Gibberelliner er en gruppe af fytohormoner af diterpen - karakter, der udfører forskellige funktioner i planter relateret til kontrol af hypokotylforlængelse , frøspiring, blomstring osv. Ved kontrol af de fleste morfogenetiske processer virker gibberelliner i samme retning som auxiner og er antagonister af cytokininer og abscisinsyre (ABA).
De mest almindelige aktive gibberelliner er GA1, GA3, GA4 og GA7 (fra Gibberellic Acid), mens GA5 og GA6 er mindre aktive, men ikke desto mindre spiller en nøglerolle i gibberellinafhængig blomstringsinduktion hos enkimbladede. Blandt andre gibberelliner er de fleste forløbere i biosyntesen af aktive gibberelliner eller produkter af deres inaktivering.
I modsætning til auxiner er kriteriet for at tildele et stof til gruppen af gibberelliner snarere overensstemmelsen med en bestemt kemisk struktur end tilstedeværelsen af biologisk aktivitet. I planter, svampe og bakterier, 136 forskellige, ens i struktur, blev der fundet stoffer, der tilhører gruppen af gibberelliner. Gibberelliner er således den mest omfattende klasse af fytohormoner. Gibberelliner er derivater af ent-gibberellan og er diterpenoider, men ent - kaurene tjener som en biosyntese-precursor. Gibberelliner kan have en tetra- eller pentacyklisk struktur (en yderligere femleddet lactonring ) og indeholde henholdsvis 20 ( C20 -gibberelliner, for eksempel HA12 ) eller 19 ( C19 - gibberelliner) carbonatomer. De fleste gibberelliner er syrer, og derfor er betegnelsen GK (gibberellinsyre) overtaget med et indeks, der angiver åbningsrækkefølgen, for eksempel GK 1 , GK 3 . Indekset afspejler på ingen måde den kemiske strukturs nærhed eller position i de metaboliske veje. På trods af mangfoldigheden af gibberelliner har flere forbindelser (GK 4 , GK 1 , GK 7 , GK 3 ) betydelig biologisk aktivitet, resten er biosyntese-precursorer eller inaktive former. I eksperimentelt arbejde er GK 3 hyppigst anvendt . Gibberelliner er ustabile og ødelægges hurtigt i et surt eller basisk miljø.
Gibberelliner blev opdaget af den japanske videnskabsmand E. Kurosawa ( 1926 ), mens han studerede rissygdom (overdreven vækst) forårsaget af svampen Gibberella fujikuroi Sow, som påvirker risafgrøder og forårsager en specifik sygdom, hvor planter har unormalt aflange internoder og lav frøproduktion. I 1935 isolerede den japanske videnskabsmand T. Yabuta gibberelliner fra denne svamp i krystallinsk form og gav dem deres nuværende navn.
Hos højere planter er hurtigtvoksende væv rigest på gibberelliner; de findes i umodne frø og frugter, frøplanter, udviklende kimblade og blade .
Det vigtigste sted for syntese af gibberelliner i planten er bladprimordia og unge blade. Der er tre hovedtrin i biosyntesen af gibberelliner:
I Arabidopsis og ris er hver af de enzymer, der katalyserer de første stadier af gibberellinbiosyntese, kodet af et eller to gener: for eksempel indeholder Arabidopsis-genomet et gen, der koder for CPS-, KS- og KO-enzymer. Tabet af funktionen af disse gener i henholdsvis ga1-, ga2- og ga3-mutanterne fører til en alvorlig reduktion i niveauet af gibberelliner og udvikling af en fænotype, der er typisk for gibberellin-deficiente mutanter - disse er dværge med lav frugtbarhed; uden tilsætning af eksogene gibberelliner har deres frø lav spiring, og voksne planter danner ikke stilk. Samtidig er 2ODD-enzymer, som virker på det sidste trin af gibberellinbiosyntesen, kodet af store multigenfamilier, hvis medlemmer har vævs- og organspecifikke ekspressionsmønstre og reguleres også forskelligt afhængigt af eksterne forhold og ontogenistadiet. Mutationer med tab af funktion af nogen af disse gener har et svagere fænotypisk udtryk.
