Giberelinele sunt un grup de fitohormoni de natura diterpenica care indeplinesc diverse functii la plante legate de controlul alungirii hipocotilului , germinarii semintelor, infloririi etc. In controlul majoritatii proceselor morfogenetice, giberelinele actioneaza in aceeasi directie cu auxinele si sunt antagonisti. de citokinine și acid abscisic (ABA).
Cele mai frecvente gibereline active sunt GA1, GA3, GA4 și GA7 (din acidul giberelic), în timp ce GA5 și GA6 sunt mai puțin active, dar totuși joacă un rol cheie în inducerea înfloririi dependentă de giberelină la monocotiledone. Printre alte gibereline, majoritatea sunt precursori în biosinteza giberelinelor active sau produși ai inactivării lor.
Spre deosebire de auxine, criteriul de atribuire a unei substanțe la grupul de gibereline este mai degrabă corespondența cu o anumită structură chimică decât prezența activității biologice. La plante, ciuperci și bacterii, 136 diferite, asemănătoare ca structură, au fost găsite substanțe care aparțin grupului giberelinelor. Astfel, giberelinele sunt cea mai extinsă clasă de fitohormoni. Giberelinele sunt derivați ai ent-gibberellanului și sunt diterpenoide, cu toate acestea, ent - kaurene servește ca un precursor de biosinteză. Giberelinele pot avea o structură tetra- sau pentaciclică (un inel lactonic suplimentar cu cinci membri ) și, respectiv, conține 20 ( C20 -gibereline, de exemplu HA12 ) sau 19 ( C19 - gibereline) atomi de carbon. Majoritatea giberelinelor sunt acizi și, prin urmare, denumirea GK ( acid giberelic) este adoptată cu un indice care indică ordinea de deschidere, de exemplu GK1 , GK3 . Indicele nu reflectă în niciun caz apropierea structurii chimice sau a poziției în căile metabolice. În ciuda diversităţii giberelinelor, mai mulţi compuşi (GK4 , GK1 , GK7 , GK3 ) au activitate biologică semnificativă, restul sunt precursori de biosinteză sau forme inactive. În munca experimentală, GK 3 este cel mai des folosit . Giberelinele sunt instabile și sunt distruse rapid într-un mediu acid sau alcalin.
Giberelinele au fost descoperite de omul de știință japonez E. Kurosawa ( 1926 ) în timp ce studia boala orezului (creșterea excesivă) cauzată de ciuperca Gibberella fujikuroi Sow, care afectează culturile de orez și provoacă o boală specifică în care plantele au internoduri alungite anormal și producție scăzută de semințe. În 1935 , omul de știință japonez T. Yabuta a izolat giberelinele din această ciupercă în formă cristalină și le-a dat numele lor actual.
La plantele superioare, țesuturile cu creștere rapidă sunt cele mai bogate în gibereline; se găsesc în semințele și fructele imature, în răsaduri, în cotiledoane și în frunze în curs de dezvoltare .
Locul principal de sinteză a giberelinelor în plantă este primordiile frunzelor și frunzele tinere. Există trei etape principale în biosinteza giberelinelor:
În Arabidopsis și orez, fiecare dintre enzimele care catalizează primele etape ale biosintezei giberelinei este codificată de una sau două gene: de exemplu, genomul Arabidopsis conține o genă care codifică enzimele CPS, KS și KO. Pierderea funcției acestor gene la mutanții ga1, ga2 și, respectiv, ga3, duce la o reducere serioasă a nivelului de gibereline și la dezvoltarea unui fenotip tipic mutanților cu deficit de giberelină - aceștia sunt pitici cu fecunditate scăzută; fără adăugarea de gibereline exogene, semințele lor au germinație scăzută, iar plantele adulte nu formează peduncul. În același timp, enzimele 2ODD, care acționează în ultima etapă a biosintezei giberelinei, sunt codificate de familii mari multigene ai căror membri au modele de expresie specifice țesuturilor și organelor și sunt, de asemenea, reglementate diferit în funcție de condițiile externe și de stadiul ontogeniei. Mutațiile cu pierderea funcției oricăreia dintre aceste gene au o expresie fenotipică mai slabă.
