Gibbereliny jsou skupinou fytohormonů diterpenové povahy, které v rostlinách plní různé funkce související s řízením prodlužování hypokotylů , klíčením semen, kvetením atd. Při řízení většiny morfogenetických procesů působí gibereliny stejným směrem jako auxiny a jsou antagonisty cytokininů a kyseliny abscisové (ABA).
Nejběžnějšími aktivními gibereliny jsou GA1, GA3, GA4 a GA7 (z kyseliny giberelové), zatímco GA5 a GA6 jsou méně aktivní, ale přesto hrají klíčovou roli v indukci kvetení v jednoděložných rostlinách závislém na giberelinu. Mezi ostatními gibereliny jsou většinou prekurzory v biosyntéze aktivních giberelinů nebo produkty jejich inaktivace.
Na rozdíl od auxinů je kritériem pro zařazení látky do skupiny giberelinů spíše korespondence s určitou chemickou strukturou než přítomnost biologické aktivity. V rostlinách, houbách a bakteriích bylo nalezeno 136 různých, strukturou podobných látek, které patří do skupiny giberelinů. Gibbereliny jsou tedy nejrozsáhlejší třídou fytohormonů. Gibbereliny jsou deriváty ent-gibberellanu a jsou to diterpenoidy, nicméně ent - kauren slouží jako prekurzor biosyntézy. Gibbereliny mohou mít tetra- nebo pentacyklickou strukturu (další pětičlenný laktonový kruh ) a mohou obsahovat 20 ( C20 -gibbereliny, například HA12 ) nebo 19 ( C19 -gibbereliny) atomů uhlíku. Většina giberelinů jsou kyseliny, a proto se používá označení GK (kyselina giberelová) s indexem udávajícím pořadí otevírání, například GK 1 , GK 3 . Index v žádném případě neodráží blízkost chemické struktury nebo pozici v metabolických drahách. Přes rozmanitost giberelinů má několik sloučenin (GK 4 , GK 1 , GK 7 , GK 3 ) významnou biologickou aktivitu, zbytek jsou prekurzory biosyntézy nebo neaktivní formy. V experimentální práci se nejčastěji používá GK 3 . Gibbereliny jsou nestabilní a rychle se ničí v kyselém nebo zásaditém prostředí.
Gibberelliny objevil japonský vědec E. Kurosawa ( 1926 ) při studiu onemocnění rýže (nadměrného růstu) způsobeného houbou Gibberella fujikuroi Sow, která postihuje plodiny rýže a způsobuje specifickou chorobu, při které mají rostliny abnormálně prodloužená internodia a nízkou produkci semen. V roce 1935 japonský vědec T. Yabuta izoloval gibereliny z této houby v krystalické formě a dal jim jejich současný název.
U vyšších rostlin jsou rychle rostoucí pletiva nejbohatší na gibereliny; nacházejí se v nezralých semenech a plodech, sazenicích, vyvíjejících se děložních listech a listech .
Hlavním místem syntézy giberelinů v rostlině jsou listové primordia a mladé listy. Biosyntéza giberelinů má tři hlavní kroky:
U Arabidopsis a rýže je každý z enzymů, které katalyzují první fáze biosyntézy giberelinu, kódován jedním nebo dvěma geny: například genom Arabidopsis obsahuje jeden gen kódující enzymy CPS, KS a KO. Ztráta funkce těchto genů u mutantů ga1, ga2 a ga3 vede k vážnému snížení hladiny giberelinů a rozvoji fenotypu typického pro mutanty s deficitem giberelinu - jedná se o trpaslíky s nízkou plodností; bez přídavku exogenních giberelinů mají jejich semena nízkou klíčivost a dospělé rostliny netvoří stopku. Enzymy 2ODD, které působí v poslední fázi biosyntézy giberelinu, jsou zároveň kódovány velkými multigenovými rodinami, jejichž členové mají tkáňově a orgánově specifické expresní vzorce a jsou také různě regulovány v závislosti na vnějších podmínkách a stádiu ontogeneze. Mutace se ztrátou funkce některého z těchto genů mají slabší fenotypovou expresi.
Hlavní způsoby inaktivace giberelinů jsou 2β-hydroxylace GA-2-oxidázami; epoxidace enzymem ze skupiny cytochrom P450 monooxygenas EUI (Elongated Uppermost Internode, pojmenovaná podle fenotypu mutanta se ztrátou funkce odpovídajícího genu) a metylace pomocí S-adenosyl-methionin jako donoru methylových skupin - tato reakce je katalyzován enzymy GAMT1 a GAMT2 (GA methyl transferáza). Všechny tyto inaktivační cesty jsou zjevně stejně důležité při regulaci skupiny aktivních giberelinů v rostlině, protože ztráta funkce kteréhokoli z uvedených genů v mutantech eui, gamt1 a gamt2, stejně jako v transgenních rostlinách s kosupresí genů GA2ox, vede k desetinásobnému zvýšení koncentrace aktivních giberelinů. Kromě toho existuje špatně prostudovaná cesta pro inaktivaci giberelinů prostřednictvím tvorby konjugátů s glukózou, GA-glukosylestery.
