De fysiologie van vertakking:

een symfonie georchestreerd door

plantenhormonen

Dominique Van Der Straeten & Bram Van de PoelLaboratorium voor Functionele Plantenbiologie

K.L. Ledeganckstraat 35

Vakgroep Fysiologie

Faculteit Wetenschappen

Universiteit Gent

www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.110.tt0310

Structuur van voordracht

Inleiding

Hoe werken hormonen?

Principes van kruisregulatie van hormonale effecten

(hormooninteracties)

Hormonale controle van vegetatieve groeiAuxinen

Cytokininen

Strigolactonen

Gibberellinen

Brassinosteroiden

Ethyleen

Inhibitoren en stimulatoren van plantenhormonen

Hormonen

Hormoon: Grieks “ormao” = stimuleren, opwinden

Term eerst gebruikt in 1905 door Ernest Starling, Brits fysioloog

Fytohormonen

“... gekarakteriseerd door de

eigenschap dienst te doen als

chemische boodschappers,

waardoor de activiteit van een

orgaan gecoördineerd is met

dat van andere.”

-Frits Went & Kenneth Thimann, 1937

Frits Went, 1903-1990 Kenneth Thimann, 1904-1997

Plantenhormonen:

klassiekers en tweede generatie

Auxine

Cytokinine

Gibberelline

Abscissinezuur

Ethyleen

Brassinosteroide Salicyl

zuur

Jasmonzuur

Strigolacton

N=O

Stikstofmonoxide

Plantenhormonen

Plantenhormonen controleren:

- cellulaire activiteit (celdeling, elongatie & differentiatie)

- organogenese

- transities naar ontwikkelingsstadia

- processen van patroonvorming, architectuur,

geslachtsdeterminatie

- responsen tov. abiotische en biotische stress

Plantenhormonen reguleren quasi

elk stadium van ontwikkeling

Fertilizatie &

vruchtzetting

Zaad

dormantieEmbryogenese

Vrucht-

rijping

Kieming

Bloei

Groei en

vertakking

Pleiotropie

Hoe werken hormonen: synthese,

transport, perceptie, signalisatie &

responsen

Binding aan

receptor Signaal

transductie

Effecten

Transport

Effecten

Productie van

actief hormoon

H

Synthese

Productie van

actief hormoon

SyntheseAfbraak

H

HConjugatie

De-conjugatie

Vele biochemische

pathways leiden tot

hormoonaccumulatie.

Deze zijn strikt

gereguleerd. Conjugatie

dient voor tijdelijke opslag

van het hormoon in inerte

vorm, leidt tot

catabolisme, of kan het

actieve hormoon

produceren (vb. JA).

Transport & perceptie

Binding aan

receptor

Productie van

actief hormoon

H

Transport

Heel veel vooruitgang

geboekt door

karakterisering van

hormoonreceptoren, die

zich in de celmembraan,

in het cytoplasma, of de

celkern kunnen bevinden.

Hormonen kunnen

bewegen door het xyleem

of floeem, of doorheen

celmembranen, meestal

via specifieke

transporteiwitten.

Signaaltransductie

Signaal

transductie

Proteine

fosforylatie

Proteine

defosforylatie

P

Proteolyse

Hormonale signalen

worden doorgegeven

via eiwitfactoren die

gereguleerd worden

op diverse manieren.

Heel vaak is dit door

fosforylering of door

eiwitafbraak.

Responsen

Downstream

effecten

Downstream

effecten

Transcriptie

Niet-genomische

effecten (bvb. regulatie

van ionenkanalen)

Downstream effecten zijn

meestal het gevolg van

gewijzigde

gentranscriptie (inductie

of repressie van

expressie). Sommige

effecten gebeuren zonder

transcriptiewijziging.

Hormonen: Synthese, transport,

perceptie, signalisatie & responsen

Binding aan

receptor

Productie van

actief hormoon

Signaal

transductie

Downstream

effecten

H

Transport

Downstream

effecten

Transcriptie

Non-genomische

effecten (bvb. regulatie

van ionenkanalen)

Synthese Afbraak

H

H

Conjugatie

De-conjugatie

Proteine

fosforylatie

Proteine

defosforylatie

P

Proteolyse

Werking van hormonen

Conclusies en gevolg:

1. Plantenhormonen hebben vele functies

2. De pool aan aktief hormoon wordt door diverse stappen

in het metabolisme gecontroleerd

> Er kan interactie optreden tussen hormonen

> Groei-inhibitoren, groeistimulatoren kunnen groei sturen

door te interfereren op de verschillende niveaus in

hormoonmetabolisme

Interacties tussen hormoon

signalisatie routes

Crosstalk (kruis-regulatie) kan positief en additief, of

positief en synergistisch, of negatief zijn.

