Fotomorfoģenēze

Gaismas ietekme uz augiem

Gaismas ietekmi uz augiem var aplūkot no dažādiem skatupunktiem. Fotosintēzē gaisma tiek izmantota kā enerģijas avots. Fototropisma rekcijās augi liecas gaismas avota virzienā vai prom no tā. Savukārt fotomorfoģenēzē notiek augu augšanas un attīstības izmaiņas gaismas signālu ietekmē. Fotosintētiski aktīvā radiācija gaismas spektrā aizņem tikai nelielu daļu. Hlorofils a un hlorofils b ir galvenie fotosintēzes pigmenti, kuru absorbcijas maksimumi ir attiecīgi 400 — 450 nm un 425 — 475 nm gaismas viļņa garumā. Pārējo gaismu absorbē dažādi citi pigmenti. Karotenoīdi palīdz gaismas savākšanā un aizsargā hlorofilu no gaismas izraisītiem bojājumiem. To absorbcijas maksimums ir pie 400 — 500 nm. Sarkanā un tālajā sarkanā gaisma (600 — 700 nm un 700 — 800 nm) spēcīgi ietekmē morfoģenēzi, ko uztver fitohroms. Kriptohromi uztver zilo (400—500) un UV (zem 400 nm) gaismu, un tie ir svarīgi augu cirkādā ritma kontrolē. Fototropīni arī ir zilās gaismas receptori, kas ir svarīgi augu fototropisma reakcijās. Zaļo gaismu visi pigmenti absorbē visvājāk, tādēļ augi ir zaļi. Garāku viļņa garumu gaisma, kas neiekļaujas redzamajā gaismas spektra daļā arī ietekmē augus, bet to uztver nevis pigmenti, bet visi auga audi un izmanto to termoregulācijā. Savukārt īsa viļņa garuma gaismu, kā UV absorbē proteīni un citas šūnu struktūras, kas var izraisīt bojājumus.

Fotomorfoģenēzes izpētes vēsture

Pirmie aprakstītie fotomorfoģenēzes novērojumi ir 380 —287 g.p.m.ē, kad Teofrasts no Eresas novēroja izvairīšanās no ēnas efektu. Viņš novēroja, ka egles noēnojumā izauga garākas, bet to koksnes kvalitāte bija sliktāka, nekā gaismā esošām eglēm. Savukārt MarcusTerentius Varro (113. — 27. g.p.m.ē.) savā darbā "De re rustica" aprakstīja augu kustības gaismas ietekmē, ko mūsdienās pazīst kā fototropismu un heliotropismu. Fotomorfoģenēzes zinātniskie pētījumi sākās 17. gs. otrajā pusē. Viens no piemajiem bija John Ray, kas darbā "Historia plantarum" aprakstīja etiolācijas parādību, bet terminu "etioelements" ieviesa Charles Bonnet 1754. gadā. Fotoperiodismu 1739. g. novēroja Kārlis Linnejs, bet kļūdaini secināja, ka to kontrolē temperatūra. Savukārt augu pigmentāciju gaismas ietekmē plaši pētīja Jean Senebier 18. gs. 90. gados. Paralēli notika pētījumi par augu spektrālo jutīgumu. Viens no pirmajiem bija Sebastiano Poggioli, kurš 19. gs pirmajā pusē, izmantojot kautrīgo mimozu (Mimosa pudica), novēroja augšanas atšķirības atkarībā no dažādas krāsas gaismas. Vairāki zinātnieki, ieskaitot Čārlzu Darvinu (angļu: Charles Robert Darwin) novēroja fototropismu zilās gaismas ietekmē. Plaši pētījumi 20. gs. 30. gados bija saistīti ar sarkanās un tālās sarkanās gaismas ietekmi uz sēklu dīgšanu un fotoperiodismu. Pirmo fotoreceptoru fitohromu atklāja Sterling Hendricks un Harry Borthwick laika periodā no 1940. līdz 1960. gadam, bet Warren Butler un Harold Siegelman to pirmo reizi izolēja 1959. gadā no tumsā audzētiem etiolētiem augiem. Pateicoties molekulārās ģenētikas attīstībai, tika atklāti jauni fotoreceptori un to darbības mehānismi. Salīdzinoši nesen, 1980. gadā, pētot A.Thaliana hy mutantus, Maarten Koornneef atklāja pirmo zilās gaismas receptoru. No iegūtajiem mutantiem, vienīgi hy4 mutants neatbildēja uz zilās gaismas signālu, bet atbildēja uz sarkanās gaismas signālu, kas pārējiem mutantiem bija otrādi. 1993. gadā Margaret Ahmad identificēja T-DNS mutantu hy4 lokusā un izmantoja to, lai iegūtu HY4 proteīnu. Noskaidroja, ka tas ir ļoti līdzīgs prokariotu fotoliāzei — enzīmam, kurš veic gaismas izraisītu DNS bojājumu labošanu. To nosauca par kriptohromu. Pētījumi turpinās arī mūsdienās, un tiek atklāti arvien jauni gaismas receptori, piemēram, zilās gaismas receptori FLF1, ZTL/ADO un LKP2. Pētījumi turpinās arī par divām papildus UV-B uztveršanas sistēmām, kuras, domājams, piedalās hipokotila augšanas inhibēšanā, lapu un stīgu saritināšanās reakcijās un ar UV aizsardzību saistīto pigmentu sintēzē.

