Gibberelliinit ovat ryhmä diterpeeniluonteisia fytohormoneja , jotka suorittavat kasveissa erilaisia tehtäviä, jotka liittyvät hypovarsien pidentymisen , siementen itämisen, kukinnan jne. säätelyyn. Useimpien morfogeneettisten prosessien säätelyssä gibberelliinit toimivat samaan suuntaan kuin auksiinit ja ovat antagonisteja . sytokiniinit ja abskisiinihappo ( ABA).
Yleisimmät aktiiviset gibberelliinit ovat GA1, GA3, GA4 ja GA7 (Gibberellihaposta), kun taas GA5 ja GA6 ovat vähemmän aktiivisia, mutta niillä on kuitenkin keskeinen rooli gibberelliiniriippuvaisen kukinnan induktiossa yksisirkkaisissa. Muiden gibberelliinien joukossa useimmat ovat aktiivisten gibberelliinien biosynteesin esiasteita tai niiden inaktivaatiotuotteita.
Toisin kuin auksiinit, kriteeri aineen liittämiselle gibberelliinien ryhmään on pikemminkin tietyn kemiallisen rakenteen vastaavuus kuin biologisen aktiivisuuden läsnäolo. Kasveista, sienistä ja bakteereista löydettiin 136 erilaista, rakenteeltaan samanlaista ainetta, jotka kuuluvat gibberelliinien ryhmään. Siten gibberelliinit ovat laajin kasvihormonien luokka. Gibberelliinit ovat ent-gibberellaanin johdannaisia ja diterpenoideja, mutta ent - kaureeni toimii biosynteesin esiasteena. Gibberelliineillä voi olla tetra- tai pentasyklinen rakenne (lisä viisijäseninen laktonirengas ) ja vastaavasti 20 ( C20 -gibberelliinit, esimerkiksi HA12 ) tai 19 ( C19 -gibberelliinit) hiiliatomia. Useimmat gibberelliineistä ovat happoja, ja siksi nimitys GK (gibberellihappo) on otettu käyttöön indeksillä, joka osoittaa avausjärjestyksen, esimerkiksi GK 1 , GK 3 . Indeksi ei millään tavalla kuvasta kemiallisen rakenteen tai aseman läheisyyttä aineenvaihduntareiteissä. Gibberelliinien monimuotoisuudesta huolimatta useilla yhdisteillä (GK 4 , GK 1 , GK 7 , GK 3 ) on merkittävää biologista aktiivisuutta, loput ovat biosynteesin esiasteita tai inaktiivisia muotoja. Kokeellisessa työssä GK 3 on yleisimmin käytetty . Gibberelliinit ovat epästabiileja ja tuhoutuvat nopeasti happamassa tai emäksisessä ympäristössä.
Gibberelliinit löysi japanilainen tiedemies E. Kurosawa ( 1926 ) tutkiessaan Gibberella fujikuroi Sow -sienen aiheuttamaa riisin tautia (liiallista kasvua) , joka vaikuttaa riisinsatoon ja aiheuttaa erityisen taudin, jossa kasveilla on epänormaalin pidentyneet nivelvälit ja alhainen siementuotanto. Vuonna 1935 japanilainen tiedemies T. Yabuta eristi tästä sienestä gibberelliinit kiteisessä muodossa ja antoi niille nykyisen nimensä.
Korkeammissa kasveissa nopeasti kasvavat kudokset ovat rikkaimpia gibberelliineistä; niitä löytyy kypsymättömistä siemenistä ja hedelmistä, taimista, kehittyvistä sirkkalehdistä ja lehdistä .