Respons

H1 H1 H2

Respons

H1 H2

Interacties tussen hormoon

signalisatie routes

Crosstalk (kruis-regulatie) kan positief en additief, of

positief en synergistisch, of negatief zijn.

Response

H1 H1 H2

Response

H1 H2

Respons

H1 H2H2

Crosstalk van een hormoon

(H2) kan synthese,

transport, signalisatie van

een ander hormoon (H1)

beïnvloeden

Autoregulatie, regulatie door

omgevingsfactoren en door andere

hormonen

Synthesis IAA Transport Perception

(receptor)

TF activation/

inactivation

Target

genes

Biological

Functions

Catabolism Conjugation

Gravity, Nutrient status, Ionic environment, Pathogens,

Light: directionality, intensity, wavelength

Synthese IAA Transport Perceptie

(receptoren)

TF activatie/

inactivatie

Doelwit

genen

Biologische

Functies

Catabolisme Conjugatie

Omgevingsfactoren: graviteit, nutrient status, licht (richting, intensiteit, golflengte)

Hormonale factoren

Hormonen in controle van

vegetatieve groei: elongatie,

vertakking & organogenese

Groei door

elongatie

Groei door

vertakking

Gekiemde

zaailing

Scheut- en wortelelongatie bij

kieming van soyaboon

Organogenese

Inhibitie van hormoonsynthese of

respons interfereert met elongatie

en vertakking

Arabidopsis Arabidopsis

Wild type Wild typeAuxine

respons

mutant

Brassinosteroide

biosynthese

mutanten

GA

Wild type Gibberelline

biosynthese

mutant

Erwt

Auxine Brassinosteroide

Auxinen

Indol-3-azijnzuur (IAA), het

meest voorkomende

natuurlijke auxine

•Groei

•Foto- en gravitropie

•Vertakking

•Embryonale

patroonvorming

•Stamcel onderhoud

•Orgaaninitiatie

Polar auxin transport

Auxine transport uit de cellen wordt

geregeld door transporteiwitten die

collectief de richting van auxine

beweging bepalen. Asymmetrische

distributie van de transporters

controleert polair auxine transport.

IAA- + H+IAAH

Cytoplasma

pH 7

IAA-

IAAH

IAA- + H+

Celwand

pH 5.5

Netto flux

van

auxine:

van

scheut

naar

wortel

Auxine controleert plant

ontwikkeling

Inhiberen van

zijscheutvorming

Stimuleren van

vertakking van de

wortel

Stimulatie van

laterale

orgaanvorming in

scheut apicaal

meristeem

Onderhoud

van het lot van

stamcellen in

het wortel

apicaal

meristeem

Controle vasculaire

ontwikkeling

WT

alf1/sur1/rty1

aberrant

lateral root

formation

Auxine biosynthese mutant

Accumulateert auxines

Vicia faba (tuinboon)

Auxin interacties

Elke stap is gereguleerd door auxine activiteit alsook

omgevingsinvloeden, licht, graviteit, beschikbaarheid van

nutriënten, stress, en andere hormonen.

Cytokininen

trans-zeatine, cytokinine

•Celdeling

•Controle

bladsenescentie

•Controle nutrient

allocatie

•Onderhoud stamcellen

•Regulatie auxine

werking

Cytokininen ageren antagonistisch

tov auxinen

Inhibitie van

zijscheuten

Stimuleren

van

zijwortels

Stimuleren

laterale

orgaanvorming

thv SAM

Sturen van het

lot van

stamcellen thv

het WAM

Sturen het lot

van stamcellen

in het SAM

Stimuleren

van

zijscheuten

Inhibitie

van

zijwortelsStimuleren

differentiatie

thv het WAM

CK Auxine

Heksenbezem op

spar

Vaak gevolg

van bacterieel/fungaal

parasitisme!

Tevens bij maretak-

parasitisme

Witches’ broom

Strigolactonen

Strigolactonen worden in de wortel

geproduceerd.