Fotoreceptoru veidi un to loma augos

Visiem augu fotoreceptoriem ir kopīgs tas, ka pēc gaismas impulsa tiek aktivēts to sastāvā esošs holoproteīns. Šie holoproteīni satur polipeptīdu un mazu gaismu absorbējošu ligandu, ko sauc par hromoforu. Augiem evolūcijas gaitā ir izveidojušās sarežģītas fotoreceptoru sistēmas ar kurām tie spēj uztvert gaismas spektrālo sastāvu, intensitāti, krišanas leņķi un periodiskumu. Atkarībā no gaismas spektra daļas, kuru tie absorbē augu fotoreceptorus iedala trīs klasēs: sarkanās/tālās sarkanās gaismas fotoreceptori (fitohromi), zilās/UV-A gaismas receptori (kriptohromi, fototropīni) un vēl neatklāti UV-B gaismas receptori.

Fitohromi

Fitohromi ir visvairāk un vislabāk izpētītie augu fotoreceptori. Tie ir homeodimēriski hromoproteīni, kuriem katra subvienība sastāv no polipeptīda monomēra, kas saistīts ar lineāru tetrapirola hromoforu — fitohromobilīnu. Katra monomēra molekulārā masa ir no 118 līdz 127 kDa. Dabā ir daudz fitohroma izoformu un nav zināms, cik ir dažādu hromoforu, vai arī pastāv tikai viens. Fitohromiem ir divas konformāciju formas — sarkano gaismu absorbējošā (Pr) (660 nm) un tālo sarkano gaismu absorbējošā (Pfr) (730 nm). Sarkanās gaismas impulsa ietekmē hromoforā pie C15 un C16 dubultās saites notiek izomerizācija no cis uz trans stāvokli, kas izraisa Pfr formas veidošanos. Tieši šī ir bioloģiski aktīvā forma. Savukārt tālās sarkanās gaismas impulss izraisa Pr formas veidošanos. Gaismā Pfr un Pr atrodas fotostacionārajā līdzsvarā, kurā 86% fitohroma ir Pfr formā un 14% Pr formā. Fitohroms var darboties gan kā gaismas atkarīgs enzīms, gan kā membrānu efektors, gan kā transkripcijas faktors. Noskaidrots, ka parasti pēc fitohroma aktivēšanas Pfr fiziski saistās ar vismaz ar vienu transkripcijas faktoriem — PIF3 (Phytochrome Interacting Factor 3), kas tālāk saistās ar G-BOX elementiem un regulē gēnu ekspresiju. Fitohromus iedala divās grupās: Tumsā audzētos audos lielā daudzumā sastopams I tipa jeb phyA, kas ātri degradējas gaismā. II tipa jeb phyB-phyE ir stabili gaismā un ir sastopami augu zaļajos audos. Atkarībā no gaismas īpašībām izšķir ļoti zemas gaismas intensitātes ietekmi un tālās sarkanās gaismas augstas intensitātes ietekmi, uz ko reaģē phyA, kā arī zemas intensitātes ietekmi un sarkanās gaismas intensīvāku ietekmi, uz ko atbild phyB—phyE. Fitohromu veidi variē starp dažādām augu sugām. Visiem ziedaugiem ir trīs galvenie fitohromu veidi (A, B un C) un to apoproteīnus kodējošie gēni PHYA, PHYB un PHYC. Savukārt divdīgļapjos atklāti papildus PHY gēni. Modeļobjektam Arabidopsis thaliana kopā ir pieci PHY gēni (PHYA — PHYE). Fitohromi ir iesaistīti visā auga ontoģenēzē laikā sākot no dīgšanas līdz ziedēšanai un novecošanai. Tie ir svarīgi sēklu dīgšanā, deetiolācijā, kā arī dīgļlapu, lapu un stumbra augšanā, regulējot šūnu dalīšanos un stiepšanos atkarībā no uztvertās gaismas.