Gibberelliinien pääasiallinen synteesipaikka kasvessa on lehtien primordia ja nuoret lehdet. Gibberelliinien biosynteesissä on kolme päävaihetta:
Arabidopsiksessa ja riisissä jokaista gibberelliinin biosynteesin ensimmäisiä vaiheita katalysoivia entsyymejä koodaa yksi tai kaksi geeniä: esimerkiksi Arabidopsis-genomi sisältää yhden geenin, joka koodaa CPS-, KS- ja KO-entsyymejä. Näiden geenien toiminnan menettäminen ga1-, ga2- ja ga3-mutanteissa, vastaavasti, johtaa gibberelliinien tason vakavaan laskuun ja gibberelliinipuutteisille mutanteille tyypillisen fenotyypin kehittymiseen - nämä ovat kääpiöitä, joilla on alhainen hedelmällisyys; ilman eksogeenisten gibberelliinien lisäämistä niiden siemenillä on alhainen itävyys, eivätkä aikuiset kasvit muodosta kantaa. Samaan aikaan 2ODD-entsyymejä, jotka toimivat gibberelliinin biosynteesin viimeisessä vaiheessa, koodaavat suuret monigeeniperheet, joiden jäsenillä on kudos- ja elinspesifisiä ilmentymismalleja ja joita säädellään myös eri tavalla ulkoisista olosuhteista ja ontogeneesivaiheesta riippuen. Mutaatioilla, jotka menettävät minkä tahansa näistä geeneistä toiminnan, on heikompi fenotyyppinen ilmentyminen.
Pääasialliset tavat inaktivoida gibberelliinit ovat 2β-hydroksylaatio GA-2-oksidaaseilla; epoksidaatio entsyymillä, joka kuuluu sytokromi P450 mono-oksygenaasien ryhmään EUI (Elongated Uppermost Internode, nimetty mutantin fenotyypin mukaan, jossa vastaava geeni ei toimi) ja metylointi käyttämällä S-adenosyylimetioniinia metyyliryhmien luovuttajana - tämä reaktio GAMT1- ja GAMT2-entsyymit (GA-metyylitransferaasi) katalysoivat sitä. Ilmeisesti kaikki nämä inaktivaatioreitit ovat yhtä tärkeitä kasvien aktiivisten gibberelliinien poolin säätelyssä, koska minkä tahansa lueteltujen geenien toiminta menetetään eui-, gamt1- ja gamt2-mutanteissa sekä siirtogeenisissä kasveissa, joissa on kosuppressiota. GA2ox-geeneistä, johtaa aktiivisten gibberelliinien pitoisuuden kymmenkertaiseen nousuun. Lisäksi on olemassa huonosti tutkittu reitti gibberelliinien inaktivoimiseksi muodostamalla konjugaatteja glukoosin, GA-glukosyyliestereiden kanssa.
Biosynteesin viimeinen vaihe, aktiivisten gibberelliinien synteesi GA12:sta, on avainrooli aktiivisten gibberelliinien tason säätelyssä kasvissa. Itse asiassa GA20ox-geenin ilmentymistason nousu siirtogeenisissä Arabidopsis-kasveissa aiheuttaa jyrkän nousun gibberelliinien pitoisuudessa kudoksissa ja vakavia fenotyyppisiä muutoksia, kun taas AtCPS-geenin yli-ilmentyminen johtaa vain ent-kaureenin kertymiseen, ent. - kaureenihappo ja GA12. Tältä osin tärkein tapa säädellä aktiivisten gibberelliinien pitoisuutta kasvikudoksissa on säädellä 2ODD-perheen entsyymejä koodaavien geenien ilmentymistä, joiden useat edustajat katalysoivat gibberelliinin aktivaatioreaktioita (GA1-, GA3-, GA4- ja GA7-synteesi GA12, jota GA-3- ja GA-20-oksidaasit katalysoivat, sekä niiden inaktivointireaktiot (GA1:n, GA3:n, GA4:n ja GA7:n 2β-hydroksylaatio, jota GA-2-oksidaasit katalysoivat). Tällä hetkellä on tutkittu 2ODD-geenien ilmentymistason säätelyn geneettisiä mekanismeja eri kasvielimissä sekä tietyistä ympäristötekijöistä riippuen.