Zij trekken mycorrhizale fungi aan

(optimaliseren P-opname) & stimuleren

kieming (oa.bij parasitaire planten van het

genus Striga).

Strigolactonen inhiberen zijscheutvorming.

Strigolactonen inhiberen

zijscheutvormingWT Mutant

Apex

zijknop

Auxine Strigolacton

Auxine getransporteerd

van scheut naar wortel

induceert strigolacton

synthese, wat

zijscheutvorming

inhibeert.

In een rijstmutant die

geen strigolactonen

aanmaakt, zullen meer

zijscheuten gevormd

worden.

Fenotype van strigolacton

mutanten in rijst

Controle planten

GR24-behandelde planten

F-box CCD8

Fenotypes van Arabidopsis SL max

mutanten

Effecten van SL

and lateral

Drie hormoonstromen controleren

zijknop activiteit

Auxine, cytokinine & strigolacton

controleren vertakking

Zijscheuten worden

bevorderd door CK

en geïnhibeerd

door SL en AUX

Zijwortelvorming

wordt door AUX

gestimuleerd, door

CK en SL

geïnhibeerd

Vertakking

controleert plant

productiviteit, van

nutrient opname tot

gewasopbrengst

Hoe interageren AUX, CK en SL in

zijscheutvorming?

AUXIN SIGNALLING

F-BOX PROTEIN (AFB)

ISOPENTENYL

TRANSFERASE (IPT)

Strigolacton ageert als secundaire boodschapper voor auxine

AUX inhibeert [CK] AUX stimuleert [SL]

Model van interacties in vertakking:

AUX, CK, SL, licht, nutriënten

nutrients

Samenvatting – hormonale controle

van vertakking

Plantenhormonen hebben pleiotrope

effecten op groei, inclusief vertakking

Auxine, cytokinine & strigolacton

controleren vertakkingspatronen

Andere hormonen, licht, nutrienten,

kunnen hierop inspelen (cross-talk)

Huidig onderzoek

Hormonen als signaalmoleculen in aspecten van groei en verdediging

(bvb. mechanische stress bij kieming, plant-plant competitie)

Nieuwe aspecten van hormoonsynthese, transport, homeostase &

signalisatie worden nog ontdekt

Enorme mogelijkheden voor land- en tuinbouwkundige toepassing,

incl.:

• ontwikkeling van stress-resistente planten

• planten met een efficiëntere nutriëntenopname

• langere houdbaarheid

• toename van productiviteit

Hoe kan dit toegepast worden in

praktijk?

Inhibitoren en stimulatoren!

Inhibitoren en stimulatoren van plantenhormonen

De vorm en vertakking

van de plant wordt

bepaald door het

samenspel van alle

hormonen en de

omgeving.

Inhibitoren

– 1-N-Naphthylphthalamic acid - NPA

– 2,3,5-Triiodobenzoic acid – TIBA

– L -amino-oxyphenylpropionzuur - AOPP

Stimulatoren

– Indool-3-azijnzuur - IAA

– Indole-3-boterzuur – IBA (Ami-Plus, Optiset, Rootone, Speedone)

– Fenylazijnzuur - PAA

– 4-Chloorindoolazijnzuur

– 1-Naftylazijnzuur - NAA (Certis, Clingspray, Contra-Val, Fixor)

– 2,4-dichloorfenoxyazijnzuur – 2,4D

Auxine

Inhibitie auxine transport

Inhibitie auxine biosynthese

Auxine stimulatoren

Indole-3-boterzuur (IBA)

Overtollige vruchtzetting tegen gaan

jmcextman.blogspot.com

Wortelvorming bij stekken

Calycanthuswww.cals.ncsu.edu

1-Naftylazijnzuur (NAA)

Vruchtval

2,4-dichloorfenoxyazijnzuur (2,4D)

Herbicide

Auxine Inhibitoren

L -amino-oxyphenylpropionzuur (AOPP) Inhibitie van de auxine biosynthese

Arabidopsis thaliana

Soeno et al., 2010

Stimulatoren

– Kinetine

– 6-Benzyladenine (Exilis, Globaryll, Maxcel)

Cytokinines

Stimulatie van celdeling

6-Benzyladenine

Opbrengstverhoging (uitdunnen)

pgr.valentbiosciences.com Cate et al., 2013

Compacte groei

Kinetine

Strigolacton

- SLControle

Chen et al., 2013

Pisum sativum (bonen)