Poslední krok biosyntézy, syntéza aktivních giberelinů z GA12, hraje klíčovou roli při kontrole hladiny aktivních giberelinů v rostlině. Zvýšení hladiny exprese genu GA20ox v transgenních rostlinách Arabidopsis totiž způsobuje prudké zvýšení hladiny giberelinů v tkáních a závažné fenotypové změny, zatímco nadměrná exprese genu AtCPS vede pouze k akumulaci ent-kaurenu, ent -kaurenovou kyselinu a GA12. V tomto ohledu je hlavním způsobem regulace koncentrace aktivních giberelinů v rostlinných pletivech řízení exprese genů kódujících enzymy rodiny 2ODD, jejichž různí zástupci katalyzují reakce aktivace giberelinu (syntéza GA1, GA3, GA4 a GA7 z GA12, který je katalyzován GA-3 a GA -20-oxidázami, a také jejich inaktivační reakce (2β-hydroxylace GA1, GA3, GA4 a GA7, která je katalyzována GA-2-oxidázami). V současné době jsou studovány genetické mechanismy regulace úrovně exprese genů 2ODD v různých rostlinných orgánech a také v závislosti na určitých faktorech prostředí.
regulace koncového produktu . Důležitou roli v udržování homeostázy giberelinů hraje regulace jejich biosyntézy konečným produktem. Například u Arabidopsis způsobuje zvýšení koncentrace aktivních giberelinů transkripci genů AtGA20ox a AtGA3ox, zatímco snížení jejich koncentrace zvyšuje úroveň exprese stejných genů. Na druhé straně aktivní gibereliny pozitivně regulují hladinu exprese genů AtGA2ox podílejících se na jejich inaktivaci. Přesné mechanismy, které jsou základem regulace exprese výše uvedených genů v závislosti na koncentraci aktivních giberelinů, nejsou známy, ale ukázalo se, že na tomto procesu se podílejí složky dráhy přenosu signálu giberelinu: receptor GID1, represory giberelinové signalizace DELLA proteiny, protein obsahující F-box SLY /GID2.
regulace jinými hormony. Při řízení vývoje rostlin jsou gibereliny antagonisty cytokininů, ethylenu a ABA a působí stejným směrem jako auxiny. U některých skupin fytohormonů byla prokázána schopnost regulovat koncentraci aktivních giberelinů prostřednictvím kontroly exprese genu 2ODD. Například auxiny, které plní funkce podobné giberelinům, mohou regulovat koncentraci aktivních giberelinů pozitivní regulací úrovně exprese genů GA3ox a negativní regulací exprese genů GA2ox. Hlavní roli v auxin-dependentní kontrole koncentrace aktivních giberelinů hraje transkripční faktor NPH4/ARF7, který reguluje expresi genů 2ODD přímou vazbou na jejich promotory. Antagonistou NPH4/ARF7 v tomto procesu je transkripční represor MSG2/IAA19.
Regulace koncentrace giberelinů v různých rostlinných orgánech. Kromě regulace exprese genu 2ODD v závislosti na koncentraci aktivních giberelinů a dalších hormonů existují i mechanismy regulace jejich exprese v různých rostlinných orgánech; někteří z nich:
Cesta přenosu signálu v reakci na gibereliny zahrnuje čtyři hlavní složky:
V nepřítomnosti giberelinů jsou transkripční represory DELLA vázány na promotory genů regulovaných giberelinem a glukosamin transferázy SPY/SEC stabilizují proteiny DELLA. Když se molekula giberelinu naváže na GID1 receptor, je indukována jeho interakce s proteinem DELLA a F-boxem obsahujícím protein SLY/GID2. V důsledku toho je protein DELLA připojen ke komplexu SCF SLY/GID2 ubikvitin ligázy , který stimuluje jeho ubikvitin-dependentní proteolýzu. K promotorům genů regulovaných giberelinem se připojuje transkripční faktor GAMYB, který spouští jejich expresi.
Proteiny DELLA jsou represory odpovědi na giberelin. Transkripční represory rodiny DELLA byly prvními objevenými složkami dráhy přenosu signálu giberelinu. Bylo zjištěno, že reakce rostlin na gibereliny závisí na degradaci proteinů DELLA, které jsou při absenci signálu konstitutivně spojeny s promotory genů regulovaných giberelinem. Mutanti se ztrátou funkce genů kódujících proteiny DELLA mají zvýšenou citlivost na gibereliny, naopak mutanti se zvýšenou funkcí a transgenní rostliny s nadměrnou expresí genů proteinu DELLA jsou trpaslíci.