Principalele moduri de inactivare a giberelinelor sunt 2β-hidroxilarea de către GA-2-oxidaze; epoxidarea cu o enzimă din grupul monooxigenazelor citocrom P450 EUI (Elongated Uppermost Internode, numit după fenotipul unui mutant cu pierderea funcției genei corespunzătoare) și metilarea folosind S-adenosil-metionina ca donator de grupări metil - această reacție este catalizată de enzimele GAMT1 și GAMT2 (GA metil transferaza). Aparent, toate aceste căi de inactivare sunt la fel de importante în reglarea grupului de gibereline active din plantă, deoarece pierderea funcției oricăreia dintre genele enumerate în mutanții eui, gamt1 și gamt2, precum și în plantele transgenice cu supresie. a genelor GA2ox, duce la o crestere a concentratiei de gibereline active.gibereline de zece ori. În plus, există o cale slab studiată pentru inactivarea giberelinelor prin formarea de conjugați cu glucoză, esteri GA-glucozilici.
Ultimul pas în biosinteză, sinteza giberelinelor active din GA12, joacă un rol cheie în controlul nivelului de gibereline active din plantă. Într-adevăr, o creștere a nivelului de expresie a genei GA20ox la plantele transgenice Arabidopsis determină o creștere bruscă a nivelului de gibereline în țesuturi și modificări fenotipice grave, în timp ce supraexprimarea genei AtCPS duce doar la acumularea de ent-kaurene, ent. -acid kaurenic și GA12. În acest sens, principala modalitate de reglare a concentrației de gibereline active în țesuturile plantelor este controlul exprimării genelor care codifică enzimele din familia 2ODD, diverși reprezentanți ai cărora catalizează reacțiile de activare a giberelinei (sinteza GA1, GA3, GA4 și GA7 din GA12, care este catalizat de GA-3 și GA-20-oxidaze), precum și reacțiile de inactivare ale acestora (2β-hidroxilarea GA1, GA3, GA4 și GA7, care este catalizată de GA-2-oxidaze). În prezent, au fost studiate mecanismele genetice de reglare a nivelului de expresie al genelor 2ODD în diferite organe ale plantei, precum și în funcție de anumiți factori de mediu.
reglementarea produsului finit . Un rol important în menținerea homeostaziei giberelinelor îl joacă reglarea biosintezei lor de către produsul final. De exemplu, la Arabidopsis, o creștere a concentrației de gibereline active determină transcrierea genelor AtGA20ox și AtGA3ox, în timp ce o scădere a concentrației acestora crește nivelul de expresie al acelorași gene. Pe de altă parte, giberelinele active reglează pozitiv nivelul de exprimare al genelor AtGA2ox implicate în inactivarea lor. Mecanismele exacte care stau la baza reglării expresiei genelor de mai sus în funcție de concentrația de gibereline active sunt necunoscute, dar s-a demonstrat că în acest proces sunt implicate componente ale căii de transducție a semnalului giberelinei: receptorul GID1, represorii de semnalizare a giberelinei DELLA proteine, proteină SLY/GID2 care conține cutia F.
reglare de către alți hormoni. În controlul dezvoltării plantelor, giberelinele sunt antagoniști ai citokininelor, etilenei și ABA și acționează în aceeași direcție ca auxinele. Pentru unele grupuri de fitohormoni, a fost stabilită capacitatea de a regla concentrația de gibereline active prin controlul expresiei genei 2ODD. De exemplu, auxinele, care îndeplinesc funcții similare cu giberelinele, pot regla concentrația de gibereline active prin reglarea pozitivă a nivelului de expresie al genelor GA3ox și reglarea negativă a expresiei genelor GA2ox. Rolul principal în controlul dependent de auxină al concentrației de gibereline active este jucat de factorul de transcripție NPH4/ARF7, care reglează expresia genelor 2ODD prin legarea directă de promotorii acestora. Antagonistul NPH4/ARF7 în acest proces este represorul transcripțional MSG2/IAA19.
