaciones genéticas y genómicas). También se pueden realizar estudios de interacción proteína-proteína (aproximaciones moleculares), aproximaciones bioquímicas o estudios metabólicos. La luz es uno de los factores medioambientales que más afecta al desarrollo de las plantas. La luz visible es la parte de la luz que recibe la planta. Dentro del espectro de luz visible tenemos absorción en la zona azul y roja del espectro.
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Crecimiento en condiciones de oscuridad (escotomorfogénesis): Todos los organismos (wt y mutantes) crecen igual. Crecimiento en luz azul: o Mt en luz azul (CRY1 ): Menor inhibición del crecimiento del hipocotilo. + o OEX de CRY : Mayor inhibición del crecimie cr ecimiento nto del hipocotilo. o Mt luz roja (PHYB ): Fenotipo wt Crecimiento en luz roja: o Mt en luz azul (CRY1 ): Fenotipo wt o OEX de CRY+: Fenotipo wt o Mt luz roja (PHYB ): Menor inhibición del crecimiento del hipocotilo.
Mutantes COP, DET, FUSCA y PIFs presentan alteraciones en la percepción o transmisión de la luz. Estas son proteínas que interaccionan con los fitocromos, son FTs que conforman familias multigénica. Hasta que no tenemos un cuádruple mutante de PIF no conseguimos obtener un fenotipo COP.
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Tenemos dos tipos de mutantes: hipo- o hipersensibles.
Distintos tipos de fotoreceptores en plantas
Las plantas poseen diferentes tipos de fotorreceptores:
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Espectro rojo-rojo Espectro roj o-rojo lejano: Fitocromos Espectro azul-azul lejano: Fototropinas, Zeitlupes, criptocromos y UVR8 (Sensa la luz UV).
Cada uno de estos fotorreceptores lleva a cabo diferentes funciones que van del fototropismo en el caso de las fototropinas, a fenómenos de detiolación o de fotoperiodismo, ambos mediados por criptocromos y los fitocromos. Estos fotorreceptores fotorreceptores llevan a cabo funciones redundantes redundantes y específicas.
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Fitocromos: Fotorreceptor con actividad kinasa que actúa como fotorreceptor de luz roja y roja lejana, gracias a su cromóforo fitocromobilina (tetrapirrol lineal). Supercromo o neocromo: Presente en plantas inferiores, fotorreceptor híbrido que consta de un extremo N-ter de fitocromo y un extremo C-ter de fototropina con dominio Ser-Thr-Kinasa. Por lo tanto, es capaz de reconocer ambos tipos de espectro (azul-rojo). Fotoliasa: Provenientes de los criptocromos. Se dedican a la reparación de daños en el DNA producidos por la luz. Criptocromos: Fotorreceptores capaces de unir dos tipos de cromóforos. Zeitlupes y fototropina: Reconocen el mismo tipo de cromóforo.
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UVR8: UV-absorbing aromatic áá Tryp.
FITOCROMOS
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Vía de síntesis del fitocromo (esquema). Funciona como (hetero)dímero. Se conoce la función de cada subdominio de la proteína. Controla: germinación, expansión de hojas y cotiledones, elongación del tallo, floración, tuberización, desarrollo de cloroplastos, síndrome de huida de la sombra (SAS) y ramificación.
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Arabidopsis posee 5 genes que codifican para fitocromos.
Modo de acción de los fitocromos
Suelen funcionar como proteínas Kinasa o kinasas dependientes de Ca 2+. En el caso de las plantas los fitocromos reciben el nombre de Phy, en cianobacterias son Cph, en eubacterias es Bph y en hongos filamentosos es Fph. Estos tienen diferentes cromóforos y absorben en diferentes longitudes de onda. La forma Pr es la forma inactiva que ve en el espectro de luz roja. Cuando recibe luz roja se activa y pasa a Pfr. Cuando el Pfr recibe luz del rojo lejano (infrarroja) se inhibe y pasa a Pr. En el proceso de activación, se da la fosforilación interna entre residuos de Ser y la fosforilación de diferentes sustratos como PIF3 y PIF4. Cuando el fitocromo se activa, se dirige al núcleo y establece una red transcripcional (activación de cascada de señalización) que lleva al cambio de 8.000 genes, debido al pulso de luz. Es decir que la activación del fitocromo induce a una
reprogramación reprogram ación génica. La redistribución intracelular de los fitocromos depende de la luz. Para la activación génica (paso de Pr a Prf) se requiere luz, esta luz hace que el fitocromo se dirija a núcleo. phyA y phyB tienen diferentes diferentes modelos de importación importación,, aunque en ambos casos esta importación está regulada por luz.
