Biologia molekularna roślin Rośliny modelowe

Specyfika roślin: co je wyróżnia spośród innych organizmów?

Specyfika roślin: biologia komórki fotosynteza Rośliny są fotoautotrofami – ta cecha wyróżnia je najbardziej; komórki roślin zawierają chloroplasty (plastydy) umożliwiające fotosyntezę. Plastydy zawierają własne genomy determinujące ważne cechy, przede wszystkim związane z fotosyntezą Genomy plastydów współpracują z genomem jądrowym (ko-ewolucja genomów) Miedzy chloroplastami a jądrem istnieje intensywna komunikacja (retrograde signaling)

Komórki roślin i komórki zwierząt zasadniczo się różnią

Specyfika roślin: biologia komórki ograniczenia rozwoju wynikające z występowania ściany komórkowej Komórki roślin są ograniczone celulozowymi ścianami zewnętrznymi. W przeciwieństwie do zwierząt (sztywna forma przestrzenna = szkielet zewnętrzny lub wewnętrzny + mięśnie + wypełniająca tkanka łączna) sztywna forma roślin wynika z turgoru, obecności ścian komórkowych i substancji nierozpuszczalnych, np lignin. Rośliny naczyniowe, podobnie jak zwierzęta, mają system krążenia umożliwiający rozprowadzania substancji pokarmowych i usuwanie zbędnych produktów przemiany materii. (Właściwości takich nie mają grzyby, dlatego ich rozmiar podlega silnym ograniczeniom). Ściana komórkowa roślin stwarza ograniczenie dla dyfuzji. Wielkość porów w ścianie (3,5-5,2 nm) silnie ogranicza ruch cząsteczek o masie powyżej 15Kd. W celu komunikacji międzykomórkowej rośliny muszą w większym stopniu niż zwierzęta polegać na związkach drobno cząsteczkowych. Ściana komórkowa a metodyki badawcze

System krążenia u roślin Łyko (floem) przewodzi organiczne substancje pokarmowe; struktura: żywe rurki sitowe Drewno (ksylem) rozprowadza wodę i sole mineralne; struktura: martwe naczynia

Łyko (floem) przewodzi organiczne substancje pokarmowe Różne rozwiązania systemu krążenia u roślin naczyniowych - korzenie jedno- i dwuliściennych Łyko (floem) przewodzi organiczne substancje pokarmowe Drewno (ksylem) rozprowadza wodę i sole mineralne Jednoliścienne Dwuliścienne

Specyfika roślin: sposoby integracji organizmu; komunikacja międzykomórkowa Występowanie plazmodesmów powoduje, że roślina nie jest zbiorem indywidualnych komórek, lecz obejmującym cały organizm połączonym obszarem, tzw. symplastem, w którym komórki mogą się z sobą komunikować za pomocą sygnałów chemicznych. Apoplast jest połączonym obszarem na zewnątrz symplastu. Ruch cząsteczek przez plazmodesmy jest ściśle kontrolowany.

Ruch cząsteczek w apoplaście podlega prawom chemii i fizyki Symplast

Ruch cząsteczek w symplaście podlega także prawom biologii

Większość objętości komórki zajmuje wakuola Komórka Zwierzęca Wakuola = 50-95% obj. komórki Wielkość komórki nie zależy od zwiększania ilości cytoplazmy (biosyntezy makrocząsteczek) i nie wiąże się z obniżeniem szybkości dyfuzji w komórce Ważne dla: przewodzenia sygnałów od błony do jądra, syntezy i transportu białek, syntezy błon, ruchów cytoplazmy, wyrównywanie stężeń substancji pokarmowych i gazów Wakuola

Merystemy (linia zarodkowa) Zwierzęta – wyspecjalizowane tkanki zarodkowe (spermatogonia, oogonia), różnicują z komórek somatycznych we wczesnej embriogenezie, izolowane od presji selekcyjnej Rośliny kwiatowe – znaczną część niezróżnicowanej tkanki stanowi merystem, tkanka zdolna do wzrostu wegetatywnego i różnicowania (na ogół pod wpływem specyficznych bodźców ze środowiska, jak długość dnia) w organy generatywne, które następnie wytwarzają komórki zarodkowe (pokolenie gametofitowe)