Dīgšana

Daudzām augu sēklām dīgšanai nepieciešama gaisma vai īsa ekspozīcija tai. Atbildes reakcija ir atkarīga no PhyA un ir piemērs ļoti zemas intensitātes atbildes reakcijai. Piemēram, Datura ferox sēklas dīgsts, ja apgaismotas mazāk par 0,01 sekundi pilnā saules gaismā. Parasti sēklas dīgst, ja tās apgaismo ar sarkano gaismu. Gaismas kontrolēta dīgšana ir adaptācija pret noēnojumu neizturīgiem augiem. Šādā veidā augi efektīvi izmanto sēklas, dīgstot tikai piemērotos apstākļos, izmantojot sezonālos logus, kad kokiem vai krūmiem nav lapotnes.

Izvairīšanās no ēnas

Dabā augi nemitīgi konkurē par fotosintēzei svarīgāko resursu — gaismu, tādēļ tiem ir izstrādāts mehānisms, kas signalizē par tuvumā esošu augu izraisītu ēnu. PhyB-phyE ir galvenie, kas piedalās šajā procesā. Augi ir izstrādājuši divas atšķirīgas stratēģijas ēnas apstākļos — ēnas izturību un izvairīšanos no ēnas. Daudzi ziedaugi, ieskaitot graudzāles, izvairās no ēnas. Šādos apstākļos gaismā ir samazināta sarkanās:tālās sarkanās gaismas attiecība. Tiešos saules staros tā ir ap 1,0, bet ēnā līdz 0,1. Fitohroms uztver šīs izmaiņas un veicina resursu izmantošanu stumbra pagarināšanai uz fotosintēzes, lapu augšanas un uzkrājējorgānu rēķina. Bieži vien novēro arī pāragru ziedēšanu. Šai reakcijai ir cieša saistība ar auksīna sintēzi un transportu. Dīgstos samazinātas sarkanās:tālās sarkanās gaismas attiecības gadījumā dīgļlapās notiek auksīna un tā receptoru sintēze. Pētot Arabidopsis thaliana noskaidrojās, ka transkripcijas faktori PIF4, PIF5, un PIF7 tieši regulē auksīna un tā receptoru sintēzes gēnus. Pēc signāla uztveršanas fitohroma Pr forma izraisa PIF transkripcijas faktoru defosforilēšanos, kam seko to saistīšanās ar DNS un noteiktu gēnu ekspresija. Savukārt pieaugušos augos signāla ietekmē mainās auksīna transports. Normālos gaismas apstākļos auksīns no galotnes pārvietojas pa vadaudiem tieši uz saknēm un neuzkrājas stumbrā, bet fitohroma uztvertā signāla ietekmē auksīns tiek transportēts uz stumbra perifēriju, kur tas izraisa šūnu dalīšanos un stiepšanos.

