Úloha rostlinných hormonů v ontogenezi a při interakci s prostředím
Vývoj rostlin i jejich interakce s prostředím, zejména za nepříznivých podmínek, je regulována rostlinnými hormony. Každý z hormonů ovlivňuje celou řadu fyziologických procesů a naopak – na regulaci jednotlivých procesů se podílí (positivně nebo negativně) více hormonů. Hormony zprostředkují jak rychlé odezvy rostlin, např. uzavírání průduchů při nedostatku vody, tak dlouhodobé reakce spojené s modulací růstu a vývoje. Positivními regulátory buněčného dělení a růstu jsou zejména cytokininy a auxiny. Negativním regulátorem růstu, který hraje důležitou roli jak při vývoji semen, tak při odezvě na stresy (zejména ty spojené s nedostatkem vody), je kyselina abscisová.
Hladiny fyziologicky aktivních hormonů jsou velmi přesně časově i prostorově regulovány (Dobrev et al., Plant Physiol. Biochem. 2002, Nováková et al., J. Exp. Bot. 2005) jak v příslušné tkáni (např. vyvíjejícím se meristemu), tak i v jednotlivých buněčných kompartmentech. Naše laboratoř se zabývá studiem interakcí jednotlivých hormonů (Vaňková et al. in Physiology and Biochemistry of Cytokinins 1992), mechanismy regulací jejich hladin (Veach et al., Plant Physiol. 2003, Blagoeva et al., Physiol. Plant. 2004, Mok et al., Plant Physiol. 2005) a objasněním jejich úlohy v průběhu ontogeneze (Rodo et al., J. Exp. Bot. 2008) a odezvy na abiotické stresy (Havlová et al., Plant Cell Environment 2008, Gaudinová et al., Physiol. Mol. Plant Pathol. 2009).
Pomocí hmotnostní spektrometrie jsme zjistili, že rostliny tabáku reagují na nedostatek vody tvorbou gradientu cytokininů ve prospěch horních listů. Zvýšená hladina cytokininů zvyšuje sílu sinku horních listů a podílí se na jejich preferenční ochraně. Během sucha byla zjištěna akumulace cytokininů a auxinu v kořenech, korelující s jejich dlouživým růstem, důležitým pro dosažení případné spodní hladiny vody (Havlová et al., Plant Cell Environment 2008). Porovnáním rostlin tabáku s konstitutivně zvýšenou hladinou cytokininů (již před zahájením stresu) a rostlin, u nichž bylo zvýšení regulováno promotorem indukovaným senescencí, bylo zjištěno, že zvýšená hladina cytokininů oddaluje stimulaci obranných mechanismů, konkrétně zvýšení hladiny kyseliny abscisové a pigmentů xanthofylového cyklu (Haisel et al., Biol. Plant. 2008).
Schéma regulace hladiny aktivních cytokininů za sucha.
Protože se abiotické stresy vyskytují v přírodě většinou v kombinaci a nikoliv jednotlivě, porovnávali jsme teplotní odezvu rostlin při optimálním zavodnění a za silného vodního deficitu. Výrazné zvýšení síly teplotního stresu při nedostatku vody naznačuje důležitost intenzívní transpirace pro udržení snížené teploty listů, minimálně v rané fázi odezvy. Dynamika hormonálních hladin (přechodné zvýšení cytokininů za současného snížení kyseliny abscisové) dobře koreluje s přechodným zvýšením vodivosti průduchů (Dobrá et al., J. Plant Physiol. 2010).
Dynamika hormonálních hladin při teplotním stresu.
Důležitým osmoprotektantem při vodním deficitu je prolin. Vliv konstitutivního zvýšení hladiny prolinu byl sledován při odezvě na teplotní stres samotný a v kombinaci se suchem. Pouze mírné zvýšení odolnosti rostlin naznačilo komplexní charakter tolerance vůči abiotickému stresu (Dobrá et al., J. Plant Physiol. 2010). Stanovení expresních profilů genů biosyntézy a degradace prolinu ukázalo rozdílnou regulaci hladin prolinu v kořenech a v nadzemní části během stresu a po jeho odeznění (Dobrá et al., J. Plant Physiol., in press).
Značná autonomie regulace hladin cytokininů v chloroplastech, organelách, které jsou velmi důležité jak z hlediska fotosyntézy, tak stresové odezvy, byla zjištěna porovnáním vlivu změn metabolismu cytokininů v cytoplazmě na hladiny aktivních cytokininů v celých listech a v izolovaných chloroplastech (Polanská et al., J. Exp. Bot. 2007).
Vliv virové infekce (Blackcurrant reversion virus, BRV) na hladiny jednotlivých hormonů byly sledovány v listech, květech a mladých plodech bílého a červeného rybízu. Zvýšení hladin bioaktivních cytokininů ve časném stádiu tvorby květů korelovalo s květní malformací vyvolanou virem (Gaudinova et al., Physiol. Mol. Plant Pathol. 2009).
Ve spolupráci s Prof. Machteld a Davidem Mokovými (Oregon State University, Corvallis) byla sledována úloha cytokininů při vývoji květů v kukuřici se zvýšenou expresí genu pro zeatin O-glukosyltransferázu. Konstitutivní exprese tohoto genu vedla k potlačení vývoje samčích květů a současně ke zpomalení stárnutí listů (Rodo et al., J. Exp. Bot. 2008).
Společně s Prof. Michaelem M. Neffem (Washington State University, Pullman) jsme se věnovali studiu proteinů SOB5 a SOFL, nových komponet regulace cytokininového signálu (Zhang et al., Plant J., 2006, Zhang et al., PLOS ONE, 2009).
Ve spolupráci s Prof. Richardem McAvoy (University of Connecticut, Storrs) jsme sledovali vztah mezi zvýšenou hladinou cytokininů a zpomalením senescence listů i květů petunií a chrysantém. Výsledky naznačily potenciální praktické využití regulace hormonálních hladin (Khodakovskaya et al., J. Exp. Bot. 2005).
Na objasnění mechanismu hormonální regulace odezvy na chladový stres spolupracujeme s Dr. Gáborem Galibou a Dr. Tiborem Jandou (Agricultural Research Institute, Martonvásár) (Majláth et al., J. Plant Physiol., v tisku). Při studiu odezvy na extrémní teploty dále spolupracujeme s Prof. Břetislavem Brzobohatým (Mendelova Univerzita v Brně a Dr. I. T. Prášilem (VÚRV Praha). Cílem naší práce je charakterizace úlohy jednotlivých rostlinných hormonů (zejména cytokininů, auxinu a kyseliny abscisové) a jejich vzájemných interakcí při odezvě na extrémní teploty.