CitochinineRegolatori della divisione cellulare

Molte cellule vegetali sono totipotenti

- Dopo coltura in vitro, molte cellule possono dare luogo a piante intere (es. cellule di guardia)- In seguito a ferita le cellule possono ricominciare a dividersi

Infection with Agrobacterium tumefaciens at the wound site causes tumor-forming disease crown-gall (unorganized mass of tumor-like tissue) → natural evidence of the mitotic potential of mature plant cells

Haberlandt 1913: vascular tissue contains a water-soluble substance that will stimulate division of wounded potato tuber tissue → discovery of cytokinins in 1950s

Tomato stem

Scoperta, identificazione e proprietà

KinetinA breakdown product of DNA

Philip White: nutrient medium, supplemented with auxin and 10-20% coconut milk supports cell division of mature, differentiated cells from a variety of tissues and species, leading to formation of callus tissue.

↓Coconut milk contains substance/s that stimulate/s mature cells to enter and remain in cell division cycle.

Coconut milk was shown to contain the cytokinin zeatin.

The very first cytokinin discovered was the synthetic analog kinetin.

La Zeatina è la citochinina naturale più abbondante

Extracts of immature endosperm of corn (Zea mays) contain a substance with the same biological effect as kinetin.

This substance stimulates mature plant cells to divide when added to culture medium along with auxin.

Letham (1973) isolated that substance, called zeatin.

Kinetin

Alcuni batteri patogeni, insetti e nematodi producono citochinine libere

L’infezione di tessuti vegetali da parte di questi organismi induce il tessuto a dividersi e in alcuni casi a formare strutture speciali (galle di insetti che sono usate come “feeding sites” e protezione)

Scopa della mstrega sull’abete causata da Corynebacterium fascians;Le gemme laterali (normalmente dormienti) sono stimolate a crescere dalla citochinina prodotta dal batterio

T-DNA of Agrobacterium tumefaciens encodes an enzyme of cytokinin biosynthesis. PNAS (1984) 81:5994-5998

Tumore su una foglia di oleandro

Tumore su un fusto di Paullonia

Tumori vari

Insetti (es. afidi)

http://www.epress.com/w3jbio/vol2/mcdermott/mcdermott.html

Nipple gall

Biosintesi, trasporto e metabolismo

Transport of cytokinins from roots to shoot via xylem.

Cytokinins are rapidly metabolized by cytokinin oxidase, thereby inactivating cytokinins.

Root apical meristem = major site of free cytokinins in whole plant.

(isopentenyladenine)

Importanza delle citochinine nello sviluppo

The shoot and root growth of triple mutants was very slow, and leaf numbers were decreased and the plant occasionally produced an inflorescence stem with abnormal and nonfunctional flowers, but did not produce seeds.

Le radici del mutante triplo crescono per pochi giorni e poi si fermano

Il mutante risulta insensibile alle citochinine

Mutante di Arabidopsis che manca di tutti i recettori per lo citochinine

Phenotype of the triple mutant grown with or without t-zeatin.

Higuchi M et al. (2004) PNAS 101:8821-8826

Thirteen-day-old triple mutant cre1–12 ahk3–3 ahk2–2

Thirteen-day-old WT seedlings (Col)

1,000 ng/ml t-zeatin100 ng/ml

Ruolo biologico delle citochinine

Tabacco che sovraesprime il gene catabolico (citochinina ossidasi)

→ riduzione nei livelli di citochinina endogenous→ inibizione della crescita del fusto dovuta a una ridotta velocità di proliferazione nel SAM

WT AtCKX1 = Arabidopsis cytokinin oxidase

AtCKX1-OX

Le citochinine regulano la divisione cellulare in vivo

Citochinina richiesta per la normale crescita del SAM

SAM del tabacco wt SAM del tabacco transgenicosovraepressione di AtCKX1 → carenza di citochinina → SAM di dimensioni ridotte

Citochinina: riduce la crescita delle radici

WT tobacco

AtCKX1-OXCytokinin-deficient

Citochinina deprime le dimensioni e la divisione cellulare a livello delle radici.