De vigtigste måder at inaktivere gibberelliner på er 2β-hydroxylering med GA-2-oxidaser; epoxidation med et enzym fra gruppen af cytochrom P450 monooxygenaser EUI (Elongated Uppermost Internode, opkaldt efter fænotypen af en mutant med tab af funktion af det tilsvarende gen) og methylering ved hjælp af S-adenosyl-methionin som donor af methylgrupper - denne reaktion katalyseres af enzymerne GAMT1 og GAMT2 (GA-methyltransferase). Tilsyneladende er alle disse inaktiveringsveje lige vigtige i reguleringen af puljen af aktive gibberelliner i planten, eftersom tabet af funktion af et hvilket som helst af de listede gener i eui-, gamt1- og gamt2-mutanter såvel som i transgene planter med cosuppression af GA2ox-generne, fører til en stigning i koncentrationen af aktive gibberelliner, gibberelliner ti gange. Derudover er der en dårligt undersøgt vej til inaktivering af gibberelliner gennem dannelsen af konjugater med glucose, GA-glucosylestere.
Det sidste trin i biosyntesen, syntesen af aktive gibberelliner fra GA12, spiller en nøglerolle i at kontrollere niveauet af aktive gibberelliner i planten. Faktisk forårsager en stigning i niveauet af ekspression af GA20ox-genet i transgene Arabidopsis-planter en kraftig stigning i niveauet af gibberelliner i væv og alvorlige fænotypiske ændringer, mens overekspression af AtCPS-genet kun fører til akkumulering af ent-kaurene, ent. -kaureninsyre og GA12. I denne henseende er den vigtigste måde at regulere koncentrationen af aktive gibberelliner i plantevæv på at kontrollere ekspressionen af gener, der koder for enzymer fra 2ODD-familien, hvis forskellige repræsentanter katalyserer gibberellinaktiveringsreaktioner (syntese af GA1, GA3, GA4 og GA7 fra GA12, som katalyseres af GA-3 og GA-20-oxidaser), samt deres inaktiveringsreaktioner (2β-hydroxylering af GA1, GA3, GA4 og GA7, som katalyseres af GA-2-oxidaser). På nuværende tidspunkt er de genetiske mekanismer for regulering af ekspressionsniveauet af 2ODD-gener i forskellige planteorganer, såvel som afhængigt af visse miljøfaktorer, blevet undersøgt.
slutproduktregulering . En vigtig rolle i at opretholde homeostasen af gibberelliner spilles af reguleringen af deres biosyntese af slutproduktet. For eksempel i Arabidopsis forårsager en stigning i koncentrationen af aktive gibberelliner transkription af AtGA20ox- og AtGA3ox-generne, mens et fald i deres koncentration øger ekspressionsniveauet af de samme gener. På den anden side regulerer aktive gibberelliner positivt ekspressionsniveauet af AtGA2ox-gener, der er involveret i deres inaktivering. De nøjagtige mekanismer, der ligger til grund for reguleringen af ekspressionen af de ovennævnte gener afhængigt af koncentrationen af aktive gibberelliner er ukendte, men det er blevet vist, at komponenter af gibberellin signaltransduktionsvejen er involveret i denne proces: GID1 receptoren, gibberellin signal repressorer DELLA proteiner, F-boks-holdigt protein SLY /GID2.
regulering af andre hormoner. Ved kontrol af planteudvikling er gibberelliner antagonister af cytokininer, ethylen og ABA og virker i samme retning som auxiner. For nogle grupper af phytohormoner er evnen til at regulere koncentrationen af aktive gibberelliner gennem kontrol af 2ODD-genekspression blevet etableret. For eksempel kan auxiner, som udfører funktioner svarende til gibberelliner, regulere koncentrationen af aktive gibberelliner ved positivt at regulere ekspressionsniveauet af GA3ox-gener og negativt regulere ekspressionen af GA2ox-gener. Hovedrollen i den auxinafhængige kontrol af koncentrationen af aktive gibberelliner spilles af transkriptionsfaktoren NPH4/ARF7, som regulerer ekspressionen af 2ODD-generne ved direkte binding til deres promotorer. NPH4/ARF7-antagonisten i denne proces er den transkriptionelle repressor MSG2/IAA19.