Proteiny DELLA jsou malou podrodinou proteinů patřících do rodiny GRAS (z GA1, RGA, SCARECROW), která také zahrnuje transkripční faktory SCARECROW a SHORT-ROOT podílející se na udržování kořenových apikálních meristémových kmenových buněk a vytváření jejich radiální struktury. . Molekuly proteinu DELLA zahrnují doménu vázající DNA GRAS na C-konci a doménu DELLA jedinečnou pro tuto podrodinu na N-konci, která je nezbytná pro interakci s receptorem GID1 a F-boxem obsahujícím protein SLY1/GID2. Mutace v doméně GRAS vedou ke ztrátě funkce proteinů DELLA a zvyšují odpověď na giberelin. Deletin v doméně DELLA zároveň vede k akumulaci proteinů DELLA a konstitutivnímu potlačení signalizace giberelinu.
Protein GID1 je receptor pro gibereliny . Receptor GID1 ve své sekvenci a struktuře patří do rodiny lipáz citlivých na hormony, ale nemá žádnou enzymatickou aktivitu. Aktivovaný receptor GID1 interaguje s proteiny DELLA. V důsledku toho se mění konformace proteinu DELLA, což umožňuje připojit k němu klíčovou složku komplexu ubikvitin ligázy SCF, protein SLY/GID2 obsahující F-box. Tato interakce stimuluje ubikvitinaci proteinů DELLA komplexem SCF SLY/GID2 , následovanou jejich degradací proteazomem 26S, čímž se potlačuje odpověď na gibereliny.
Komponenty komplexu ubikvitin ligázy In SCF (Scp1-Cullin-F-box) zahrnují čtyři proteiny s různými funkcemi, přičemž protein obsahující F-box je zodpovědný za připojení cílových proteinů k nim.
Gibberellin-dependentní transkripční faktory GAMYB. Patří do rodiny transkripčních faktorů MYB, působí v signální transdukci giberelinů downstream od proteinů DELLA a pozitivně regulují transkripci genů závislých na giberelinu. Prvním z identifikovaných transkripčních faktorů této skupiny byl transkripční faktor ječmene GAMYB1, který působí v aleuronové vrstvě endospermu a pozitivně reguluje giberelin-dependentní expresi genů α-amylázy. Následně bylo zjištěno, že u ječmene, arabidopsis a rýže se transkripční faktory skupiny GAMYB podílejí také na gibberellin-dependentní kontrole kvetení a vývoji květních orgánů. Například u Arabidopsis je přímým cílem jednoho z proteinů GAMYB, GAMYB33, gen identity květního orgánu LEAFY; aktivace dalšího proteinu GAMYB, GLABROUS1, je nutná pro vývoj trichomů závislých na giberelinu.
Dalšími známými složkami přenosu signálu jsou gibereliny . Mezi negativní regulátory přenosu signálu giberelinu u Arabidopsis patří proteiny SPY (SPINDLY) a SEC (SECRET AGENT), které patří do rodiny N-acetylglukosamin transferáz. Mutace se ztrátou funkce odpovídajících genů vedou k fenokopiím rostlin ošetřených gibereliny.
Předpokládanou funkcí SPY a SEC proteinů je stabilizace DELLA proteinů jejich posttranslační modifikací.
Geny regulované giberelinem
V genomu Arabidopsis bylo nalezeno více než 500 genů regulovaných giberelinem, z nichž polovina je přímo regulována gibereliny, a to prostřednictvím degradace proteinů DELLA a přidáním transkripčních faktorů GAMYB. Tyto zahrnují:
Mezi nejznámější funkce giberelinů patří kontrola klíčení semen, růst stonku do délky, přechod do kvetení a vývoj květních orgánů. V současnosti jsou studovány molekulární mechanismy realizace těchto funkcí: všechny jsou spojeny s degradací DELLA proteinů zprostředkovanou GID1 receptorem.
Zrání semen je spojeno s akumulací živin v embryu a endospermu. Během klíčení jsou rezervní makromolekuly endospermu lyzovány různými hydrolytickými enzymy. Hlavní funkci při hydrolýze škrobu v endospermu plní α- a β-amylázy: α-amylázy hydrolyzují škrob na oligosacharidy, které se pak pomocí β-amyláz přeměňují na maltózu [1] .
Geny α-amylázy byly prvními geny, které byly přímo řízeny transkripčním faktorem závislým na giberelinu GAMYB. Gibbereliny vylučované embryem tak spouštějí expresi genů pro α-amylázu v aleuronové vrstvě, což vede k lýze škrobových granulí endospermu a poskytuje mladému semenáčku živiny.
