Stimuli and a Stationary Life Plants receive signals

  • Slides: 71
Download presentation

 צמחים הם נייחים ועליהם להתמודד עם סביבתם המשתנה במקומם Stimuli and a Stationary

צמחים הם נייחים ועליהם להתמודד עם סביבתם המשתנה במקומם Stimuli and a Stationary Life • Plants receive signals from the environment and respond by altering growth and development

 תגובת תפוח האדמה לאור הינה דוגמה אטיולציה - לתהליך בו מעבר אותות בו

תגובת תפוח האדמה לאור הינה דוגמה אטיולציה - לתהליך בו מעבר אותות בו האור משרה דה 1 - A potato left growing in darkness produces shoots that look unhealthy, and it lacks elongated roots These are morphological adaptations for growing in darkness, collectively called etiolation 2 - After exposure to light, a potato undergoes changes called de-etiolation, in which shoots and roots grow normally • A potato’s response to light is an example of cell signal processing • How do plants respond to a signal?

 תהליך מעבר אותות < תגובה - < מעבר - קבלה Figure 39. 3

תהליך מעבר אותות < תגובה - < מעבר - קבלה Figure 39. 3 CELL WALL 1 Reception Receptor CYTOPLASM 2 Transduction 3 Response Relay proteins and Activation of cellular responses second messengers Hormone or environmental stimulus Plasma membrane

1 Reception CYTOPLASM Plasma membrane Figure 39. 4 -1 Phytochrome activated by light Cell

1 Reception CYTOPLASM Plasma membrane Figure 39. 4 -1 Phytochrome activated by light Cell wall Light Internal and external signals are detected by receptors, proteins that change in response to specific stimuli

1 Reception Transduction 2 CYTOPLASM Plasma membrane Figure 39. 4 -2 c. GMP Second

1 Reception Transduction 2 CYTOPLASM Plasma membrane Figure 39. 4 -2 c. GMP Second messenger produced Phytochrome activated by light Cell wall Protein kinase 1 Protein kinase 2 Light Ca 2+ channel opened Ca 2+ Second messengers transfer and amplify signals from receptors to proteins that cause responses

1 Reception 3 Transduction 2 Transcription factor 1 NUCLEUS CYTOPLASM Figure 39. 4 -3

1 Reception 3 Transduction 2 Transcription factor 1 NUCLEUS CYTOPLASM Figure 39. 4 -3 Plasma membrane c. GMP Second messenger produced Phytochrome activated by light Response Protein kinase 1 P Transcription factor 2 P Cell wall Protein kinase 2 Transcription Light Translation Ca 2+ channel opened Ca 2+ De-etiolation (greening) response proteins

 פקטורי שעתוק יכולים להשרות הפעלה או עיקוב של ביטוי גנטי Transcriptional Regulation בקרת

פקטורי שעתוק יכולים להשרות הפעלה או עיקוב של ביטוי גנטי Transcriptional Regulation בקרת שעתוק • Specific transcription factors bind directly to specific regions of DNA and control transcription of genes • Some transcription factors are activators that increase the transcription of specific genes • Other transcription factors are repressors that decrease the transcription of specific genes

 במקרים מסוימים חלק מהבקרה נעשה על ידי שינויים ברמת החלבון Post-Translational Modification of

במקרים מסוימים חלק מהבקרה נעשה על ידי שינויים ברמת החלבון Post-Translational Modification of Preexisting Proteins • Post-translational modification involves modification of existing proteins in the signal response • Modification often involves the phosphorylation of specific amino acids • Protein phosphatases “switch off” the signal transduction pathways by dephosphorylating proteins

 הורמונים צמחיים מתווכים אותת מהסביבה Plant hormones mediate environmental signals

הורמונים צמחיים מתווכים אותת מהסביבה Plant hormones mediate environmental signals

 התפתחות ותגובה לסביבה , מבקרים גדילה - הורמונים צמחיים Concept 39. 2: Plant

התפתחות ותגובה לסביבה , מבקרים גדילה - הורמונים צמחיים Concept 39. 2: Plant hormones help coordinate: growth, development, and responses to stimuli • Plant hormones are chemical signals that modify or control one or more specific physiological processes within a plant • Plant hormones are produced in very low concentrations, but can have profound effects on growth and development

 זמן ומקום פעולתם - פעולתם של הורמונים מוכתבת על ידי כמות • Each

זמן ומקום פעולתם - פעולתם של הורמונים מוכתבת על ידי כמות • Each hormone has multiple effects, but multiple hormones can influence a single process • Plant responses depend on amount and concentration of specific hormones and often on the combination of hormones present B הורמון A הורמון 2 תהליך 1 תהליך