Regulering af koncentrationen af gibberelliner i forskellige planteorganer. Ud over reguleringen af 2ODD-genekspression afhængig af koncentrationen af aktive gibberelliner og andre hormoner, er der også mekanismer til regulering af deres ekspression i forskellige planteorganer; nogle af dem:
Signaltransduktionsvejen som reaktion på gibberelliner inkluderer fire hovedkomponenter:
I fravær af gibberelliner er DELLA-transkriptionsrepressorer bundet til promotorer af gibberellin-regulerede gener, og SPY/SEC glucosamintransferaser stabiliserer DELLA-proteiner. Når gibberellin-molekylet binder til GID1-receptoren, induceres dets interaktion med DELLA-proteinet og F-boksen indeholdende SLY/GID2-protein. Som et resultat er DELLA-proteinet knyttet til SCF SLY/GID2 ubiquitin-ligasekomplekset , hvilket stimulerer dets ubiquitin-afhængige proteolyse. Transkriptionsfaktoren GAMYB slutter sig til promotorerne af gibberellin-regulerede gener, som udløser deres ekspression.
DELLA-proteiner er gibberellin-responsrepressorer. Transkriptionelle repressorer af DELLA-familien var de første komponenter i gibberellin-signaltransduktionsvejen, der blev opdaget. Det blev fundet, at planters respons på gibberelliner afhænger af nedbrydningen af DELLA-proteiner, som i fravær af et signal er konstitutivt forbundet med promotorer af gibberellin-regulerede gener. Mutanter med tab af funktion af generne, der koder for DELLA-proteiner, har en øget følsomhed over for gibberelliner, tværtimod er mutanter med en stigning i deres funktioner og transgene planter med overekspression af DELLA-proteingener dværge.
DELLA-proteiner er en lille underfamilie af proteiner, der tilhører GRAS-familien (fra GA1, RGA, SCARECROW), som også inkluderer SCARECROW- og SHORT-ROOT- transkriptionsfaktorerne, der er involveret i vedligeholdelsen af rod-apikale meristem-stamceller og dannelsen af dens radiale struktur . DELLA-proteinmolekyler inkluderer et GRAS-DNA-bindende domæne ved C-terminalen og et DELLA-domæne unikt for denne underfamilie ved N-terminalen, som er påkrævet for interaktion med GID1-receptoren og F-boksen indeholdende SLY1/GID2-protein. Mutationer i GRAS-domænet fører til tab af funktion af DELLA-proteiner og øger responsen på gibberellin. Samtidig fører et deletin i DELLA-domænet til akkumulering af DELLA-proteiner og konstitutiv undertrykkelse af gibberellin-signalering.
GID1-proteinet er receptoren for gibberelliner . I sin sekvens og struktur tilhører GID1-receptoren familien af hormonfølsomme lipaser, men har ingen enzymatisk aktivitet. Den aktiverede GID1-receptor interagerer med DELLA-proteiner. Som et resultat ændres konformationen af DELLA-proteinet, hvilket gør det muligt at tilknytte nøglekomponenten i SCF ubiquitin-ligasekomplekset, det F-boks-holdige protein SLY/GID2. Denne interaktion stimulerer ubiquitineringen af DELLA-proteiner af SCF SLY/GID2-komplekset , efterfulgt af deres nedbrydning af 26S-proteasomet, hvilket undertrykker responsen på gibberelliner.
Komponenterne i ubiquitin-ligasekomplekset i SCF (Scp1-Cullin-F-box) omfatter fire proteiner med forskellige funktioner; det F-box-holdige protein er ansvarligt for at binde målproteiner til dem.