Ošetření rostlin gibereliny stimuluje proliferaci internodálních buněk a jejich růst rozšířením. Giberelin-dependentní zvýšení frekvence mitóz je nejzřetelněji vidět v subapikálních oblastech výhonku během přechodu do kvetení u rostlin růží dlouhého dne, stejně jako v interkalárních meristémech rýže rostoucí v hluboké vodě. Současně v apikálním meristému výhonků plní gibereliny přesně opačnou funkci: inhibují proliferaci a stimulují buněčnou diferenciaci, takže pro normální vývoj rostlin je důležité udržovat konstitutivně nízkou koncentraci giberelinů v SAM. Gibbereliny tak mohou plnit opačné funkce při řízení vývoje různých meristémů.
Podle četných studií existují čtyři hlavní způsoby regulace kvetení: dráha dlouhého dne, která je zodpovědná za přechod do kvetení s prodloužením doby trvání světelné periody; autonomní cesta, která řídí kvetení v dlouhých i krátkých dnech; dráha jarovizace, která spustí kvetení po krátkém období nízkých teplot; a dráha závislá na giberelinu, která je nejdůležitější pro přechod do kvetení za podmínek krátkého dne.
Všechny tyto cesty se mohou vzájemně ovlivňovat - například u Arabidopsis, který může kvést jak dlouhými, tak krátkými dny. V důsledku oslabení cesty ke kontrole kvetení závislé na gibberellinu Arabidopsis ga-mutanty s deficitem gibberellinu vůbec nekvetou za podmínek krátkého dne a také vykazují opožděné kvetení za podmínek dlouhého dne.
Kontrola kvetení závislá na giberelinu je založena na pozitivní regulaci exprese genů, které hrají klíčovou roli v integraci procesů kvetení: induktor exprese genů homeotických květů - gen LEAFY (LFY), hlavní iniciátor kvetení - gen FLOWERING LOCUS T (FT) a jeho cíl - gen SUPPRESSOR OVEREXPRESE CONSTANS 1 (SOC1).
V promotoru genu LFY byla nalezena GAMYB-vazebná sekvence, se kterou transkripční faktor GAMYB33 přímo interaguje. Mutace ve vazebné sekvenci GAMYB znemožňují zvýšení úrovně exprese LFY za podmínek krátkého dne. Současně transformace giberelin-deficientních ga-mutantů s LFY genem pod konstitutivním promotorem spouští jejich kvetení v krátkém dni.
U rostlin s dlouhým dnem je úloha giberelinů při kontrole kvetení méně dobře pochopena. U těchto rostlin stimuluje prodloužení délky světelné periody růst stonku do délky (to je patrné zejména u rostlin růžicových) s následnou indukcí kvetení. Důvodem je zřejmě na fytochromu závislé zvýšení úrovně exprese genů GA20ox, což vede ke zvýšení koncentrace volných giberelinů v výhoncích. U Arabidopsis se ukázalo, že zvýšení koncentrace giberelinů v listech vede ke zvýšení exprese genu FT, který kóduje protein florigen, který je syntetizován v listech a následně se přesouvá do SAM. Bohužel dosud nebyly objasněny molekulární mechanismy účinku giberelinů na expresi FT.
Funkce giberelinů jsou tedy spojeny se stimulací vegetativního vývoje rostlin (klíčení, růst stonku do délky) a generativního vývoje (přechod ke kvetení). Gibbereliny působí stejným směrem jako auxiny a vzájemně stimulují biosyntézu a přenos signálu; kromě toho jsou jejich systémy příjmu signálu transdukce organizovány podle stejného plánu (receptory interagují se složkami komplexů E3 ubikvitin ligázy a indukují proteolýzu transkripčních represorů). Cytokininy a ABA jsou naopak antagonisty giberelinů.
Gibbereliny se získávají především mikrobiologicky z odpadních produktů hub rodu Fusarium .
Gibereliny se používají v rostlinné výrobě ke zvýšení výnosu konopné a lněné vlákniny , ke zvětšení velikosti bobulí u bezsemenných odrůd révy vinné , ke zvýšení výnosu bylin, stimulaci dormance klíčení semen, zvyšuje se obsah endogenních giberelinů atd. Od r. gibereliny způsobují prudké zrychlení růstu zelené hmoty rostlin, jejich užívání by mělo být doprovázeno zvýšenou výživou rostlin.
Pro urychlení zrání rajčat, třešní, jablek a pro zamezení poléhání obilnin se rostliny ošetřují retardačními látkami , které inhibují účinek giberelinů, např. kyselina 2-chlorethylfosfonová (etefon).