phyA: PfrA interacciona con FHY1 en el citoplasma a través del extremo C-terminal phyA binding domain (ABD). El NLS de FHY1 permite la entrada del complejo en el núcleo. FHY3 controla este proceso, uniéndose uniéndose directamente directamente a los motivo motivoss FBS presentes presentes en la región promotora de FHY1, induciendo así a un aumento de la expresión de FHY1. Estos FHY son FTs claves para la elongación celular en oscuridad; estos integradores/mediadores de la señal, se encargan de llevar a cabo el desarrollo en la oscuridad.
phyB: El paso a PrfB hace que se separe del dominio NLS y pueda ser translocado a núcleo. Una vez que phyB se une con PIF3, es reconocido por una proteína proteína E3-ligasa que media la unión de residuos de Ub con la proteína diana para mediar su deg degradación. radación. Esto inhibe tanto a PIF3 como al fotorreceptor.
Existen varias proteínas E3-ligasas que reconocen r econocen diferentes diferentes Phy. Los fitocromos interaccionan con diferentes proteínas tanto en el núcleo como en el citoplasma. Los fitocromos tienen actividad kinasa porque trabajan con kinasas asociadas. PERO NO SON KINASAS.
Mecanismo de inhibición de la actividad de COP1 por la acción de Phy en respuesta a la luz
La activación del fitocromo induce a su entrada a nivel de núcleo, donde se une con SPA1 y COP1. Phy destruye la interacción directa entre SPA1 y COP1, hecho que inhibe la degradación
de factores que participan en el proceso de morfogénesis.
Control de la elongación celular mediante la acción de la luz y giberelinas (GA)
Cuando hay bajos niveles de GA, las proteínas tipo PIF junto con DELLA secuestran a las proteínas PIF y no hay elongación celular. Cuando C uando hay GA, se da la degradación de DELLA y se activa la vía de elongación celular. Las GA reprimen la fotomorfogénesis en la oscuridad. Síndrome de huida de la sombra (SAS)
Cuando las plantas crecen muy próximas, la luz es absorbida por las hojas de las plantas vecinas. Cuando las plantas reciben una mayor cantidad de luz rojo lejano se comportan como si fueran un mutante PHYB, haciendo que el hipocotilo elonge más rápidamente. (Esta rápida elongación permitirá que la planta sea más alta y la parte superior pueda captar una mayor cantidad de luz) -
En el SAS participan principalmente fitocromos aunque los fotoreceptores de luz azul también contribuyen.
La activación de unos genes u otros depende del ratio de luz roja lejana – luz luz roja:
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Luz roja lejana: Síntesis de genes (evitadores de sombra) mediada por PIF. Luz roja: Síntesis de HFR1 que secuestra PIF para apagar la respuesta de huida a la sombra.
La huida de la sombra es un cambio a nivel hormonal.
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Recibe mucha luz (Rojo): Activación de fitocromo. Poca luz (rojo lejano): No activación de fitocromo, activación de PIF que induce a la síntesis de genes involucrados con la elongación y crecimiento (Aux, Pin, Yuc).
Arabidopsis no es capaz de sobrevivir en luz roja sin fitocromos. Analizando el quíntuple mutante vieron:
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Luz roja monocromática: No hay crecimiento. Esto indica que Phy es una proteína esencial para el crecimiento en luz roja. Luz blanca-azul: Hay crecimiento.
Los fitocromos también actúan como termómetros o termosensores en Arabidopsis en Arabidopsis:: se activan o inactivan según la temperatura. Los niveles de fitocromo son mayores en temperaturas de entre 12-15ºC. Mientras que a temperaturas superiores de 27ºC, se da la activación de la forma activa del fitocromo (Prf), se inhibe la formación de PIF y hay elongación.
CRIPTOCROMOS (luz azul)
Arabidopsis contiene tres criptocromos que detectan luz azul. El mutante hy4/Cry1 hy4/Cry1 tiene homología con fotoliasas. A nivel de estructura, constan de dominio un N-ter PHR y un dominio C-ter que está implicado en la transmisión de la señal en luz azul. Los criptocromos participan en la detiolación, homeostasis de los iones, control del fotoperíodo de la floración, apertura de estomas y ajuste del reloj circadiano.
