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 Physiology and Biochemistry 2002, Nováková et al., Journal of Experimental Botany 2005) jak v příslušné tkáni (např. vyvíjejícím se meristemu), tak i v jednotlivých buněčných kompartmentech (Polanská et al., Journal of Experimental Botany 2007).
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 Physiology 2003, Blagoeva et al., Physiologia Plantarum 2004, Mok et al., Plant Physiology 2005), objasněním jejich úlohy v průběhu ontogeneze (Rodo et al., Journal of Experimental Botany 2008) a odezvy na abiotické stresy (Havlová et al., Plant Cell Environment 2008; Dobrá et al., Journal of Plant Physiology 2010; Kosová et al., Journal of Plant Physiology 2012; Vaňková et al., Environmental Experimental Botany 2014; Dobrá et al., Plant Science 2015; Gaudinova et al., Physiological and Molecular Plant Pathology 2009).
Pomocí hmotnostní spektrometrie jsme zjistili, že rostliny tabáku reagují na nedostatek vody tvorbou gradientu aktivních 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 (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 xantofylového cyklu (Haisel et al., Biologia Plantarum 2008). Pomocí exprese genu SAG12 jsme prokázali, že zotavení po stresu suchem je aktivní proces, odlišný od kontrolních podmínek (Vaňková et al., Plant Signaling and Behaviour 2012).
Polarizace rostlin tabáku během stresu suchem (CKX=cytokininoxidasa/dehydrogenasa).
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). 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 naznačilo důležitost intenzívní transpirace pro udržení snížené teploty listů, minimálně v rané fázi odezvy. Sledování průběhu otevřenosti průduchů v listech tabáku vystavených zvýšené teplotě potvrdilo předpokládaný průběh regulace svěracích buněk (Macková et al., J. Exp. Bot. 2013). Aplikace teplotního stresu pouze na listy, na kořeny nebo na celé rostliny Arabidopsis ukázalo, že v rostlině dochází k velmi rychlé komunikaci mezi nadzemní a podzemní částí a že je přechodně stimulována signální dráha cytokininů v tkáních, které nebyly přímo vystaveny stresu (Dobrá et al., Plant Science 2015). Odezvy jednotlivých antioxidačních enzymů na teplotní stres a/nebo sucho byly sledovány na základě jejich transkripčních profilů (Lubovská et al., J. Plant Physiol. 2014). Během stresů docházelo k výraznému snížení transkripce chloroplastových isoenzymů (současně s inhibicí fotosyntézy), zatímco transkripce cytoplazmatických forem byla zvýšena. Regulace redox systémů během vývoje a jednotlivých stresů byla shrnuta v přehledném článku Kocsy et al., Plant Sci. 2013.
Dynamika změn v hladinách kyseliny abscisové (ABA) a cytokininů (CK) v rané fázi odezvy na teplotní stres
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., Journal of Plant Physiology 2011).
Ve spolupráci s Prof. Lam-Son Tranem (RIKEN Plant Science Centre, Yokohama, Japan) jsme charakterizovali odezvu rostlin Arabidopsis konstitutivně exprimujicích gen pro cytokinin oxidasu/dehydrogenasu na nedostatek vody a zvýšený obsah soli (Nishiyama et al., Plant Cell 2011). Studium rostlin Arabidopsis ukázalo, že snížení hladin cytokininů je spojeno se zvýšením tolerance vůči suchu i zasolení a že snížení hladin cytokininů je doprovázeno nižší basální hladinou kyseliny abscisové, ale současně se zvýšenou citlivostí vůči tomuto hormonu. Porovnání dopadu exprese cytokinin oxidasy/dehydrogenasy v celé rostlině (35S promotor) nebo pouze v kořenech (WRKY6 promotor) na odolnost vůči suchu naznačilo, že zvýšená odolnost konstitutivního transgenu souvisí s jeho odlišnou morfologií listů a s výrazným zpomalením růstu nadzemní části (Macková et al., Journal of Experimental Botany 2013). Tento projekt proběhl ve spolupráci s Prof. Thomasem Schmüllingem (Free University Berlin). Naše zkušenosti ze studia úlohy cytokininů při odezvě na abiotické stresy byly shrnuty v přehledném článku (Ha et al., Trends in Plant Science 2012).
