Il ruolo della luce

Il ruolo della luce nello sviluppo
Giorno
Notte
Luce
Buio
seme
plantula
pianta adulta
La luce rappresenta il fattore ambientale più importante
nella vita delle piante. Le piante, infatti, sentono e
rispondono a:
•
•
•
•
La presenza/assenza di luce
la lunghezza d’onda e l’intensità (fluence rate)
L’orientamento
la durata giorno/notte (ciclo circadiano)
La luce, infatti:
• regola molti aspetti dello sviluppo /differenziamento:
– fotomorfogenesi v/s skotomorfogenesi
–
–
–
–
–
germinazione dei semi
allungamento dell’ipocotile
fioritura
ritmo circadiano
risposte trofiche (fototropismo)
La risposta di “de-eziolamento” è stata molto studiata come
modello per la comprensione dei meccanismi coinvolti nella
percezione della luce, nella trasduzione del segnale, e nella
regolazione trascrizionale, per la semplicità del sistema e
dello screening genetico.
skotomorfogenesi
plantula cresciuta al buio
fotomorfogenesi
plantula creciuta alla luce
Blu/UV
RED/FAR RED
La percezione della luce avviene attraverso 3 classi di
fotorecettori, che agiscono in modo indipendente e
cooperativo:
• FOTOTROPINE (Phot 1 e 2 in Arabidopsis)
• CRIPTOCROMI (Cry 1, 2, 3 in Arabidopsis)
• FITOCROMI (PhyA,B,C,D,E )
• R UV-B (caratterizzati mediante spettroscopia)
Light
Parameters
F Red
Red
Transduction
Pathway
Light-regulated Photomorphogenic
display
genes
Photorecep. components
phyA
phyB
HY5
CAB
COP1
RBCS
COP9
Blue
Phot/Cry
DET1
FUS
UV-A
Phot/Cry
UV-B
UV-B
receptor
Seed
germination
PHYA
Seedling
De-etiolation
PAL
Phototropism
CHS
Shade
avoidance
etc
Floral
Induction
Trattamenti con intensità diverse di luce
HIR
> 1000 mol/m2
LFR
1-1000 mol/m2
(fotoreversibilità)
VLFR
0.1 mol/m2
Funzioni membri della famiglia del Fitocromo
durante lo sviluppo
Fitocromo
Fotorecezione
Attività fisiologiche primarie
phyA
VLFRs
HIRs
Germinazione semi (UV,visibile,FR)
deeziolamento plantule (FRc),
induzione fioritura in LD
phyB
LFRs
R-HIRs
Germinazione semi (Rc)
deeziolamento plantule (Rc)
phyC
R-HIRs
deeziolamento plantule (Rc)
phyD
EOD-FR
risposta di fuga dall’ombra
(allungamento internodi, fioritura)
phyE
LFRs
EOD-FR
Germinazione semi
risposta di fuga dall’ombra
(allungamento internodi, fioritura)
I Fitocromi
I Fitocromi sono codificati da una famiglia multigenica:
• in Arabidopsis 5 geni, PHYA-PHYE
• I 5 fitocromi sono tutti espressi in modo ubiquitario
• il fitocromo purificato è in forma di omodimero di 125kD
• il fitocromo attivo è presente come omodimero
• ogni
polipeptide
lega
un
cromoforo
tetrapirrolico,
fitocromobilina, con un legame tioetere, su una cisteina
conservata
• i 5 fitocromi legano lo stesso cromoforo
• la regione C-ter media la dimerizzazione
Struttura di una molecola di Fitocromo
1) Albero filogenetico dei cinque geni Phy
AtPhyA
AtPhyB
AtPhyC
AtPhyD
AtPhyE
80%
identità aacidica
2) Struttura proteica dei fitocromi
N terminale
C terminale
F
D1
F
P1 P2 D2
HKRD
= fluorocromo
D1, D2
= dominio di dimerizzazione
P1, P2
= dominio PAS (interazione proteina-proteina
HKRD
= dominio istidina-chinasico
1210 aa
Omologie strutturali/funzionali
tra Phy batterici e vegetali
chromophore
PSD
HKD
BATTERI
chromophore
PSD
PRD
PSD:photosensory domain con cromoforo
HKD:dominio istidina chinasi
PRD:dominio PAS-related
HKRD:dominio istidina chinasi-related
HKRD
PIANTE
La funzione dei fitocromi è basata sulla capacità di
interconversione reversibile tra la forma Pr e quella Pfr:
•La forma Pr, biologicamente inattiva, assorbe luce rossa (R)
•La forma Pfr, biologicamente attiva, assorbe luce rosso lontano (FR)
•La percezione del segnale luminoso è seguita da un cambio
conformazionale
•La percezione del segnale luminoso attiva poi vie di trasduzione del
segnale
I fitocromi si dividono in 2 classi:
• tipo I, instabile alla luce (phyA)
• tipo II, stabile alla luce (phyB-E)
I fitocromi quindi fungono da sensori del rapporto R/FR
nell’ambiente:
•normalmente R/FR ~ 1.2
•le strutture fotosintetiche assorbono R, indi il rapporto diminuisce
•Il rapporto R/FR è indicativo anche della “densità di popolazione”
Attività del fitocromo
•Attività chinasica luce-regolata:
-Autofosforilazione (ser/thr chinasi)
-Legame con PKS1 (PhytocromeKinaseSubstrate) nel citoplasma
-Legame con diversi TF (PIF3, HY5, COP1) nel nucleo
Ser-rich
N-Ter Extension
NTE
Fosforilata
in Pr e Pfr in vivo
Fosforilata
in Pfr in vivo
Localizzazione del fitocromo
•Citoplasmica:
-“Phy sono molecole solubili, citoplasmatiche…”
-Esperimenti
di
microiniezioni
con
a/antagonisti
2°messaggeri noti
-Localizzazione immunocitochimica
•Nucleare:
-Analisi istologica di proteine chimeriche PhY-GFP, PhyGUS, biologicamente attive (complementazione di mutanti
phy)
-Legame di PhyB/PhyA con TF luce-regolati (PIF3)
di
Red light
B
B
B
B*
B
Pr
B
B
Pfr
B*
35S:PhyB::GFP
*
B
630X
B*
Activated 35S:PhyB::GFP
PhyB-GFP localization in seeds
WT phyB::GFP
B* B*