lopputuoteasetus . Tärkeä rooli gibberelliinien homeostaasin ylläpitämisessä on lopputuotteen biosynteesin säätelyllä. Esimerkiksi Arabidopsiksessa aktiivisten gibberelliinien pitoisuuden kasvu aiheuttaa AtGA20ox- ja AtGA3ox-geenien transkription, kun taas niiden pitoisuuden lasku lisää samojen geenien ilmentymistasoa. Toisaalta aktiiviset gibberelliinit säätelevät positiivisesti niiden inaktivaatioon osallistuvien AtGA2ox-geenien ilmentymistasoa. Yllä olevien geenien ilmentymisen säätelyn taustalla olevat tarkat mekanismit aktiivisten gibberelliinien pitoisuudesta riippuen eivät ole tiedossa, mutta on osoitettu, että gibberelliinin signaalinvälitysreitin komponentit ovat mukana tässä prosessissa: GID1-reseptori, gibberelliinin signaalirepressorit DELLA proteiinit, F-boxia sisältävä proteiini SLY /GID2.
muiden hormonien säätely. Kasvien kehityksen hallinnassa gibberelliinit ovat sytokiniinien, eteenin ja ABA:n antagonisteja ja toimivat samaan suuntaan kuin auksiinit. Joillekin kasvihormoniryhmille on osoitettu kyky säädellä aktiivisten gibberelliinien pitoisuutta 2ODD-geenin ilmentymisen säätelyn avulla. Esimerkiksi auksiinit, jotka suorittavat samanlaisia toimintoja kuin gibberelliinit, voivat säädellä aktiivisten gibberelliinien pitoisuutta säätelemällä positiivisesti GA3ox-geenien ilmentymistasoa ja negatiivisesti säätelemällä GA2ox-geenien ilmentymistä. Päärooli aktiivisten gibberelliinien pitoisuuden auksiiniriippuvaisessa säätelyssä on transkriptiotekijällä NPH4/ARF7, joka säätelee 2ODD-geenien ilmentymistä sitoutumalla suoraan niiden promoottoriin. NPH4/ARF7-antagonisti tässä prosessissa on transkription repressori MSG2/IAA19.
Gibberelliinien pitoisuuden säätely kasvin eri elimissä. Aktiivisten gibberelliinien ja muiden hormonien pitoisuudesta riippuvan 2ODD-geenin ilmentymisen säätelyn lisäksi on olemassa myös mekanismeja niiden ilmentymisen säätelemiseksi erilaisissa kasvin elimissä; jotkut heistä:
Signaalin välitysreitti vasteena gibberelliineille sisältää neljä pääkomponenttia:
Gibberelliinien puuttuessa DELLA-transkription repressorit sitoutuvat gibberelliinin säätelemien geenien promoottoreihin, ja SPY/SEC-glukosamiinitransferaasit stabiloivat DELLA-proteiineja. Kun gibberelliinimolekyyli sitoutuu GID1-reseptoriin, indusoituu sen vuorovaikutus DELLA-proteiinin ja SLY/GID2-proteiinia sisältävän F-boxin kanssa. Tämän seurauksena DELLA-proteiini kiinnittyy SCF SLY/GID2 ubikvitiiniligaasikompleksiin , mikä stimuloi sen ubikvitiiniriippuvaista proteolyysiä. Transkriptiotekijä GAMYB liittyy gibberelliinin säätelemien geenien promoottoriin, mikä laukaisee niiden ilmentymisen.
DELLA-proteiinit ovat gibberelliinivasteen repressoreita. DELLA-perheen transkription repressorit olivat ensimmäiset löydetyt gibberelliinin signaalinsiirtoreitin komponentit. Havaittiin, että kasvien vaste gibberelliineille riippuu DELLA-proteiinien hajoamisesta, jotka signaalin puuttuessa liittyvät konstitutiivisesti gibberelliinin säätelemien geenien promoottoriin. Mutanteilla, joiden DELLA-proteiineja koodaavien geenien toiminta on menetetty, on lisääntynyt herkkyys gibberelliineille; päinvastoin mutantit, joiden toiminnot ovat lisääntyneet, ja siirtogeeniset kasvit, joissa on DELLA-proteiinigeenien yli-ilmentäminen, ovat kääpiöitä.