Se skupinou Prof. Trana jsme sledovali metabolismus cytokininů v jednotlivých orgánech sóji během různých vývojových stádií, jak za kontrolních podmínek, tak za sucha. Obsah cytokininů i změny expresních profilů genů zapojených do metabolismu cytokininů ukázaly, že redukce hladin těchto hormonů představuje jednu z hlavních odpovědí na abiotické stresy (Le et al., PLoS ONE 2012). Ve spolupráci s Dr. Dimitarem Djilianovem (AgroBioInstitute, Sofia) jsme stanovili hormonální změny během desikace a zotavení rostlin Haberlea rhodopensis. Zjistili jsme, že velmi důležitou roli během dehydratace hraje kyselina jasmonová (Djilianov et al., J. Plant Growth Regul. 2013).
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. 2011 a Physiol. Plant. 2012). Za účasti Dr. I. T. Prášila a jeho kolektivu (VÚRV Praha) jsme charakterizovali dynamiku hormonálních hladin a proteomu během jednotlivých fází chladového stresu u ozimé a jarní pšenice (Kosová et al., J. Plant Physiol. 2012 a J. Proteome Res. 2013). Hormonální změny během dlouhodobého chladového stresu jsme stanovili u dvou linií Triticum monococcum (Vaňková et al., Environ. Exp. Bot. 2014). Při studiu odezvy na extrémní teploty dále spolupracujeme s Prof. Břetislavem Brzobohatým (Mendelova Univerzita v Brně).
Podíleli jsme se na charakterizaci linie SE7 kalužnice křivoklasé (Eleusine coracana). Bylo zjištěno, že více rozvětvený fenotyp a zvýšený výnos semen této linie je důsledkem snížení exprese genů pro cytokinin oxidasu/dehydrogenasu a následného zvýšení hladiny aktivních cytokininů, které stimulují aktivitu meristému (Radchuk et al., J. Exp. Bot. 2012).
Ve spolupráci s Prof. Etti Or (Institute of Horticulture, Volcani Center, Bet Dagan, Israel) jsme studovali funkci cytokininů při zakládání plodů révy vinné, které zahrnuje stimulaci exprese genu TFL1 (homologue of terminal flower 1), což prodlužuje dobu větvení a oddaluje diferenciaci květního meristému (Crane et al., Planta 2012).
Vliv kyseliny abscisové na transkripci chloroplastových genů byl sledován při světle a za tmy v listech ječmene (Yamburenko et al., J. Exp. Bot. 2013), ve spolupráci s Prof. Thomasem Bőrnerem (Humboldt University, Berlin).
Ve spolupráci s Prof. Gadem Millerem (Bar-Ilan University, Ramat-Gan, Israel) jsme charakterizovali úlohu askorbát peroxidasy 6 při ochraně semen Arabidopsis během jejich desikace a při interakci mezi kyslíkovými radikály, kyselinou abscisovou a auxinem (Chen et al., Plant Physiol. 2014).
Kromě studia úlohy rostlinných hormonů během odezvy na abiotické stresy se zabýváme i objasněním mechanismů obrany rostlin proti biotickým stresům. Zjistili jsme, že virová infekce (Blackcurrant reversion virus, BRV) způsobuje květní malformaci rybízu (a tím i zastavení vývoje plodů) zvýšením hladin aktivních cytokininů v časném stádiu tvorby květů (Gaudinová et al., Physiol. Mol. Plant Pathol. 2009). Ve spolupráci s Prof. Krzysztofem Wieczorkem a Dr. Ninou Kammerhofer (University of Natural Resources and Life Sciences, Tulln, Austria) jsme charakterizovali hormonální změny doprovázející napadení kořenů Arabidopsis nematodami (Kammerhofer et al., New Phytol. 2015). Úlohu cytokininů při odezvě na poranění a napadení herbivory jsme studovali ve spolupráci s Prof. Martinem Schäferem a Dr. Stefanem Meldau (Max Planck Institute for Chemical Ecology, Jena, Germany) (Schäfer et al., J. Integrative Plant Biol., 2015).
Cílem naší práce je zejména charakterizace úlohy jednotlivých rostlinných hormonů (zejména cytokininů, auxinu a kyseliny abscisové) a jejich vzájemných interakcí při odezvě na abiotické a biotické stresy, dále objasnění role cytokininů při vývoji rostlin.