Hy4 Hy4 es un mutante CRY2 Hy4 CRY2 de floración tardía porque tiene afectada la interacción con COP1. COP1 es quien media la estabilidad de constant (CO). Cuando CO es secuestrado por COP1, se induce a su degradación. En el mutante, CRY2 no secuestra a COP y, por eso, no hay floración (porque no se da la activación de CO). CRY2 forma un homodímero por la acción de la luz azul. La fosforilación de CRY2 induce a su activación génica y a su degradación por E3-ligasas.
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Regulación de la apertura de estomas en respuesta a la luz azul. Evitación del síndrome de la sombra: Interacción con PIFs para controlar el crecimiento de la planta en limitada luz azul. Se da la estabilización de PIFs para inducir a la activación de una serie de genes que participan en la elongación celular. CRY3 está relacionado con CRY3 el criptocromo Synechocystis y se en los cloroplastos y mitocondrias. se une a de FAD y DNA (pero no encuentra tienen actividad fotoliasa). Por otro lado, la secuencia N-ter es la que media la importación a cloroplastos y mitocondrias. mitocondrias.
El reloj circadiano controla múltiples procesos de desarrollo
Los fitocromos y criptocromos son esenciales para el reloj.
ZEITLUPES
Las Zeitlupes median la degradación de TOC1 o TDF. Se dedican a la degradación de sustratos.
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Las FKFs son represores de CO.
FOTOTROPINAS
Arabidopsis posee dos fototropinas que detectan luz azul:
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Tipo 1: Detección de luz azul de baja intensidad. Tipo 2: Detección de luz azul de elevada intensidad.
Las fototropinas median la respuesta fototrófica y hacen que la planta adquiera una curvatura hacia la luz incidente. Las fototropinas de Arabidopsis son Ser-kinasas canónicas.
Ambas Phot se encuentran en la membrana plasmática y cuando reciben luz azul se hacen solubles y se dirigen al aparato de Golgi. La luz azul induce a 2+ flujos de calcio a través de canales permeables de Ca activados por fototropinas.
Las fototropinas median la apertura de los estomas:
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El tamaño de los estomas está controlado por las células oclusivas. En respuesta a la luz azul, se produce una acumulación + de iones K , entra agua en las células oclusivas, éstas se expanden y se abren los estomas. La luz azul provoca una + fosforilación de la H ATPasa, incrementándose el potencial eléctrico negativo de la membrana, lo cual conlleva a la entrada de + iones K .
Evitan la acumulación de cloroplastos: Los cloroplastos permanecen en las paredes periclinales en el mutante a alta intensidad de luz, mientras que en el ecotipo silvestre estos se desplazan hacia las paredes anticlinares. En el mutante no hay recolocalización de los cloroplastos hecho que induce a la foto oxidación. La curvatura que adquiere la planta, se debe a la distribución diferencial de auxinas: mayor acumulación en la zona sombreada de la planta.
UVR8: Receptor de luz UV-B
En los receptores UVR8 la luz es absorbida por dos residuos de triptófano.
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Inactivo: Cuando se encuentra en forma de dímero. Activo: Cuando se encuentra en forma monomérica, secuestra a COP1 de forma que los sustratos que suele inhibir (HY5), se encuentran activos e inducen a la activación de genes.
Estos receptores participan en el cierre de estomas, inhibición de termo-morfogénesis, desarrollo de la hoja, de-etiolación de la plántula, aclimatación y tolerancia a UV-B, fototropismo, inhibición de respuestas de huida a la sombra y circadian entrainment.
[ALGUNAS DIAPOS: no comentadas en clase] clase] La luz reprime a represores. Hay 5 familias de fotorreceptores que controlan la fotomorfogénesis en plantas:
Los fotorreceptores se expresan en los mesófilos, no en epidermis. La captación de luz induce a una mayor producción de Aux, estas Aux se dirigen a la zona sombreada y hacen que esta crezca más; adquiriendo así una estructura curvada.
ESTUDIOS DEL LABORATORIO DE JARILLO: Molecular bases developmental phase transitions – Control Control genético de la transición floral
of
plant
Mecanismos que regulan la transición floral. La planta no florece hasta q las condiciones son optimas o bien se da el crecimiento adecuado. -> Estudio mecanismos de represión floral
Busqueda de mutantes que fluorecieran de forma más temprana que el wt (aceleración). Esto puede estar estar influyendo a genes genes que participan en el proceso proceso de represión.