Kriptohromi

Kriptohromi ir zilās gaismas receptori. A.Thaliana ir atklāti trīs kriptohromi, cry1-cry3 . Tie satur N-terminālo domēnu, kas ir līdzīgs DNS-reparācijas enzīmiem fotoliāzēm, kuri darbojas, kā redoks proteīni un veic gaismas ietekmē radušos DNS bojājumu labošanu. Atšķirībā no fotoliāzēm, kriptohromiem nepiemīt fotoliāzes aktivitāte, un tie satur papildus C-terminālo domēnu. Kriptohroma N-terminālais domēns nekovalenti saistās ar diviem hromoforiem pterīnu un flavīnu. A. thaliana šie receptori ir lokalizēti kodolā. Kriptohromu darbības mehānismiem ir tāds, ka pēc gaismas signāla uztveršanas pterīns enerģiju nodot flavīnam, kurš tiek reducēts un tālāk izraisa konkrētu kriptohroma domēnu fosforilāciju. Pēc tam kriptohroma C-terminālā daļa saistās ar signalizējošo proteīnu COP1, kas izraisa HY5 un citu mērķproteīnu uzkrāšanos un tālāku gēnu ekspresijas ietekmēšanu. Kriptohromi ir nozīmīgi cirkādā ritma regulācijā, hipokotila augšanas inhibēšanā, lapu augšanā, kā arī antociānu uzkrāšanā.

Fototropīni

Fototropīni arī pieder pie zilās gaismas receptoriem. Ir atklāti divi fototropīni phot1 un phot2. Phot1 atklāja 1988. gadā etiolētos zirņu dīgstos, savukārt phot2 atklāja tikai desmit gadius vēlāk A.thaliana. Fototropīni ir proteīni, kas satur serīna/treonīna kināzes domēnu un divas hromofora flavīna mononukleotīda (FMN) piesaistes vietas sauktas par LOV1(Light, Oxygen, Voltage) un LOV2. Fototropīna absorbcijas maksimumi ir 360 nm un 450 nm gaismā. Šūnā fototropīni ir lokalizēti plazmatiskajā membrānā. Fototropīni ir primāri iesaistīti fototropisma reakcijās, hloroplastu migrācijā un atvārsnīšu atvēršanās reakcijās . Darbības mehānisms: Pēc gaismas signāla saņemšanas LOV domēnā izveidojas flavīna-cisteīna komplekss, no kura tālāk signāls tiek nodots kināzes domēnam un izraisa autofosforilēšanos un konformācijas izmaiņas. Fototropīni ir lokalizēti šūnās, kas veic auksīna transportu. Pēc gaismas impulsa fotropīni sniedz signālu, kas auksīnu transportē prom no gaismas puses un izraisa šūnu stiepšanos tumsas pusē esošajās šūnās. Atvārsnīšu atvēršanās zilās gaismas ietekmē notiek protonu ATPāzes aktivitātes dēļ, kuras darbības rezultātā no atvārsnīšu slēdzējšūnām tiek transportēti H+ joni un iekšā transportēti K+ joni, kas veicina arī ūdens transportēšanu un rezultātā atvārsnīšu atvēršanos.

ZTL/ADO fotoreceptoru ģimene

Papildus kriptohomiem un fototropīniem A. thaliana ir atklāti arī tādi zilās gaismas receptori kā FKF1, kas piedalās ziedēšanas izraisīšanā garās dienas augiem, ZTL/ADO un LKP2, kas saistīti cirkādā ritma regulēšanā. Tie satur tikai vienu LOV domēnu to N-terminālajā daļā. Līdzīgi kā fototropīniem, gaismas signāla ietekmē veidojas flavīna-cisteīna komplekss.

