A gibberellinek diterpén természetű fitohormonok csoportja , amelyek különféle funkciókat látnak el a növényekben a hipokotil megnyúlásának , a magok csírázásának, virágzásának stb. szabályozásával kapcsolatban. A legtöbb morfogenetikai folyamat szabályozásában a gibberellinek az auxinokkal azonos irányban hatnak, és antagonisták . citokininek és abszcizinsav ( ABA ).
A leggyakoribb aktív gibberellinek a GA1, GA3, GA4 és GA7 (a gibberellinsavból), míg a GA5 és GA6 kevésbé aktívak, de ennek ellenére kulcsszerepet játszanak a gibberellin-függő virágzás indukciójában egyszikűekben. Más gibberellinek között a legtöbb prekurzor az aktív gibberellinek bioszintézisében vagy inaktiválási termékei.
Az auxinokkal ellentétben az anyagnak a gibberellinek csoportjába való besorolásának kritériuma inkább egy bizonyos kémiai szerkezetnek való megfelelés, mint a biológiai aktivitás jelenléte. Növényekben, gombákban és baktériumokban 136 különböző, hasonló szerkezetű anyagot találtak, amelyek a gibberellinek csoportjába tartoznak. Így a gibberellinek a fitohormonok legkiterjedtebb osztálya. A gibberellinek az ent-gibberellán származékai és diterpenoidok, azonban az ent - kaurene bioszintézis prekurzorként szolgál. A gibberellinek tetra- vagy pentaciklusos szerkezetűek lehetnek (egy további öttagú laktongyűrű ), és 20 ( 20 szénatomos gibberellinek, például HA 12 ) vagy 19 ( 19 szénatomos gibberellinek) szénatomot tartalmazhatnak. A legtöbb gibberellin sav, ezért a GK (gibberellinsav) elnevezést a nyitási sorrendet jelző indexszel alkalmazzák, például GK 1 , GK 3 . Az index semmilyen módon nem tükrözi a kémiai szerkezet vagy a metabolikus útvonalakban elfoglalt helyzet közelségét. A gibberellinek sokfélesége ellenére számos vegyület (GK 4 , GK 1 , GK 7 , GK 3 ) jelentős biológiai aktivitással rendelkezik, a többi bioszintézis prekurzor vagy inaktív forma. Kísérleti munkában a GK 3 - at használják leggyakrabban . A gibberellinek instabilak, és savas vagy lúgos környezetben gyorsan elpusztulnak.
A gibberellineket E. Kurosawa ( 1926 ) japán tudós fedezte fel, miközben a Gibberella fujikuroi Sow gomba által okozott rizsbetegséget (túlzott növekedést) tanulmányozta, amely a rizstermést érinti, és egy specifikus betegséget okoz, amelyben a növények abnormálisan megnyúltak a csomópontjai és alacsony a magtermelés. 1935- ben T. Yabuta japán tudós gibberellineket izolált ebből a gombából kristályos formában, és megadta nekik a jelenlegi nevüket.
A magasabb rendű növényekben a gyorsan növekvő szövetek a leggazdagabbak gibberellinekben; éretlen magvakban és gyümölcsökben, palántákban, fejlődő sziklevelekben és levelekben találhatók meg .
A növényben a gibberellinek szintézisének fő helye a levélprimordia és a fiatal levelek. A gibberellinek bioszintézisének három fő lépése van:
Az Arabidopsisban és a rizsben a gibberellin bioszintézis első szakaszait katalizáló enzimek mindegyikét egy vagy két gén kódolja: például az Arabidopsis genomja egy-egy gént tartalmaz, amely a CPS, KS és KO enzimeket kódolja. Ezeknek a géneknek a funkciójának elvesztése a ga1, ga2 és ga3 mutánsokban a gibberellinek szintjének súlyos csökkenéséhez és a gibberellinek hiányában szenvedő mutánsokra jellemző fenotípus kialakulásához vezet - ezek alacsony termékenységű törpék; exogén gibberellinek hozzáadása nélkül magjaik csírázása alacsony, és a felnőtt növények nem alkotnak kocsányt. Ugyanakkor a gibberellin bioszintézis utolsó szakaszában ható 2ODD enzimeket nagy multigéncsaládok kódolják, amelyek tagjai szövet- és szervspecifikus expressziós mintázattal rendelkeznek, és a külső körülményektől és az ontogenezis stádiumától függően eltérően szabályozzák őket. Azoknak a mutációknak a fenotípusos expressziója gyengébb, amelyekben ezen gének bármelyikének funkciója elveszett.