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Remodelación de la cromatina (mutantes). Readers de cromatina o prot q median la deposición de las marcas o realizan las marcas. H2AZ modifica la expresión génica: Alteración en este complejo tienen alterada la floración. trimetK4H3
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ESD7 ESD6: Implicado en el control fotoperiodico de la floración.
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ESD6 codifica para Hos1. Todos los alelos florecen antes tanto en dia largo como en corta respecto al wt. La respuesta al fotoperiodo se detecta en la hoja. Los fotorreceptores son capaces de sensar la luz y poner en marcha el reloj. Esto lleva a la regulación de constans. Los niveles de constant son esenciales esenciales para la floración. Constants se une a nivel de la hoja al FT, florigeno. La proteína FT viaja al meristemo apical del tallo y media la interacción de una serie de genes de identidad de meristemo floral que activarán a los genes de floración. Las plantas detectan detectan el fotoperiodo fot operiodo mediante el patrón patr ón de expresión de CO. Constant en dia largo (8h oscuridad) se da una acumulación de mensajero -> máxima expresión de CO al final del dia ya que durante la noche es degradado. La gran cantidad de Co al final del dia junto con la luz lleva a la producción de FT en la hoja En dia corto hay acumulación de CO al final del dia, cuando ya no hay luz. Por eso es degradado y no se produce FT. CO es regulado por luz, temperatura, a nivel endógeno. Regulación negativa de HOS1 en la floración
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Propuesto como regulador negativo en temp bajas.
a marillentas… (efecto pleiotrófico). Los mutantes son más pequeños a nivel de flores, son más amarillentas…
HOS1 es una E3-Ub-ligasa y consta de dominio RING. Estimación de la floración: nº de días que tarda en sacar el botón floral o nº de hojas que la planta produce antes de florecer. Fha (tardío) x hos1 = Fenotipo intermedio CO (tardío) x hos1 = Efecto epistatico
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Hos1 para ser temprano necesita tener una proteína CO funcional
Ft/soc1-hos1 = Efecto epistatico
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Hos1 requiere a CO y CO actua sobre Ft y soc-1. o CO afecta a nivel de proteína FT y SOC-1
Hos1 regula la estabilidad de CO (en el mutante hay sobreacumulación de CO).
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Cold-down: Visualizaicón de interacción a nivel in vitro.
CO-Hos1 son genes nucleares
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Hos1 se expresa en el núcleo y marca la membrana nuclear (se encontraron a nivel de poros nucleares). nucleares). Técnica BYF: Demuestra que hay interacción a nivel in vivo. Generación de plantas transgénicas: Generación de dobles mutantes cop1/hos1 o COP1 florece de forma muy temprano pq es la E3-ligasa q degrada a CO durante la noche. Mientras que hos1 estabiliza CO de día o La planta es insensible al fotoperiodo ya que no hay degradación de CO, los niveles de esta proteína se mantienen. Triple mutante cop1/hos1/co: Florece tardíamente porque no consta de CO.
La luz roja retrasa la floración
- Mutante phyB tiene una floración temprana. - CO en condiciones de luz roja cercana es degradado. - No se sabía muy muy bien pq se daba daba esta degradación degradación de forma específica específica en luz roja. roja. Combinación de hos1 con phyB:
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Doble mutante: Florece más temprano incluso que Hos1 debido a que trabajamos con fondo Columbia (*)flc (represor clave de la floración en arabidopsis que responde a la
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Hos1 se requiere para activar flc [la floración más temprana es debido avernalización la acción de Hos1 sobre flc] Hos1 tiene más función sobre las horas iniciales del dia y phyB a horas más tardías.
Cambio localización nuclear como consecuencia a exposición a la luz:
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Hos no cambia expresión ni localización por luz roja. Puede que alguna proteína modifique su estructura o expresión debido a la luz (hipótesis).
Posible formación de complejo tripartito phyB va al núcleo y activa a Hos1 y este actúa sobre CO. Las tres proteínas inte interaccionan raccionan entre sí (experimento en levaduras), todas con todas.
CO se expresa en floema y el CO solo se complementa cuando CO se expresa con promotor constitutivo con promotor de cel transportadoras del floema. phyB aunque se expresa expresa en el mesofilo mesofilo tiene un papel importante importante en el floema. Tnto en mutante phyB como mutante Hos el CO no es degradado = ambos participan en la regulación de CO. En condiciones de oscuridad es degradado pq COP1 lo degrada. Hos1 es esencial para el mantenimiento de la expresión de CO.