DELLA-proteiinit ovat pieni GRAS-perheeseen (GA1, RGA, SCARECROW) kuuluva proteiinien alaryhmä, joka sisältää myös SCARECROW- ja SHORT-ROOT- transkriptiotekijät, jotka osallistuvat juuren apikaalisten meristeemikantasolujen ylläpitoon ja sen säteittäisen rakenteen muodostumiseen. . DELLA-proteiinimolekyylit sisältävät GRAS-DNA:ta sitovan domeenin C-päässä ja tälle alaperheelle ainutlaatuisen DELLA-domeenin N-päässä, jota tarvitaan vuorovaikutukseen GID1-reseptorin ja SLY1/GID2-proteiinia sisältävän F-boxin kanssa. GRAS-domeenin mutaatiot johtavat DELLA-proteiinien toiminnan menettämiseen ja tehostavat vastetta gibberelliinille. Samaan aikaan deletiini DELLA-domeenissa johtaa DELLA-proteiinien kertymiseen ja gibberelliinin signaloinnin konstitutiiviseen tukahdutukseen.
GID1-proteiini on gibberelliinien reseptori . GID1-reseptori kuuluu sekvenssiltään ja rakenteeltaan hormoniherkkien lipaasien perheeseen, mutta sillä ei ole entsymaattista aktiivisuutta. Aktivoitu GID1-reseptori on vuorovaikutuksessa DELLA-proteiinien kanssa. Tämän seurauksena DELLA-proteiinin konformaatio muuttuu, mikä mahdollistaa SCF-ubikitiiniligaasikompleksin avainkomponentin, F-boxin sisältävän proteiinin SLY/GID2:n kiinnittämisen siihen. Tämä vuorovaikutus stimuloi DELLA-proteiinien ubikvitinaatiota SCF SLY/GID2-kompleksin toimesta , mitä seuraa niiden hajoaminen 26S-proteasomin toimesta, mikä vaimentaa vastetta gibberelliineille.
SCF: n (Scp1-Cullin-F-box) ubikvitiiniligaasikompleksin komponentit sisältävät neljä eri funktionalaista proteiinia, joihin F-boxin sisältävä proteiini vastaa kohdeproteiinien kiinnittymisestä niihin.
Gibberelliinistä riippuvaiset transkriptiotekijät GAMYB. Ne kuuluvat transkriptiotekijöiden MYB-perheeseen, toimivat gibberelliinien signaalitransduktiossa DELLA-proteiineista alavirtaan ja säätelevät positiivisesti gibberelliiniriippuvaisten geenien transkriptiota. Ensimmäinen tämän ryhmän tunnistetuista transkriptiotekijöistä oli ohran transkriptiotekijä GAMYB1, joka toimii endospermin aleuronikerroksessa ja säätelee positiivisesti gibberelliiniriippuvaista a-amylaasigeenien ilmentymistä. Myöhemmin havaittiin, että ohrassa, arabidopsiksessa ja riisissä GAMYB-ryhmän transkriptiotekijät osallistuvat myös gibberelliiniriippuvaiseen kukinnan ja kukkaelinten kehitykseen. Esimerkiksi Arabidopsiksessa yhden GAMYB-proteiinin, GAMYB33:n, suora kohde on kukkaelimen identiteettigeeni LEAFY; toisen GAMYB-proteiinin, GLABROUS1:n, aktivointi tarvitaan gibberelliiniriippuvaisen trikomin kehittymiseen.
