Prof. Dr. Kay SchneitzRaum 119, E’Biologie Pflanzen, WZW

Tel: 08161 715438Email: schneitz@wzw.tum.de

http://plantdev.bio.wzw.tum.dehttp://plantdev.bio.wzw.tum.de/lehre/downloads

Entwicklungsgenetik der Pflanzen II

• Vorlesung - 2 Semester

• Praktika/Forschung: genetische, molekulare und zellbiologische Techniken

• Praktikum (10 CP)

• 3-wöchig, 11.-27. Oktober 2011 (max 10 Pers.)

• Forschungs-Praktikum (10 CP, 4 Wochen, Ferien WS/SS --> BSc/MSc-Arbeit)

• BSc/MSc-Arbeiten (Biochemie, Biologie, MolBioTech)

• Doktorarbeiten

Angebote EGen Pflanzen

• Smith, A.M., Coupland, G., Dolan, L., Harberd, N., Jones, J., Martin, C., Sablowski, R., Amey, A. (2010) "Plant Biology", Garland Science, UK

• Leyser, O., Day, S. (2003) “Mechanisms in Plant Development” Blackwell Publishing, Oxford, UK

• Westhoff, P., Jeske, H., Jürgens, G., Koppstech, K., Link, G. (1996) “Molekulare Entwicklungsbiologie. Vom Gen zur Pflanze”, Stuttgart, Georg Thieme Verlag

• Coen, E., (1999) “The Art of Genes” Oxford University Press

Lehrbücher

URLs...• Generell:

• http://plantdev.bio.wzw.tum.de

• PDF/Podcast files (.pdf, .mp3, .m4v)

• http://plantdev.bio.wzw.tum.de/lehre/downloads

• Noten

• https://campus.tum.de/tumonline/webnav.ini

• Zugang

• myTUM-Kennung (MWNID)/Password

Mol. Entwicklungsgenetik der Pflanzen II - InhalteMol. Entwicklungsgenetik der Pflanzen II - InhalteMol. Entwicklungsgenetik der Pflanzen II - Inhalte1 Photomorphogenese 05. 05. 11 KS2 Skotomorphogenese 12. 05. 11 KS3 Blühinduktion 19. 05. 11 KS4 Meristemidentität 26. 05. 11 KS5 Blütenorganidentität 09. 06. 11 KS6 Blütenorganogenese 16. 06. 11 KS7 Gametophyt/Apomixis 30. 06. 11 KS8 Befruchtung/SI 07. 07. 11 KS9 Parentale Kontrolle Samenentwicklung 14. 07. 11 KS

Prüfung

21. 07. 2011

Prüfungsanmeldung• TUMonline zwingend!!!

• https://campus.tum.de/tumonline/webnav.ini

• myTUM-Kennung / Password

• Prüfungs-ID: WZ0350 / Mol. E’Genetik der Pflanzen II

• Wenn angemeldet --> Rückzug nur mit Attest (Prüfungsamt), ansonsten --> nicht angetreten und eine 5.0 !!

• Photomorphogenese

• Lichtrezeptoren

• Signaltransduktion durch Lichtrezeptoren

• Skotomorphogenese

• zirkadianer Rythmus

Photomorphogenese

Pflanzen und Licht

Energiequelle (Photosynthese)

Informationsquelle (Photomorphogenese)

• Phototropismen

• direktionelles Verhalten induziert durch gerichteten Lichteinfall

• Photomorphogenese

• Entwicklung

• Weitere Prozesse:

• Blühinduktion, Samenkeimung, Stomatabewegungen etc etc etc

Arten der Lichtantworten

• Aktionsspektren (Wirkungsspektren)

• Intensität (Photonfluss)

• Fluency Response (Anzahl Photonen pro Fläche)

• VLFR: very low fluency (0.1-100 nmol/m2)

• LFR: low fluency (1-1000 μmol/m2)

• HIR: high irradiance (kontin. Exp. > 1000 μmol/m2)

Weitere Parameter des Lichtes

Welches Licht kann eine Pflanze erkennen?

395 490 540 590 650 750

UV-

B

UV-

A

IR

• Photorezeptoren

• UV-B, UV-A, Blau, Rot (Hellrot (R)/Dunkelrot (FR))

Welches Licht kann eine Pflanze erkennen?