Reglarea concentrației de gibereline în diferite organe ale plantelor. Pe lângă reglarea expresiei genei 2ODD în funcție de concentrația de gibereline active și alți hormoni, există și mecanisme de reglare a expresiei acestora în diferite organe ale plantei; unii dintre ei:
Calea de transducție a semnalului ca răspuns la gibereline include patru componente principale:
În absența giberelinelor, represorii transcripției DELLA sunt legați de promotorii genelor reglate de gibereline, iar glucozamin-transferazele SPY/SEC stabilizează proteinele DELLA. Când molecula de giberelină se leagă de receptorul GID1, este indusă interacțiunea acestuia cu proteina DELLA și cutia F care conține proteina SLY/GID2. Ca rezultat, proteina DELLA este atașată la complexul ubiquitin ligază SCF SLY/GID2 , care îi stimulează proteoliza dependentă de ubiquitină. Factorul de transcripție GAMYB se alătură promotorilor genelor reglate de giberelină, ceea ce declanșează exprimarea acestora.
Proteinele DELLA sunt represoare ale răspunsului la giberelină. Represorii transcripționali ai familiei DELLA au fost primele componente ale căii de transducție a semnalului giberelinei care au fost descoperite. S-a constatat că răspunsul plantelor la gibereline depinde de degradarea proteinelor DELLA, care, în absența unui semnal, sunt asociate constitutiv cu promotorii genelor reglate de giberelină. Mutanții cu pierderea funcției genelor care codifică proteinele DELLA au o sensibilitate crescută la gibereline; dimpotrivă, mutanții cu o creștere a funcțiilor lor și plantele transgenice cu supraexprimare a genelor proteinei DELLA sunt pitici.
Proteinele DELLA sunt o mică subfamilie de proteine aparținând familiei GRAS (din GA1, RGA, SCARECROW), care include și factorii de transcripție SCARECROW și SHORT-ROOT implicați în menținerea celulelor stem meristem apicale ale rădăcinii și în formarea structurii sale radiale. . Moleculele de proteină DELLA includ un domeniu de legare a ADN-ului GRAS la capătul C-terminal și un domeniu DELLA unic pentru această subfamilie la capătul N-terminal, care este necesar pentru interacțiunea cu receptorul GID1 și cutia F care conține proteina SLY1/GID2. Mutațiile din domeniul GRAS duc la pierderea funcției proteinelor DELLA și sporesc răspunsul la giberelină. În același timp, o deletină în domeniul DELLA duce la acumularea de proteine DELLA și reprimarea constitutivă a semnalizării giberelinei.
Proteina GID1 este receptorul pentru gibereline . În secvența și structura sa, receptorul GID1 aparține familiei de lipaze sensibile la hormoni, dar nu are activitate enzimatică. Receptorul GID1 activat interacționează cu proteinele DELLA. Ca urmare, se modifică conformația proteinei DELLA, ceea ce face posibilă atașarea acesteia a componentului cheie al complexului ubiquitin ligază SCF, proteina SLY/GID2 care conține cutia F. Această interacțiune stimulează ubiquitinarea proteinelor DELLA de către complexul SCF SLY/GID2 , urmată de degradarea lor de către proteazomul 26S, suprimând astfel răspunsul la gibereline.
Componentele complexului ubiquitin ligază În SCF (Scp1-Cullin-F-box) includ patru proteine cu funcții diferite; proteina care conține F-box este responsabilă pentru atașarea proteinelor țintă la ele.