A gibberellinek inaktiválásának fő módja a 2β-hidroxiláció GA-2-oxidázok által; epoxidáció a citokróm P450 monooxigenázok EUI csoportjába tartozó enzimmel (elongated Uppermost Internode, a megfelelő gén funkcióvesztésével járó mutáns fenotípusáról nevezték el) és metilezés S-adenozil-metionint használva metilcsoport-donorként - ez a reakció A GAMT1 és GAMT2 (GA metil-transzferáz) enzimek katalizálják. Úgy tűnik, mindezek az inaktivációs útvonalak egyformán fontosak a növényben lévő aktív gibberellinek készletének szabályozásában, mivel a felsorolt gének bármelyikének funkcióvesztése az eui, gamt1 és gamt2 mutánsokban, valamint a koszuppresszióval rendelkező transzgenikus növényekben. A GA2ox gének közül az aktív gibberellinek koncentrációjának megtízszeresedéséhez vezet. Ezenkívül a gibberellinek inaktiválására van egy kevéssé tanulmányozott út glükózzal, GA-glükozil-észterekkel konjugátumok képzésén keresztül.
A bioszintézis utolsó lépése, az aktív gibberellinek szintézise a GA12-ből, kulcsszerepet játszik az aktív gibberellinek szintjének szabályozásában a növényben. Valójában a GA20ox gén expressziós szintjének növekedése transzgénikus Arabidopsis növényekben a gibberellinek szintjének meredek növekedését okozza a szövetekben és súlyos fenotípusos változásokat, míg az AtCPS gén túlzott expressziója csak az ent-kauren felhalmozódásához vezet. -kaurensav és GA12. Ebben a tekintetben az aktív gibberellinek növényi szövetekben való koncentrációjának szabályozásának fő módja a 2ODD családba tartozó enzimeket kódoló gének expressziójának szabályozása, amelyek különböző képviselői katalizálják a gibberellinek aktiválási reakcióit (GA1, GA3, GA4 és GA7 szintézise GA12, amelyet a GA-3 és GA -20-oxidázok katalizálnak, valamint ezek inaktivációs reakciói (a GA1, GA3, GA4 és GA7 2β-hidroxilezése, amelyet GA-2-oxidázok katalizálnak). Jelenleg a 2ODD gének expressziós szintjének szabályozásának genetikai mechanizmusait vizsgálják különböző növényi szervekben, valamint bizonyos környezeti tényezők függvényében.
végtermék szabályozás . A gibberellinek homeosztázisának fenntartásában fontos szerepet játszik bioszintézisük végtermék általi szabályozása. Például Arabidopsisban az aktív gibberellinek koncentrációjának növekedése az AtGA20ox és AtGA3ox gének transzkripcióját okozza, míg koncentrációjuk csökkenése növeli ugyanazon gének expressziós szintjét. Másrészt az aktív gibberellinek pozitívan szabályozzák az inaktiválásukban részt vevő AtGA2ox gének expressziós szintjét. A fenti gének expressziójának az aktív gibberellinek koncentrációjától függő szabályozásának pontos mechanizmusai nem ismertek, de kimutatták, hogy ebben a folyamatban a gibberellin jelátviteli útvonalának komponensei vesznek részt: a GID1 receptor, a gibberellin jelátviteli represszorok DELLA fehérjék, F-box tartalmú protein SLY /GID2.
más hormonok általi szabályozás. A növények fejlődésének szabályozásában a gibberellinek a citokininek, az etilén és az ABA antagonistái, és az auxinokkal azonos irányban hatnak. A fitohormonok egyes csoportjai esetében megállapították, hogy képesek az aktív gibberellinek koncentrációjának szabályozására a 2ODD génexpresszió szabályozásán keresztül. Például az auxinek, amelyek a gibberellinekhez hasonló funkciókat látnak el, szabályozhatják az aktív gibberellinek koncentrációját azáltal, hogy pozitívan szabályozzák a GA3ox gének expressziós szintjét, és negatívan szabályozzák a GA2ox gének expresszióját. Az aktív gibberellinek koncentrációjának auxinfüggő szabályozásában a főszerepet az NPH4/ARF7 transzkripciós faktor játssza, amely a 2ODD gének expresszióját szabályozza közvetlenül a promótereikhez kötődve. Az NPH4/ARF7 antagonista ebben a folyamatban az MSG2/IAA19 transzkripciós represszor.