Citochinine hanno ruuoli opposti nel regolare la proliferazione cellulare nel RAM (Root Apical Meristem) e nel SAM.

Il rapporto auxina:citochinina regola la morfogenesi dei tessuti in coltura

High auxin:cytokinin ratio: root Low auxin/cytokinin ratio: shoot

Intermediate auxin/cytokinin ratio: callus

Nutrientagar

CallusRoots

Shoots No growth

AuxinKinetin

Plant tissue

Ratio: 15 150 0.003

Citochinina rallenta la senescenza fogliare

Senescenza = invecchiamento programmato porta alla morte del tessuto

La senescenza fogliare è ritardata in tabacco transgenico contenente alti livelli di citochinine.

Ormoni e fotomorfogenesi

Gli ormoni vegetali hanno un effetto sulla crescita e sulla morfogenesi

Questo effetto è modulato dalla presenza della luce

I recettori (PHY, CRY, PHOT) interagiscono con le vie degli ormoni e ne modulano l’attività

esempi: citochinine, brassinosteroidi, (già menzionati etilene, auxina, GA) ...

Ormoni e fotomorfogenesi: citochinine

Buio Buio + citochinine

Citochinine producono una fenocopia del mutante det: aumentano la de-eziolatura di piante cresciute al buio

I plastidi si sviluppano parzialmente

Brassinosteroidi(un ormone della crescita)

Brassinosteroids

Brassinolide

I and II indicate regions of variations.

Scoperta dei BrassinosteroidiScoperti come agenti stimolanti la crescita e presenti nel polline della colza Mitchell 1970 chiama queste sostanze Brassine

Occur in Brassicaceae (mustards, cauliflowers, cabbages, turnips, Arabidopsis)

Stimolano la crescita anche di internodi

Brassine inducono l’allungamento di steli in fagiolo: Mandava 1988

Bean second internode bioassay

Untreatedcontrol

Non è stato riconosciuto come un ormone fino alla metà degli anni 90

Fenotipi dei mutanti di Arabidopsis

WT det2det2

bri1 hom

bri1 het

cpd hom

cpd het

det2 (adult)WT (adult) det2

WT

bri1 – brassinosteroid insensitive 1cpd – constitutive photomorphogenic and dwarfism det2 – de-etiolated2BRI – brassinosteroid receptor

Il mutante det2 è nano

CPD e DET2 sono enzimi della via biosintetica

det2wt

Brassinolide e gli intermedi della via biosintetica ristorano la normale crescita del mutante cpd

— no sterioidCL, campesterolCT, cathasteroneTE, teasteroneDT, 3-dehydroteasteroneTY, typhasterolCS, castasteroneBL, brassinolide

Via biosintetica semplificata del BL

Single reactionsMultiple reactions

Isolamento di un recettore dei brassinosteroidi

He et al. 2000 Perception of brassinosteroids by the extracellular domain of the receptor kinase BRI1, Science: 288, 2360 2000

Li and Chory (1997) A putative leucine rich repeat receptor kinase involved in brassinosteriod signal transduction. Cell 5: 929

- In animals, there are RTKs (receptor tyrosine kinases) to perceive steroids- In plants, there are always serine- threonine kinases and they are called RLKs (receptor-like kinases).- Steroids perceived at membrane

BIN locus renamed BRIDark

Light

2 month light

BRI1 is an LRR serine/threonine kinase

TM – transmembrane domain

Some experiments that show BRI1 is the receptor

Plant receptor-like kinases

LRR = Leucine-rich repeat

From Shiu and Bleecker 2001 PNAS 98: 10763

The Domain structure of the BRI1 receptor

A Model of BR Signaling

(1) (2)

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Brassinosteroids-mediated physiological responses

Inibiscono:crescita delle radici (ma in alcuni casi la promuovono)

abscissione fogliare

Stimolano:Allungamento di cellule e steli e la divisione promuovono la

crescita

Srotolamento e curvature nelle erbacee

produzione di etilene

germinazione dei semi e fotomorfogenesi

differenziamento dello xilema

Crescita del tubetto pollinico

• http://plantphys.info/plant_physiology/cytokinin.shtml