Muita tunnettuja signaalinsiirtokomponentteja ovat gibberelliinit . Gibberelliinin signaalitransduktion negatiivisista säätelijöistä Arabidopsiksessa ovat SPY (SPINDLY) ja SEC (SECRET AGENT) -proteiinit, jotka kuuluvat N-asetyyliglukosamiinitransferaasien perheeseen. Mutaatiot, joihin liittyy vastaavien geenien toiminnan menetys, johtavat gibberelliineillä käsiteltyjen kasvien fenokopioihin.
SPY- ja SEC-proteiinien oletettu tehtävä on DELLA-proteiinien stabilointi niiden translaation jälkeisen modifikaation kautta.
Gibberelliinin säätelemät geenit
Arabidopsiksen genomista on löydetty yli 500 gibberelliinin säätelemää geeniä, joista puolet säätelevät suoraan gibberelliinit DELLA-proteiinien hajoamisen ja GAMYB-transkriptiotekijöiden lisäämisen kautta. Nämä sisältävät:
Gibberelliinien tunnetuimpia tehtäviä ovat siementen itämisen hallinta, varren pituuden kasvu, siirtyminen kukintaan ja kukkaelinten kehittäminen. Tällä hetkellä on tutkittu näiden toimintojen toteutumisen molekyylimekanismeja: ne kaikki liittyvät GID1-reseptorin välittämään DELLA-proteiinien hajoamiseen.
Siementen kypsyminen liittyy ravinteiden kertymiseen alkioon ja endospermiin. Itämisen aikana endospermin varamakromolekyylit hajoavat useiden hydrolyyttisten entsyymien vaikutuksesta. Päätehtävän tärkkelyksen hydrolyysissä endospermissa suorittavat α- ja β-amylaasit: α-amylaasit hydrolysoivat tärkkelyksen oligosakkarideiksi, jotka sitten muunnetaan maltoosiksi β-amylaasien avulla [1] .
α-amylaasigeenit olivat ensimmäiset geenit, joita gibberelliiniriippuvainen transkriptiotekijä GAMYB kontrolloi suoraan. Siten alkion erittämät gibberelliinit laukaisevat α-amylaasigeenien ilmentymisen aleuronikerroksessa, mikä johtaa endospermin tärkkelysrakeiden hajoamiseen ja antaa nuorelle taimelle ravinteita.
Kasvien käsittely gibberelliineillä stimuloi nivelten välisten solujen lisääntymistä ja niiden kasvua. Gibberelliiniriippuvainen mitoosien esiintymistiheyden lisääntyminen näkyy selkeimmin verson subaapikaalisilla alueilla pitkän päivän ruusukekasveissa kukinnan aikana sekä syvässä vedessä kasvavan riisin interkalaarisissa meristeemeissä. Samanaikaisesti verson apikaalisessa meristeemissä gibberelliinit suorittavat täysin päinvastaista tehtävää: ne estävät lisääntymistä ja stimuloivat solujen erilaistumista, mikä tekee kasvien normaalille kehitykselle tärkeäksi säilyttää konstitutiivisen alhaisen gibberelliinipitoisuuden SAM:ssa. Siten gibberelliinit voivat suorittaa vastakkaisia toimintoja eri meristeemien kehityksen hallinnassa.
Lukuisten tutkimusten mukaan kukinnan säätelyyn on neljä päätapaa: pitkän päivän polku, joka on vastuussa siirtymisestä kukintaan valokauden pituuden pidentyessä; autonominen polku, joka hallitsee kukintaa sekä pitkinä että lyhyinä päivinä; vernalisaatioreitti, joka käynnistää kukinnan lyhyen alhaisten lämpötilojen jälkeen; ja gibberelliiniriippuvainen reitti, joka on tärkein kukinnan siirtymiselle lyhyen päivän olosuhteissa.
Kaikki nämä reitit voivat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa - esimerkiksi Arabidopsiksessa, joka voi kukkia sekä pitkiä että lyhyitä päiviä. Gibberelliiniriippuvaisen kukinnan hallintareitin heikkenemisen vuoksi Arabidopsiksen gibberelliinipuutteiset ga-mutantit eivät kukki ollenkaan lyhyissä päivissä, ja niiden kukinta on myös viivästynyt pitkän päivän olosuhteissa.