A gibberellinek koncentrációjának szabályozása különböző növényi szervekben. A 2ODD gén expressziójának az aktív gibberellinek és más hormonok koncentrációjától függő szabályozása mellett léteznek olyan mechanizmusok is, amelyek szabályozzák expressziójukat különböző növényi szervekben; néhány közülük:
A gibberellinek hatására kialakuló jelátviteli útvonal négy fő összetevőből áll:
Gibberellinek hiányában a DELLA transzkripciós represszorai a gibberellin által szabályozott gének promótereihez kötődnek, a SPY/SEC glükózamin transzferázok pedig stabilizálják a DELLA fehérjéket. Amikor a gibberellin molekula a GID1 receptorhoz kötődik, kölcsönhatása a DELLA fehérjével és az SLY/GID2 fehérjét tartalmazó F-box-szal indukálódik. Ennek eredményeként a DELLA fehérje az SCF SLY/GID2 ubiquitin ligáz komplexéhez kapcsolódik , ami serkenti annak ubiquitin-függő proteolízisét. A GAMYB transzkripciós faktor csatlakozik a gibberellin által szabályozott gének promótereihez, ami kiváltja azok expresszióját.
A DELLA fehérjék a gibberellin válaszrepresszorok. A DELLA család transzkripciós represszorai voltak a gibberellin jelátviteli útvonal első összetevői, amelyeket felfedeztek. Azt találták, hogy a növények gibberellinekre adott válasza a DELLA fehérjék lebontásától függ, amelyek jel hiányában konstitutív módon kapcsolódnak a gibberellin által szabályozott gének promótereihez. A DELLA fehérjéket kódoló gének funkcióvesztésével rendelkező mutánsok fokozott érzékenységgel rendelkeznek a gibberellinek iránt; éppen ellenkezőleg, a funkciójukban megnövekedett mutánsok és a DELLA fehérje génjeit túltermelő transzgenikus növények törpék.
A DELLA fehérjék a GRAS családba tartozó fehérjék kis alcsaládja (GA1-ből, RGA-ból, SCARECROW-ból), amely magában foglalja a SCARECROW és SHORT-ROOT transzkripciós faktorokat is, amelyek részt vesznek a gyökér apikális merisztéma őssejtek fenntartásában és radiális szerkezetének kialakításában. . A DELLA fehérjemolekulák tartalmaznak egy GRAS DNS-kötő domént a C-terminálison, és egy DELLA-domént, amely egyedi az alcsalád számára az N-terminálison, amely szükséges a GID1 receptorral és az SLY1/GID2 fehérjét tartalmazó F-box-szal való kölcsönhatáshoz. A GRAS domén mutációi a DELLA fehérjék funkciójának elvesztéséhez vezetnek, és fokozzák a gibberellinre adott választ. Ugyanakkor a DELLA doménben lévő deletin a DELLA fehérjék felhalmozódásához és a gibberellin jelátvitel konstitutív elnyomásához vezet.
A GID1 fehérje a gibberellinek receptora . A GID1 receptor szekvenciáját és szerkezetét tekintve a hormonérzékeny lipázok családjába tartozik, de nincs enzimaktivitása. Az aktivált GID1 receptor kölcsönhatásba lép a DELLA fehérjékkel. Ennek eredményeként megváltozik a DELLA fehérje konformációja, ami lehetővé teszi az SCF ubiquitin ligáz komplex kulcsfontosságú komponensének, az F-box tartalmú SLY/GID2 fehérjének kötődését. Ez a kölcsönhatás stimulálja a DELLA fehérjék ubikvitinációját az SCF SLY/GID2 komplex által, majd a 26S proteaszóma által lebomlásukat, így elnyomva a gibberellinekre adott választ.
Az SCF -ben (Scp1-Cullin-F-box) található ubiquitin ligáz komplex komponensei négy különböző funkciójú fehérjét foglalnak magukban, az F-boxot tartalmazó fehérje felelős a célfehérjék hozzákapcsolásáért.