A Survey of Plant Hormones The major plant hormones include העיקרים הצמחים • ההורמונים

A Survey of Plant Hormones The major plant hormones include העיקרים הצמחים • ההורמונים • Auxin • Cytokinins • Gibberellins (GA) • Abscisic acid • Ethylene • Brassinosteroids • Jasmonates • Strigolactones

 תגובה של אורגניזם לגירוי חיצוני , נהיה , Tropism- טרופיזם Shaded side Control

תגובה של אורגניזם לגירוי חיצוני , נהיה , Tropism- טרופיזם Shaded side Control Light Figure 39. 5 a Illuminated side In the late 1800 s, Charles Darwin and his son Francis conducted experiments on phototropism, a plant’s response to light Any response resulting in curvature of organs toward or away from a stimulus is called a tropism

Video: Phototropism

Video: Phototropism

 קצה נבט החיטה מתכופף אל האור רק אם הקצה נוכח Darwin and Darwin

קצה נבט החיטה מתכופף אל האור רק אם הקצה נוכח Darwin and Darwin They observed that a grass seedling could bend toward light only if the tip of the coleoptile was present Light Figure 39. 5 b Tip removed Opaque cap Transparent cap Opaque shield over curvature They postulated that a signal was transmitted from the tip to the elongating region

? כיצד מועבר אות האור בצמח In 1913, Peter Boysen-Jensen demonstrated that the signal

? כיצד מועבר אות האור בצמח In 1913, Peter Boysen-Jensen demonstrated that the signal was a mobile chemical substance Light Figure 39. 5 c Boysen-Jensen Gelatin (permeable) Mica (impermeable)

AUXIN אוקסין • Indole Acetic Acid (IAA) is the common auxin in plants; in

AUXIN אוקסין • Indole Acetic Acid (IAA) is the common auxin in plants; in this lecture the term auxin refers specifically to IAA • Auxin is primarily produced in shoot tips and is transported down the stem • Auxin transporter proteins move the hormone from the basal end of one cell into the apical end of the neighboring cell

 ממוקמים בחלקו התחתון של התא PIN – חלבוני ה Cell 1 100 µm

ממוקמים בחלקו התחתון של התא PIN – חלבוני ה Cell 1 100 µm Cell 2 Epidermis Cortex Phloem Xylem Pith Figure 39. 6 25 µm Basal end of cell

4 Cell wall-loosening enzymes cleave cross-linking polysaccharides. CELL WALL 3 Low p. H activates

4 Cell wall-loosening enzymes cleave cross-linking polysaccharides. CELL WALL 3 Low p. H activates expansins. H+ 2 Acidity increases. H+ H+ H+ 1 Proton pump activity increases. H+ ATP Figure 39. 7 a H+ H+ H+ Plasma membrane H+ CYTOPLASM

 התרככות הדופן מאפשרת התארכות H 2 O Figure 39. 7 b Plasma membrane

התרככות הדופן מאפשרת התארכות H 2 O Figure 39. 7 b Plasma membrane Nucleus Cell wall Cytoplasm Vacuole 5 Sliding cellulose microfibrils allow cell to elongate.

 לסיכום חלק זה מעבר פולרי של אוקסין לוקח חלק בתהליך התארכות התא •

לסיכום חלק זה מעבר פולרי של אוקסין לוקח חלק בתהליך התארכות התא • The Role of Auxin in Cell Elongation • According to the acid growth hypothesis, auxin stimulates proton pumps in the plasma membrane • The proton pumps lower the p. H in the cell wall, activating expansins, enzymes that loosen the wall’s fabric With the cellulose loosened, the cell can elongate

 תהליכים המבוקרים על ידי אוקסין • Practical Uses for Auxins • Auxin stimulates

תהליכים המבוקרים על ידי אוקסין • Practical Uses for Auxins • Auxin stimulates adventitious roots and is used in vegetative propagation of plants by cuttings • An overdose of synthetic auxins can kill plants • For example 2, 4 -D is used as an herbicide on eudicots

Cytokinins- ציטוקינין • Cytokinins are so named because they stimulate cytokinesis (cell division)

Cytokinins- ציטוקינין • Cytokinins are so named because they stimulate cytokinesis (cell division)

 ציטוקינין מבקר חלוקה ודיפרנציאציה • Control of Cell Division and Differentiation • Cytokinins

ציטוקינין מבקר חלוקה ודיפרנציאציה • Control of Cell Division and Differentiation • Cytokinins are produced in actively growing tissues such as roots, embryos, and fruits • Cytokinins work together with auxin to control cell division and differentiation