395 490 540 590 650 750

UV-

B

UV-

A

IR

NPH1/PHOT

Cryptochrome

Phytochrome

ChlorophylleUVR8

Keimlingentwicklung

Dunkel Hell

Die Pflanzenentwicklung hängt vom Licht ab

hy

colp

hy

coah

Etioliertlanges HypokotylApikalhakengeschlossene Kotyledonen“weisse” Farbe

De-etioliertkurzes Hypokotylkein Apikalhaken

offene Kotyledonengrüne Farbe

erste Blattprimordien sichtbar

Skotomorphogenese Photomorphogenese

• Hypokotylelongation

• Oeffnen des Apikalhakens

• Kotyledonenexpansion

• Initiation Blattentwicklung

• Plastidenentwicklung

• Photosynthese

• Zellteilung/Expansion

• Regulation Genexpression

• Regulation Proteinstabilität

• Subzelluläre Lokalisierung

Photomorphogenese (PM)

Hypokotyl

Kotyledone

Licht beeinflusst die Genexpression

Mutanten mit Defekten in der Lichtantwort

phycry

detcopfus

Licht Dunkel

WT

Defekte in derLichtperzeption

Defekte in der negativenKontrolle der Lichtantwort

Phototropismus

Phototropismus: Keimlinge richten sich aus

Zeitlupe:10 min Intervalle/18 h

Zeitlupe:10 min Intervalle/5 h

Mutanten mit Defekt im Phototropismus

• LOV1/2

• PAS-Domänen

• binden FMN

Phototropin (PHOT)

PHOT1

PHOT2

Wirkungsspektrum des Phototropismus

• Flavin

• FAD

• FMN

Blaulicht-Chromophore

LOV-Domänen als Lichtsensoren

Tropismus, Auxin und differentielles Wachstum

• Asymmetrische Verteilung von Auxin im Organ

• Differentielles Wachstum Licht/Schattenseite

Modell der Phototropismus-Signalkette

PHOT Ca 2+ CaMK Auxin

Cryptochrome (CRY)

Photomorphogenese

Blaulicht-Signaltransduktion involviert Cryptochrome

Dunkel Blau

Rot

WT cry WT cry

WT cry

cry Mutanten

• Flavoprotein mit Homologie zu bakteriellen Photolyasen (DNA repair)

• Grösse: 496-867 aa

• Zwei Chromophore

• Pterin oder Deazaflavin

• FAD (Katalyse)

Struktur der Cryptochrome

• De-etiolation

• Unterschiede CRY1/CRY2

• Blühinduktion

• zirkadiane Rythmik

Biologische Funktionen von CRY in Ath

Blaulicht, CRY1 und Signaltransduktion:wo in der Zelle?

CRY1 befindet sich im Zellkern

Mögliche CRY MechanismenPhotolyase Intermolecular Redox

Intramolecular Redox

PHOT1/2 vs CRY1/2

• PHOT1/2

• PM-Lokalisation

• Phototropismus

• Stomataöffnung

• CP- Bewegung

• Licht-reg. Ionenflüsse

• CRY1/2

• Kernlokalisation

• De-etiolierung

• Blühinduktion

• zirkadiane Rythmik

Phytochrome (PHY)

Photomorphogenese

Rotes Licht wird über Phytochrome empfangen

Dunkel Rot

Blau

WT cry WT cry

WT cry

Die Struktur des Phytochroms

PHY: Pflanzen vs Bakterien

PHY-Funktion während des Lebenszyklus

PHY: zwei photoconvertible Formen

• Phytochrome vermitteln eine reversible Rot/Dunkelrot Antwort

• 5 PHYs in Ath: PHYA, PHYB, PHYC, PHYD, PHYE

• Typ I: PHYA, photolabil, in etiolierten Keimlingen

• Typ II: PHYB/C, photostabil, in grünen Pflanzen

• PHYA: “naive” und “cycled” Formen

PHY: Photoconversion

• Phytochromobilin

• lineares Tetrapyrol

• kovalente Bindung via Thio-Ether Verbindung

• spontane Assemblierung

• Pr und Pfr Absorptionsspektren überlappen

Phytochromobilin

Arten der PHY-basierenden Lichtperzeption

PHYA/B Signaltransduktion

Rotlicht und Signaltransduktion:wo in der Zelle?

PHY: Rotlicht induziert Lokalisation im Kern

PHY ist im Zellkern aktiv

• PHYB interagiert mit zB PIF3 (bHLH)

• Interaktion nur mit Pfr-Form von PHYB

• PIF3 an G-box von Zielgen gebunden

Direkter Einfluss des Lichtsignals auf Transkription

• Amplifikation

• Diversifikation

PHYA reguliert ein Netzwerk von TFs

• Licht: Energiequelle und Informationsquelle

• Phototropismus

• Blaulicht

• PHOT1/2, lichtabhängige S/T-Kinasen

• LOV-Domänen/FMN/Photozyklus

• wahrscheinlich über Ca, CaMK, Auxin

Zusammenfassung I

• Blaulichtsignaltransduktion

• De-Etiolierung

• Blühinduktion

• zirkadiane Rythmik

• Cryptochrome (CRY1, CRY2)

• homolog zu Photolyasen

• Chromophore: Pterin und FAD

• findet sich dauerhaft im Zellkern

Zusammenfassung II

• Rotlichtsignaltransduktion

• De-Etiolierung

• vegetatives Wachstum

• Blühinduktion

• Phytochrome (PHYA- PHYE)

• S/T-Kinasen

• zwei reversible Formen: Pr vs Pfr

• Licht aktiviert PHY und induziert Kernlokalisation

• PHYs interagieren mit TFs

• TF-Gene frühe Zielgene der PHY-Signaltransduktion

Zusammenfassung III

THE END