Gibberelliiniriippuvainen kukinnan hallinta perustuu kukintaprosessien integraatiossa avainasemassa olevien geenien ilmentymisen positiiviseen säätelyyn: homeoottisten kukkageenien ilmentymisen indusoija - LEAFY (LFY) -geeni, pääkäynnistäjä. kukinnan geeni - FLOWERING LOCUS T (FT) -geeni ja sen kohde - CONSTANS 1:n (SOC1) YLIekspressio -geeni.
LFY-geenin promoottorista löydettiin GAMYB:tä sitova sekvenssi, jonka kanssa GAMYB33-transkriptiotekijä on suoraan vuorovaikutuksessa. GAMYB:tä sitovan sekvenssin mutaatiot tekevät mahdottomaksi lisätä LFY-ilmentymisen tasoa lyhyen päivän olosuhteissa. Samaan aikaan gibberelliinipuutteisten ga-mutanttien transformaatio LFY-geenillä konstitutiivisen promoottorin alaisena laukaisee niiden kukinnan lyhyessä päivässä.
Pitkän päivän kasveissa gibberelliinien roolia kukinnan säätelyssä ymmärretään huonommin. Näissä kasveissa valojakson keston pidentäminen stimuloi varren pituuden kasvua (tämä on erityisen havaittavissa ruusukkeen kasveissa), mitä seuraa kukinnan käynnistäminen. Syynä tähän on ilmeisesti fytokromiriippuvainen lisääntyminen GA20ox-geenien ilmentymistasossa, mikä johtaa vapaiden gibberelliinien pitoisuuden nousuun versoissa. Arabidopsiksessa osoitettiin, että gibberelliinien pitoisuuden kasvu lehdissä johtaa FT-geenin ilmentymisen lisääntymiseen, joka koodaa florigeeniproteiinia, joka syntetisoituu lehdissä ja siirtyy myöhemmin SAM:iin. Valitettavasti gibberelliinien vaikutuksen FT-ilmentymiseen molekyylimekanismeja ei ole vielä selvitetty.
Joten gibberelliinien toiminnot liittyvät kasvien vegetatiivisen kehityksen stimulaatioon (itävyys, varren kasvu pituussuunnassa) ja generatiiviseen kehitykseen (siirtyminen kukkimiseen). Gibberelliinit toimivat samaan suuntaan kuin auksiinit ja stimuloivat toistensa biosynteesiä ja signaalinsiirtoa; lisäksi niiden signaalitransduktion vastaanottojärjestelmät on järjestetty saman suunnitelman mukaan (reseptorit ovat vuorovaikutuksessa E3 ubikvitiiniligaasikompleksien komponenttien kanssa ja indusoivat transkription repressorien proteolyysiä). Sytokiniinit ja ABA päinvastoin ovat gibberelliinien antagonisteja.
Gibberelliinit saadaan pääasiassa mikrobiologisesti Fusarium -suvun sienten jätetuotteista .
Gibberelliinejä käytetään kasvinviljelyssä lisäämään hampun ja pellavakuidun satoa, lisäämään siemenettömien rypälelajikkeiden marjojen kokoa , lisäämään yrttien satoa, stimuloimaan siementen itämisaikaa, lisäämään endogeenisten gibberelliinien pitoisuutta) jne. gibberelliinit aiheuttavat voimakkaan kiihtyvyyden kasvien vihreän massan kasvussa, niiden käyttöön tulisi liittää lisääntynyt kasvien ravinto.
Tomaattien, kirsikoiden ja omenoiden kypsymisen nopeuttamiseksi sekä viljasatojen rappeutumisen estämiseksi kasveja käsitellään hidastavilla aineilla , jotka estävät gibberelliinien toimintaa, esimerkiksi 2-kloorietyylifosfonihapolla (etefonilla).