Gibberellins( GA ) חומצה גיברילית = ג'יברלין • Gibberellins have a variety of effects,

Gibberellins( GA ) חומצה גיברילית = ג'יברלין • Gibberellins have a variety of effects, such as stem elongation, fruit growth, and seed germination

GA מתפקידיו של ההורמון ג'יברלין • Stem Elongation התארכות הגבעול • Gibberellins are produced

GA מתפקידיו של ההורמון ג'יברלין • Stem Elongation התארכות הגבעול • Gibberellins are produced in young roots and leaves • Gibberellins stimulate growth of leaves and stems • In stems, they stimulate cell elongation and cell division

 מאפשר בצמחים מסוימים התפתחות פרי ללא זרעים GA מתן . תקין זרע התפתחות

מאפשר בצמחים מסוימים התפתחות פרי ללא זרעים GA מתן . תקין זרע התפתחות ללא , מלאכותי או טבעי באופן פרי של ייצור תהליך הוא – פרתנוקרפים פירות יצירת • In many plants, both auxin and gibberellins must be present for fruit to develop • Gibberellins are used in spraying of Thompson seedless grapes (b) Grapes from control vine (left) and gibberellintreated vine (right)

 ג'יברלין מעורב בתהליך הנביטה -GA עמילאז מפרק את שרשרת העמילן -α- והפעלת אנזים

ג'יברלין מעורב בתהליך הנביטה -GA עמילאז מפרק את שרשרת העמילן -α- והפעלת אנזים Germination After water is imbibed, release of gibberellins from the embryo signals seeds to germinate Aleurone Endosperm 1 2 α-amylase GA GA Water Scutellum (cotyledon) Figure 39. 10 3 Radicle Sugar

GA תהליך מעבר האותות המושרה על ידי ג'יברלין CELL WALL 1 Reception Receptor CYTOPLASM

GA תהליך מעבר האותות המושרה על ידי ג'יברלין CELL WALL 1 Reception Receptor CYTOPLASM 2 Transduction 3 Response Relay proteins and Activation of cellular responses second messengers Hormone or environmental stimulus Figure 39. 3 Plasma membrane

Abscisic Acid ( Ab. A ) - חומצה אבסיסית • ABA was originally believed

Abscisic Acid ( Ab. A ) - חומצה אבסיסית • ABA was originally believed to be involved in abscission הזדקנות וניתוק עלה • Abscisic acid (ABA) slows growth • Two of the many effects of ABA • Drought tolerance • Seed dormancy

 בעמידות ליובש – בקרת סגירת פיוניות ABA תפקידו של • Drought Tolerance •

בעמידות ליובש – בקרת סגירת פיוניות ABA תפקידו של • Drought Tolerance • ABA is the primary internal signal that enables plants to withstand drought • ABA accumulation causes stomata to close rapidly

ABA דוגמאות לתהליכים מרכזים בהם מעורב • Seed Dormancy- תרדמת זרעים • Seed dormancy

ABA דוגמאות לתהליכים מרכזים בהם מעורב • Seed Dormancy- תרדמת זרעים • Seed dormancy ensures that the seed will germinate נביטה מעקב ABA only in optimal conditions ABA בחישת הפגוע מוטנט גבוהות ABA ברמות גם נובט • In some seeds, dormancy is broken when ABA is removed by heavy rain, light, or prolonged cold • Precocious (early) germination can be caused by inactive or low levels of ABA( Vivipary= )וויפריה

- בנק הזרעים יישום של מנגנוני השהיה 1. Different strategies of Germination 2. Seed

- בנק הזרעים יישום של מנגנוני השהיה 1. Different strategies of Germination 2. Seed Bank- Mechanisms allowing germination of seeds (originated from the same plant) to germinate at different seasons.

Ethylene- אתילן • Plants produce ethylene in response to stresses such as drought, flooding,

Ethylene- אתילן • Plants produce ethylene in response to stresses such as drought, flooding, mechanical pressure, injury, and infection • The effects of ethylene include response to: • mechanical stress • senescence הזדקנות מבוקרת • leaf abscission ניתוק עלה • fruit ripening הבשלת פרי

The Triple Response to Mechanical Stress אתילן משרה תגובה משולשת • Ethylene induces the

The Triple Response to Mechanical Stress אתילן משרה תגובה משולשת • Ethylene induces the triple response, which allows a growing shoot to avoid obstacles • The triple response consists of: • 1 - a slowing of stem elongation, • 2 - a thickening of the stem, and • 3 - horizontal growth High Ethylene concentration Low Ethylene concentration