Gibberellin-afhængige transkriptionsfaktorer GAMYB. De tilhører MYB-familien af transkriptionsfaktorer, virker i signaltransduktion af gibberelliner nedstrøms for DELLA-proteiner og regulerer positivt transskriptionen af gibberellin-afhængige gener. Den første af de identificerede transkriptionsfaktorer i denne gruppe var byg-transkriptionsfaktoren GAMYB1, som virker i aleuronlaget af endospermen og positivt regulerer gibberellin-afhængig ekspression af α-amylase-gener. Efterfølgende blev det fundet, at i byg, arabidopsis og ris er transkriptionsfaktorer fra GAMYB-gruppen også involveret i den gibberellinafhængige kontrol af blomstring og udvikling af blomsterorganer. For eksempel i Arabidopsis er det direkte mål for et af GAMYB-proteinerne, GAMYB33, blomsterorganidentitetsgenet LEAFY; aktivering af et andet GAMYB-protein, GLABROUS1, er påkrævet for gibberellin-afhængig trichomudvikling.
Andre kendte signaltransduktionskomponenter er gibberelliner . Blandt de negative regulatorer af gibberellinsignaltransduktion i Arabidopsis er SPY (SPINDLY) og SEC (SECRET AGENT) proteiner, som tilhører familien af N-acetylglucosamintransferaser. Mutationer med tab af funktion af de tilsvarende gener fører til fænokopier af planter behandlet med gibberelliner.
Den formodede funktion af SPY- og SEC-proteinerne er stabiliseringen af DELLA-proteinerne gennem deres post-translationelle modifikation.
Gibberellin-regulerede gener
Mere end 500 gibberellin-regulerede gener er blevet fundet i Arabidopsis-genomet, hvoraf halvdelen er direkte reguleret af gibberelliner, gennem nedbrydning af DELLA-proteiner og tilføjelse af GAMYB-transkriptionsfaktorer. Disse omfatter:
Blandt de mest kendte funktioner af gibberelliner er kontrol af frøspiring, stængelvækst i længden, overgangen til blomstring og udviklingen af blomsterorganer. På nuværende tidspunkt er de molekylære mekanismer for realisering af disse funktioner blevet undersøgt: de er alle forbundet med nedbrydningen af DELLA-proteiner medieret af GID1-receptoren.
Frømodning er forbundet med ophobning af næringsstoffer i embryonet og endospermen. Under spiring lyseres endosperm reserve makromolekyler af forskellige hydrolytiske enzymer. Hovedfunktionen i hydrolysen af stivelse i endospermen udføres af α- og β-amylaser: α-amylaser hydrolyserer stivelse til oligosaccharider, som derefter omdannes til maltose ved hjælp af β-amylaser [1] .
α-amylasegenerne var de første gener, der blev direkte kontrolleret af den gibberellinafhængige transkriptionsfaktor GAMYB. Gibberelliner udskilt af embryoet udløser således ekspressionen af α-amylase-gener i aleuronlaget, hvilket fører til lysis af endosperm-stivelsesgranulat og giver den unge frøplante næringsstoffer.
Behandling af planter med gibberelliner stimulerer proliferationen af internodale celler og deres vækst i forlængelse heraf. Den gibberellinafhængige stigning i hyppigheden af mitoser ses tydeligst i de subapikale områder af skuddet under overgangen til blomstring i rosetplanter på en lang dag, såvel som i de interkalære meristemer af ris, der vokser på dybt vand. Samtidig udfører gibberelliner i skuddets apikale meristem en strengt modsat funktion: de hæmmer proliferation og stimulerer celledifferentiering, hvilket gør det vigtigt for normal planteudvikling at opretholde en konstitutivt lav koncentration af gibberelliner i SAM. Således kan gibberelliner udføre modsatte funktioner i at kontrollere udviklingen af forskellige meristemer.