Vertakking

- SLControle

www.agri.tohoku.ac.jp

Rijst

Nieuw hormoon

(2008)

Strigolacton Inhibitor

TIS13 & TIS108 Strigolactone biosynthese inhibitor

Meer vertakkingen in Arabidopsis

Ito et al., 2013Ito et al., 2010

Rijst

Scheutvorming

Controle TIS108

Gibberellines

Inhibitoren:

– Paclobutrazol (Bonzi, Pirouette, Toprex)

– Daminozide (Alar 85, B-nine, Dazide Enhance)

– Trinexapac-ethyl (Cuadro, Limitar, Moddus, Moxa, Optimus, Scitec, Trimaxx)

– Prohexadion (Regalis)

Stimulatoren:

– Gibberellines – GA’s (Falgro, Gibb 3, Gibb Plus, Gibbalin, Novagib, Stefagib, Regulex, Provide, Prorex, Promalin, Prob-Gib Plus, Perlan)

Inhibitie gibberelline biosynthese

Inhibitie van cel elongatie

Gibberelline inhibitoren

Michigan State University

Daminozide Paclobutrazol

maherjabado.com

Gaura lindheimeri (Prachtkaars)

Helleborus (kerstroos)

www.hortidaily.comhttp://www.flowerbulbs.cornell.edu

Tulpen

Celosia (Amaranten)

Verminderde en compactere groei

Trinexapac-ethyl

Gibberelline inhibitoren

Weersbestendigheid van turf

Verminderde stengelgroei –

Legeren graangewassenProhexadion

www.selectaworld.com

Mini petunia (Calibrachoa)

Inhibitie scheut en bladvorming

buckeyeturf.osu.edu

cropwatch.unl.edu

Gibberelline stimulatoren

www.theenglishappleman.com

Vruchtzetting

http://5e.plantphys.net

Verlenging vaasleven

Incalelie

(Alstroemeria)

http://www.plant-dynamics.nl

Inductie van partenocarpie

Brassinosteroïden

www.tum.de

Controle -Br

Brassinolide (Br)

KomkommerControle

-Br

---Br--Br

http://www.hhmi.org

Tabaksplant

Groeivertraging en inhibitie van senescentie

Brassinosteroïden Inhibitoren

Brassinazole (Brz) Inhibitie van de brassinosteroïden biosynthese

Tabaksplant zaailingen

Tomaten zaailingen

Asami & Yoshida, 1999

Asami & Yoshida, 1999

Ethyleen

Gasvormig hormoon

Inhibitoren:

– Zilver ionen

– 1-MCP (SmartFresh, Ethyl Block, Ethyl Buster, Ripelock)

– Aminoethoxyvinylglycine AVG (ReTain)

– Amino-oxy azijnzuur (AOA) en Amino-iso-boterzuur (AIB)

Stimulatoren:

– Ethyleen gas

– 2-chloorethaanfosfonzuur (Ethefon, Ethyl, Arvest, Cerafon, Ethepro, Flordimex480, Terpal, Yatze)

Blokkering van receptoren

Inhibitie van biosynthese

Inhibitie cel elongatie

Ethyleen inhibitoren

Zilver ionen

Taiz & Zeiger, 2010

AVG

Aminoethoxyvinylglycine

= Retain

http://ipm.illinois.edu

1-Methylcyclopropane

(1-MCP)

= Smartfresh

http://eastargroup.en.alibaba.com

firm.cfaes.ohio-state.edu

Controle 1-

MCP

Controle

1-

MCP

Ethyleen stimulatoren

Bladval

Katoenplanthttp://thefarminggame.me/

Legering

Graangewasseniwheat.org

Fruit rijping

www.realfoods.co.uk

Opbrengstverhoging

Koolzaad

www.zantra.com

Petunia ChrysantenGroeivertraging

Whipker et al., 2014

Sumitomo et al.,

2008

Ethyleen stimulatoren

Bromelia’smensensamenleving.me

Bloei-inductie

Mexicaanse heide

24h blootstelling aan zeer lage ethylene concentraties

Ethyleen - Neveneffecten

Bloem abortie

http://www.hort.cornell.edu/mattson/leatherwood/

Epinastie

http://endowment.orgTomaatppm

Wilkinson et al., 2005

Bonen

Opbrengstverlies

Florigen

Zeevaart et al., 2006Taoka et al., 2013 McGarry & Kragler, 2013Katoenplant