Factori de transcripție dependenți de giberelină GAMYB. Ei aparțin familiei de factori de transcripție MYB, acționează în transducția semnalului giberelinelor în aval de proteinele DELLA și reglează pozitiv transcrierea genelor dependente de giberelină. Primul dintre factorii de transcripție identificați ai acestui grup a fost factorul de transcripție de orz GAMYB1, care acționează în stratul de aleuron al endospermului și reglează pozitiv exprimarea dependentă de giberelină a genelor α-amilazei. Ulterior, s-a constatat că în orz, arabidopsis și orez, factorii de transcripție ai grupului GAMYB sunt, de asemenea, implicați în controlul dependent de giberelină al înfloririi și în dezvoltarea organelor florale. De exemplu, în Arabidopsis, ținta directă a uneia dintre proteinele GAMYB, GAMYB33, este gena de identitate a organului floral LEAFY; activarea unei alte proteine GAMYB, GLABROUS1, este necesară pentru dezvoltarea tricomului dependent de giberelină.
Alte componente cunoscute de transducție a semnalului sunt giberelinele . Printre regulatorii negativi ai transducției semnalului giberelinei în Arabidopsis se numără proteinele SPY (SPINDLY) și SEC (AGENT SECRET), care aparțin familiei N-acetilglucozamin transferazelor. Mutațiile cu pierderea funcției genelor corespunzătoare conduc la fenocopii ale plantelor tratate cu gibereline.
Funcția presupusă a proteinelor SPY și SEC este stabilizarea proteinelor DELLA prin modificarea lor post-translațională.
Gene reglate de giberelină
În genomul Arabidopsis au fost găsite peste 500 de gene reglate de gibereline, dintre care jumătate sunt reglate direct de gibereline, prin degradarea proteinelor DELLA și adăugarea factorilor de transcripție GAMYB. Acestea includ:
Printre cele mai cunoscute funcții ale giberelinelor se numără controlul germinării semințelor, creșterea în lungime a tulpinii, trecerea la înflorire și dezvoltarea organelor florale. În prezent, mecanismele moleculare de realizare a acestor funcții au fost studiate: toate sunt asociate cu degradarea proteinelor DELLA mediată de receptorul GID1.
Maturarea semințelor este asociată cu acumularea de nutrienți în embrion și endosperm. În timpul germinării, macromoleculele de rezervă ale endospermului sunt lizate de diferite enzime hidrolitice. Funcția principală în hidroliza amidonului în endosperm este îndeplinită de α- și β-amilaze: α-amilazele hidrolizează amidonul în oligozaharide, care sunt apoi transformate în maltoză folosind β-amilaze [1] .
Genele α-amilazei au fost primele gene care au fost controlate direct de factorul de transcripție dependent de giberelină GAMYB. Astfel, giberelinele secretate de embrion declanșează expresia genelor α-amilazei în stratul de aleuronă, ceea ce duce la liza granulelor de amidon din endosperm și asigură puietului tânăr nutrienți.
Tratamentul plantelor cu gibereline stimulează proliferarea celulelor internodale și creșterea lor prin extensie. Creșterea dependentă de giberelină a frecvenței mitozelor se observă cel mai clar în regiunile subapicale ale lăstarilor în timpul tranziției la înflorire la plantele rozete de o zi lungă, precum și în meristemele intercalare ale orezului care crește în apă adâncă. În același timp, în meristemul apical lăstarilor, giberelinele îndeplinesc o funcție strict opusă: inhibă proliferarea și stimulează diferențierea celulară, ceea ce face importantă pentru dezvoltarea normală a plantelor menținerea unei concentrații constitutiv scăzute de gibereline în SAM. Astfel, giberelinele pot îndeplini funcții opuse în controlul dezvoltării diferitelor meristeme.
Potrivit numeroaselor studii, există patru modalități principale de reglare a înfloririi: calea de zi lungă, care este responsabilă pentru trecerea la înflorire cu o creștere a duratei perioadei de lumină; o cale autonomă care controlează înflorirea atât în zilele lungi, cât și în cele scurte; o cale de vernalizare care declanșează înflorirea după o scurtă perioadă de temperaturi scăzute; și calea dependentă de gibereline, care este cea mai importantă pentru tranziția la înflorire în condiții de zi scurtă.