 מסלול העברת האותות בתגובה להורמון CELL WALL 1 Reception Receptor CYTOPLASM 2 Transduction

מסלול העברת האותות בתגובה להורמון CELL WALL 1 Reception Receptor CYTOPLASM 2 Transduction 3 Response Relay proteins and Activation of cellular responses second messengers Hormone or environmental stimulus Figure 39. 3 Plasma membrane

 מוטנט שאינו רגיש לאתילן - ברור מנגנון התגובה לאתילן בגישה גנטית ein 2

מוטנט שאינו רגיש לאתילן - ברור מנגנון התגובה לאתילן בגישה גנטית ein 2 mutant Ethylene-insensitive( ein) mutants fail to undergo the triple response after exposure to ethylene Figure 39. 13 a (a) ein 2 mutant

 מוטנט בו מופעלת התגובה לאתילן ללא אתילן ctr 1 mutant constitutive triple response

מוטנט בו מופעלת התגובה לאתילן ללא אתילן ctr 1 mutant constitutive triple response (ctr) mutants undergo the triple response in air but do not respond to inhibitors of ethylene synthesis Figure 39. 13 b (b) ctr 1 mutant

Senescence - מעורבותו של אתילן בהזדקנות • Senescence is the programmed death of cells

Senescence - מעורבותו של אתילן בהזדקנות • Senescence is the programmed death of cells or organs • A burst of ethylene is associated with apoptosis, the programmed destruction of cells, organs, or whole plants

 שלכת / מעורבותו של אתילן בניתוק עלה Leaf Abscission A change in the

שלכת / מעורבותו של אתילן בניתוק עלה Leaf Abscission A change in the balance of auxin and ethylene controls leaf abscission, the process that occurs in autumn when a leaf falls 0. 5 mm Figure 39. 14 Protective layer Stem Abscission layer Petiole

 השפעתו של אתילן על הבשלת פירות • Fruit Ripening • A burst of

השפעתו של אתילן על הבשלת פירות • Fruit Ripening • A burst of ethylene production in a fruit triggers the ripening process • Ethylene triggers ripening, and ripening triggers release of more ethylene • Fruit producers can control ripening by picking green fruit and controlling ethylene levels

 ברסינוסטרואידים More Recently Discovered Plant Hormones • Brassinosteroids are chemically similar to the

ברסינוסטרואידים More Recently Discovered Plant Hormones • Brassinosteroids are chemically similar to the sex hormones of animals • They induce cell elongation and division in stem segments • They slow leaf abscission and promote xylem differentiation

Jasmonates ( גסמונט ) מתיל גסמונט מעורב בתהליכי הגנה והתפתחות • Jasmonates, including jasmonate

Jasmonates ( גסמונט ) מתיל גסמונט מעורב בתהליכי הגנה והתפתחות • Jasmonates, including jasmonate (JA) and methyl jasmonate (Me. JA) play important roles in plant defense and development • They are produced in response to wounding and involved in controlling plant defenses

Jasmonates ( מתפקידיו של גסמונט ) מתיל גסמונט • Jasmonates also regulate many other

Jasmonates ( מתפקידיו של גסמונט ) מתיל גסמונט • Jasmonates also regulate many other physiological processes, including: • • • Nectar secretion Fruit ripening Pollen production Flowering time Seed germination Root growth Tuber formation Mycorrhizal symbiosis Tendril coiling

 סטירגולקטונים • Strigolactones are xylem-mobile chemicals that • • Stimulate seed germination Suppress

סטירגולקטונים • Strigolactones are xylem-mobile chemicals that • • Stimulate seed germination Suppress adventitious root formation Help establish mycorrhizal associations Help control apical dominance • Strigolactones are named for parasitic Striga עלקת plants • Striga seeds germinate when host plants exude strigolactones through their roots STRIGA עלקת

Figure 39. UN 03 Plant Hormone Major Responses Auxin Stimulates cell elongation; regulates branching

Figure 39. UN 03 Plant Hormone Major Responses Auxin Stimulates cell elongation; regulates branching and organ bending Cytokinins Stimulate plant cell division; promote later bud growth; slow organ death Gibberellins Promote stem elongation; help seeds break dormancy and use stored reserves Abscisic acid Promotes stomatal closure in response to drought; promotes seed dormancy Ethylene Mediates fruit ripening and the triple response Brassinosteroids Chemically similar to the sex hormones of animals; induce cell elongation and division Jasmonates Mediate plant defenses against insect herbivores; regulate a wide range of physiological processes Strigolactones Regulate apical dominance, seed germination, and mycorrhizal associations