Gibberellin-függő transzkripciós faktorok GAMYB. A transzkripciós faktorok MYB családjába tartoznak, gibberellinek jelátvitelében hatnak a DELLA fehérjék után, és pozitívan szabályozzák a gibberellin-függő gének transzkripcióját. Ennek a csoportnak az első azonosított transzkripciós faktora a GAMYB1 árpa transzkripciós faktor volt, amely az endospermium aleuronrétegében hat, és pozitívan szabályozza az α-amiláz gének gibberellin-függő expresszióját. Ezt követően kiderült, hogy árpában, arabidopsisban és rizsben a GAMYB csoport transzkripciós faktorai is részt vesznek a virágzás és a virágszervek fejlődésének gibberellin-függő szabályozásában. Például az Arabidopsisban az egyik GAMYB fehérje, a GAMYB33 közvetlen célpontja a LEAFY virágszerv-azonosság gén; egy másik GAMYB fehérje, a GLABROUS1 aktiválása szükséges a gibberellin-függő trichome kialakulásához.
Egyéb ismert jelátviteli komponensek a gibberellinek . Az Arabidopsis gibberellin jelátvitelének negatív szabályozói közé tartoznak a SPY (SPINDLY) és SEC (SECRET AGENT) fehérjék, amelyek az N-acetil-glükózamin transzferázok családjába tartoznak. A megfelelő gének funkcióvesztésével járó mutációk a gibberellinekkel kezelt növények fenokópiáihoz vezetnek.
A SPY és SEC fehérjék feltételezett funkciója a DELLA fehérjék stabilizálása poszttranszlációs módosulásukon keresztül.
Gibberellin által szabályozott gének
Az Arabidopsis genomjában több mint 500 gibberellin által szabályozott gént találtak, amelyek felét közvetlenül a gibberellinek szabályozzák, a DELLA fehérjék lebontása és GAMYB transzkripciós faktorok hozzáadása révén. Ezek tartalmazzák:
A gibberellinek legismertebb funkciói közé tartozik a magok csírázásának szabályozása, a szárhosszúság növekedése, a virágzásba való átmenet és a virágszervek fejlesztése. Jelenleg ezeknek a funkcióknak a megvalósításának molekuláris mechanizmusait tanulmányozzák: mindegyik a DELLA fehérjék GID1 receptor által közvetített lebomlásával függ össze.
A magok érése a tápanyagok felhalmozódásával jár az embrióban és az endospermiumban. A csírázás során az endospermium tartalék makromolekuláit különféle hidrolitikus enzimek lizálják. Az endospermiumban lévő keményítő hidrolízisében a fő funkciót az α- és β-amilázok látják el: az α-amilázok a keményítőt oligoszacharidokká hidrolizálják, amelyeket aztán β-amilázok segítségével maltózzá alakítanak [1] .
Az α-amiláz gének voltak az első olyan gének, amelyeket a gibberellin-függő GAMYB transzkripciós faktor közvetlenül szabályozott. Így az embrió által kiválasztott gibberellinek beindítják az α-amiláz gének expresszióját az aleuronrétegben, ami az endospermium keményítőszemcsék líziséhez vezet, és tápanyagokkal látja el a fiatal palántát.
A növények gibberellinek kezelése serkenti az internodális sejtek szaporodását és növekedésüket. A mitózisok gyakoriságának gibberellintől függő növekedése leginkább a hajtás szubapikális régióiban mutatkozik meg a hosszú napok rozettanövényeiben a virágzásba való átmenet során, valamint a mélyvízben növekvő rizs interkaláris merisztémáiban. Ugyanakkor a hajtáscsúcs merisztémában a gibberellinek teljesen ellentétes funkciót látnak el: gátolják a proliferációt és serkentik a sejtdifferenciálódást, ami miatt a normál növényfejlődés szempontjából fontos a gibberellinek konstitutívan alacsony koncentrációjának fenntartása a SAM-ban. Így a gibberellinek ellentétes funkciókat tölthetnek be a különböző merisztémák fejlődésének szabályozásában.