Pokolenie gametofitowe i sporofitowe Rośliny kwiatowe maja dwuetapowy cykl życiowy. Diploidalne stadium sporofitu i haploidalne stadium gametofitu: żeńskiego (komórka macierzysta magaspory (2N) – megaspora (1N) – megagametofit – kom. jajowa) i męskiego (komórka macierzysta mikrospory (2N) – mikrospora (1N) – ziarno pyłku – gameta męska) Komórki gametofitów roślin przechodzą szereg podziałów komórkowych w stadium 1N, w trakcie których prowadzą aktywny metabolizm! Zwierzęta – końcowe produkty mejozy (spermatydy i kom. jajowe) są w większości nieaktywne metabolicznie, po dojrzeniu ekspresja genów ustaje. Komórki jajowe zwierząt mają wystarczające zapasy mRNA i rRNA na kilka podziałów po-zygotycznych (po zapłodnieniu )

Cykl życiowy roślin kwiatowych

Konsekwencje U zwierząt recesywne allele letalne przenoszone są do zygoty, heterozygotyczność uniemożliwia selekcję przeciwko tym allelom. U roślin, większość recesywnych alleli letalnych (np dot. szlaków metabolicznych, kontroli cyklu komórkowego) jest eliminowana podczas gametofitowego pokolenia haploidalnego. Z gamet roślinnych można wyprowadzać pokolenie haploidalne (u niektórych gatunków)

Totipotencja (zdolność komórek do różnicowania) U zwierząt komórki somatyczne przechodzą na ogół końcowe różnicowanie już we wczesnym rozwoju i mogą podlegać rearanżacjom mat. genetycznego, eliminującego totipotencję, np. selektywna utrata chromosomów (bezkręgowce), selektywna politenizacja części chromosomów, somatyczna amplifikacja genów rRNA, rearanżacja genów immunoglobulin Komórki somatyczne roślin zachowują totipotencję w ciągu całego życia rośliny. Nie dysponują zatem systemem regulacji genetycznej (końcowe różnicowanie, rearanżacje mat. genetycznego). Stwarzają wyjątkowo wygodny system do uzyskiwania organizmów zmodyfikowanych genetycznie (nauka, technologia)

System ontogenezy (rozwoju organizmu) U zwierząt, w trakcie embriogenezy komórki migrują. Komórki w zarodku roślin są ograniczone ścianami kom. i pozostają stale w tym samym miejscu Różnicowanie u roślin dokonuje się bez migracji komórek. Zasadnicza różnica w systemach ontogenezy: Implikacje ewolucyjne

Zamknięty i otwarty program rozwojowy

Programy rozwoju: zdeterminowany vs. ciągły U zwierząt program różnicowania doprowadza do formy ostatecznej tkanki lub narządu i kończy się (nieodwracalność różnicowania). Program rozwoju można uważać za zdeterminowany i kompletny plan budowy organizmu. Totipotencji komórek roślin towarzyszy brak stadium końcowego zróżnicowania. U roślin program różnicowania i rozwoju w trakcie życia ma charakter ciągły (przechodzi wiele następujących po sobie, powtarzających się cykli – zwykle w odpowiedzi na bodźce ze środowiska.) Plan budowy roślin jest odbiciem powtarzania programów rozwojowych (węzły, merystemy kwiatowe)

Wzrost wegetatywny i wzrost generatywny U zwierząt różnicowanie linii komórek płciowych i wykształcenie narządów płciowych dokonuje się we wczesnej fazie rozwoju. U roślin kwiatowych sporofit rośnie przez dłuższą część cyklu życiowego wegetatywnie. Przełączenie z wzrostu wegetatywnego na generatywny zachodzi późno, pod wpływem bodźców środowiska. Organy generatywne powstają w trakcie kwitnienia.

Kwitnienie

U roślin podział komórkowy nie jest niezbędny do nabycia przez komórki nowej specjalizacji U zwierząt, podział komórkowy jest niezbędny do różnicowania U roślin, komórki miękiszu mogą różnicować w komórki przewodzące wodę poprzez rozkład cytoplazmy i wakuoli i zgrubienie ścian komórkowych.

Arabidopsis thaliana – organizm modelowy w biologii roślin Mały jednoroczny chwast z rodziny Brassicaceae (krzyżowe); 15-20 cm wysokości, nasiona dł. 0,5 mm. