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*