Számos tanulmány szerint a virágzás szabályozásának négy fő módja van: a hosszú napos pálya, amely a virágzásba való átmenetért felelős a fényperiódus időtartamának növekedésével; autonóm út, amely szabályozza a virágzást hosszú és rövid napokon egyaránt; egy vernalizációs útvonal, amely rövid, alacsony hőmérsékletű időszak után virágzást vált ki; valamint a gibberellin-függő út, amely a legfontosabb a rövid napos körülmények között a virágzásba való átmenet szempontjából.
Mindezek az útvonalak kölcsönhatásba léphetnek egymással - például az Arabidopsis-ban, amely hosszú és rövid napokkal is virágzik. A virágzás szabályozására szolgáló gibberellin-függő útvonal gyengülése miatt az Arabidopsis gibberellin-hiányos ga-mutánsai rövid nappali körülmények között egyáltalán nem virágoznak, és hosszú nappalok esetén is késleltetett virágzást mutatnak.
A virágzás gibberellin-függő szabályozása a virágzási folyamatok integrációjában kulcsszerepet játszó gének expressziójának pozitív szabályozásán alapul: a homeotikus virággének expressziójának indukálója - a LEAFY (LFY) gén, a fő iniciátor. virágzás - a FLOWERING LOCUS T (FT) gén és célpontja - a CONSTANS 1 TÚLEXPRESSZIÓJÁNAK SZUPPRESSOR génje (SOC1).
Az LFY gén promoterében egy GAMYB-kötő szekvenciát találtak, amellyel a GAMYB33 transzkripciós faktor közvetlenül kölcsönhatásba lép. A GAMYB-kötő szekvencia mutációi lehetetlenné teszik az LFY expresszió szintjének növelését rövid nappali körülmények között. Ugyanakkor a gibberellin-hiányos ga-mutánsok LFY génnel történő transzformációja a konstitutív promóter alatt rövid napon belül kiváltja virágzásukat.
A hosszú napos növényekben a gibberellinek szerepe a virágzás szabályozásában kevésbé ismert. Ezeknél a növényeknél a fényperiódus időtartamának növekedése serkenti a szár hossznövekedését (ez különösen a rozettás növényeknél figyelhető meg), majd a virágzás beindítását követi. Ennek oka nyilvánvalóan a GA20ox gének expressziós szintjének fitokróm-függő növekedése, ami a szabad gibberellinek koncentrációjának növekedéséhez vezet a hajtásokban. Arabidopsis-ban kimutatták, hogy a gibberellinek koncentrációjának növekedése a levelekben az FT gén expressziójának növekedéséhez vezet, amely a florigen fehérjét kódolja, amely a levelekben szintetizálódik, és ezt követően a SAM-ba kerül. Sajnos a gibberellinek FT expresszióra gyakorolt hatásának molekuláris mechanizmusai még nem tisztázottak.
Tehát a gibberellinek funkciói a növények vegetatív fejlődésének (csírázás, szár növekedése) és generatív fejlődésének (virágzásba való átmenet) serkentéséhez kapcsolódnak. A gibberellinek az auxinokkal azonos irányban hatnak, és serkentik egymás bioszintézisét és jelátvitelét; emellett a jelátviteli vételi rendszereik is azonos terv szerint szerveződnek (a receptorok kölcsönhatásba lépnek az E3 ubiquitin ligáz komplexek komponenseivel, és transzkripciós represszorok proteolízisét indukálják). A citokininek és az ABA ezzel szemben a gibberellinek antagonistái.
A gibberellinek főként a Fusarium nemzetségbe tartozó gombák hulladéktermékeiből nyerik mikrobiológiai úton .
A gibberellinek a növénytermesztésben a kender- és lenrost hozamának növelésére, a mag nélküli szőlőfajtáknál a bogyók méretének növelésére, a gyógynövények hozamának növelésére, a magvak csírázásának serkentésére, az endogén gibberellinek tartalom növekedésére stb. A gibberellinek a növények zöldtömegének növekedésében éles gyorsulást okoznak, használatukat fokozott növényi táplálkozással kell kísérni.
A paradicsom, a cseresznye, az alma érésének felgyorsítása, valamint a gabonanövények megtelepedésének megakadályozása érdekében a növényeket késleltető anyagokkal kezelik, amelyek gátolják a gibberellinek hatását, például 2-klór-etil-foszfonsavval (etefon).