Cirkādā ritma regulācija

Praktiski visiem eikariotiem ir iekšējais cirkādais ritms jeb bioloģiskais pulkstenis, kas ir aptuveni 24 stundas. Cirkādais ritms ļauj optimizēt procesus atbilstoši konkrētajam laikam. Augiem cirkādais ritms kontrolē tādas parādības kā lapu kustības, CO2 fiksāciju, atvārsnīšu atvēršanos, hipokotila pagarināšanos un gēnu ekspresiju. Lai arī augos darbojas iekšējais oscilators, cirkādais ritms nemitīgi tiek pieregulēts. Augu izmanto vairākus fotoreceptorus, lai "uzstādītu laiku". A. thaliana gaismas stabilais phyA piedalās pulksteņa uzstādīšanā zemas intensitātes sarkanajā un zilajā gaismā, bet phyB, phyD un phy E augstas intensitātes gaismā. Kriptohroms piedalās, uztverot zilo gaismu visās intensitātēs. Signālu uztveršanā un pārvadīšanā piedalās arī ZTL un FKF1 fotoreceptori. Savukārt fototropīni šajā procesā piedalās maz. Gaismas signāli spēj ietekmēt cirkādo ritmu tikai noteiktā diennakts laikā, kas pazīstams kā "gating". Pēc gaismas signāla uztveršanas notiek svarīgāko gēnu ekspresija, kā LHY, CCA1 un PRR9.

Fotoperiodisms

Fotoperiodisms ir augu un citu organismu reakcija uz noteiktu diennakts gaismas un tumsas perioda attiecību. Pēc fotoperioda augi nosaka sezonas laiku un atbilstoši tam reaģē. Galvenā loma šajā procesā ir phyA un cry2. Fotoperiods augos kontrolē tādus procesus kā ziedēšanu, ieiešanu vai iziešanu no miera perioda, dažādu veģetatīvo struktūru veidošanos, uzkrājējorgānu veidošanos u.c. Pēc ziedēšanas laika augus iedala garās dienas augos, īsās dienas augos un dienas neitrālos augos. Sākotnēji uzskatīja, ka ziedēšanas ierosināšanai noteicošais ir dienas garums, bet vēlāk noskaidroja, ka kritiskais ir nakts garums. Garās dienas augā A. thaliana pētītais mehānisms rāda, ka cirkādais ritms kontrolē CO (CONSTANS) proteīna mRNS līmeni augos. Pēc translācijas CO proteīns mijiedarbojas ar fotoreceptoriem un saglabājas stabils tikai gaismas apstākļos. Konkrēts CO daudzums jāsasniedz lapās, lai to vēlāk transportētu uz apikālo meristēmu un ierosinātu FT (Flowering Locus T) gēna ekspresiju, kas noved pie ziedēšanas.

Fotomorfoģenēzes praktiskais pielietojums

Zināšanas par fotomorfoģenēzi izmanto selekcijā un gēnu inženierijā, lai veidotu lauksaimniecībai noderīgas šķirnes, kas ēnas ietekmē nestiepjas garumā, tādējādi atstājot vairāk resursus sēklu un augļu veidošanai. Plaši pielieto gaismas ilgumu un intensitāti siltumnīcu augiem, lai regulētu to attīstību, kā arī novērstu vai ierosinātu ziedēšanu. Zināšanas izmanto arī, lai izveidotu augus, kas uzkrātu dažādas vielas. Ar ģenētisko modifikāciju iegūti tomātu augi, kuriem nav konkrētu phy un cry fotoreceptoru, kā rezultātā augļos uzkrājas vairāk karotenīda likopēna, kas var palīdzēt pasargāt no vēža. Tomēr šādu augu komercializēšana nav atļauta, vairāku papildus blakusparādību dēļ, kā arī sabiedrības protesta dēļ pret ģenētiski modificētu augu audzēšanu.