Ifølge talrige undersøgelser er der fire hovedmåder at regulere blomstringen på: Langdagsvejen, som er ansvarlig for overgangen til blomstringen med en stigning i lysperiodens varighed; en autonom sti, der styrer blomstring i både lange og korte dage; en vernaliseringsvej, der udløser blomstring efter en kort periode med lave temperaturer; og den gibberellinafhængige vej, som er vigtigst for overgangen til blomstring under korte dagsforhold.
Alle disse veje kan interagere med hinanden - for eksempel i Arabidopsis, som kan blomstre både med lange og korte dage. På grund af en svækkelse af den gibberellin-afhængige vej til kontrol af blomstring, blomstrer Arabidopsis-gibberellin-mangelfulde ga-mutanter slet ikke under korte dagsforhold og viser også forsinket blomstring under lange dagsforhold.
Den gibberellinafhængige kontrol af blomstring er baseret på den positive regulering af ekspressionen af gener, der spiller en nøglerolle i integrationen af blomstringsprocesser: induceren af ekspressionen af homøotiske blomstergener - LEAFY (LFY) genet, hovedinitiatoren af blomstring - FLOWERING LOCUS T (FT)-genet og dets mål - SUPRESSOR-genet FOR OVEREXPRESSION AF CONSTANS 1 (SOC1).
En GAMYB-bindende sekvens blev fundet i LFY-genpromotoren, som GAMYB33-transkriptionsfaktoren interagerer direkte med. Mutationer i den GAMYB-bindingssekvens gør det umuligt at øge niveauet af LFY-ekspression under kortdagsforhold. Samtidig udløser transformationen af gibberellin-deficiente ga-mutanter med LFY-genet under den konstitutive promotor deres blomstring på en kort dag.
I langdagsplanter er gibberelliners rolle i at kontrollere blomstring mindre godt forstået. Hos disse planter stimulerer en stigning i varigheden af lysperioden væksten af stænglen i længden (dette er især mærkbart hos rosetplanter), efterfulgt af induktion af blomstring. Årsagen til dette er tilsyneladende en phytochromafhængig stigning i ekspressionsniveauet af GA20ox-generne, hvilket fører til en stigning i koncentrationen af frie gibberelliner i skuddene. I Arabidopsis blev det vist, at en stigning i koncentrationen af gibberelliner i bladene fører til en stigning i ekspressionen af FT-genet, som koder for florigenproteinet, som syntetiseres i bladene og efterfølgende flytter ind i SAM. Desværre er de molekylære mekanismer for effekten af gibberelliner på FT-ekspression endnu ikke blevet belyst.
Så funktionerne af gibberelliner er forbundet med stimulering af den vegetative udvikling af planter (spiring, stængelvækst i længden) og generativ udvikling (overgang til blomstring). Gibberelliner virker i samme retning som auxiner og stimulerer hinandens biosyntese og signaltransduktion; desuden er deres signaltransduktionsmodtagelsessystemer organiseret efter samme plan (receptorerne interagerer med komponenterne i E3 ubiquitin-ligasekomplekser og inducerer proteolyse af transkriptionelle repressorer). Cytokininer og ABA er tværtimod antagonister af gibberelliner.
Gibberelliner opnås hovedsageligt mikrobiologisk fra affaldsprodukter fra svampe af slægten Fusarium .
Gibberelliner bruges i afgrødeproduktion for at øge udbyttet af hamp og hørfibre , for at øge størrelsen af bær i kerneløse druesorter , for at øge udbyttet af urter, stimulere frøspiringsdvale, øges indholdet af endogene gibberelliner) osv. Siden gibberelliner forårsager en kraftig acceleration i væksten af den grønne masse af planter, deres brug skal ledsages af øget planteernæring.
For at fremskynde modningen af tomater, kirsebær, æbler samt for at forhindre indlejring af kornafgrøder behandles planter med retarderende stoffer , der hæmmer virkningen af gibberelliner, for eksempel 2-chlorethylphosphonsyre (ethephon).