Toate aceste căi pot interacționa între ele - de exemplu, în Arabidopsis, care poate înflori atât cu zile lungi, cât și cu zile scurte. Datorită unei slăbiri a căii dependente de giberelină pentru a controla înflorirea, ga-mutanții cu deficit de giberelina Arabidopsis nu înfloresc deloc în condiții de zi scurtă și prezintă, de asemenea, înflorire întârziată în condiții de zi lungă.
Controlul înfloririi dependent de gibereline se bazează pe reglarea pozitivă a exprimării genelor care joacă un rol cheie în integrarea proceselor de înflorire: inductorul exprimării genelor homeotice ale florii - gena LEAFY (LFY), principalul inițiator. de înflorire - gena FLOWERING LOCUS T (FT) și ținta ei - gena SUPRESORA DE SUPREXPRESIE A CONSTANTELOR 1 (SOC1).
O secvență de legare a GAMYB a fost găsită în promotorul genei LFY, cu care factorul de transcripție GAMYB33 interacționează direct. Mutațiile din secvența de legare a GAMYB fac imposibilă creșterea nivelului de expresie a LFY în condiții de zi scurtă. În același timp, transformarea ga-mutanților cu deficit de giberelină cu gena LFY sub promotorul constitutiv declanșează înflorirea lor într-o zi scurtă.
La plantele de zi lungă, rolul giberelinelor în controlul înfloririi este mai puțin bine înțeles. La aceste plante, o creștere a duratei perioadei de lumină stimulează creșterea tulpinii în lungime (acest lucru se observă mai ales la plantele cu rozetă), urmată de inducerea înfloririi. Motivul pentru aceasta, aparent, este o creștere dependentă de fitocrom a nivelului de expresie a genelor GA20ox, ceea ce duce la o creștere a concentrației de gibereline libere în lăstari. În Arabidopsis, s-a demonstrat că o creștere a concentrației de gibereline în frunze duce la o creștere a expresiei genei FT, care codifică proteina florigen, care este sintetizată în frunze și ulterior se mută în SAM. Din păcate, mecanismele moleculare ale efectului giberelinelor asupra expresiei FT nu au fost încă elucidate.
Deci, funcțiile giberelinelor sunt asociate cu stimularea dezvoltării vegetative a plantelor (germinarea, creșterea tulpinii în lungime) și dezvoltarea generativă (tranziția la înflorire). Giberelinele acționează în aceeași direcție cu auxinele și stimulează reciproc biosinteza și transducția semnalului; în plus, sistemele lor de recepție a transducției semnalului sunt organizate după același plan (receptorii interacționează cu componentele complexelor de ubiquitin ligază E3 și induc proteoliza represorilor transcripționali). Citokininele și ABA, dimpotrivă, sunt antagoniști ai giberelinelor.
Giberelinele sunt obținute în principal microbiologic din deșeurile ciupercilor din genul Fusarium .
Giberelinele sunt folosite în producția de culturi pentru a crește randamentul fibrelor de cânepă și in , pentru a crește dimensiunea fructelor de pădure în soiurile de struguri fără semințe , pentru a crește randamentul ierburilor, pentru a stimula repausul germinației semințelor, conținutul de gibereline endogene crește), etc. giberelinele provoacă o accelerare bruscă a creșterii masei verzi a plantelor, utilizarea lor ar trebui să fie însoțită de o nutriție crescută a plantelor.
Pentru a accelera maturarea roșiilor, cireșelor, merelor, precum și pentru a preveni depunerea culturilor de cereale, plantele sunt tratate cu substanțe retardante care inhibă acțiunea giberelinelor, de exemplu, acidul 2-cloroetilfosfonic (etefon).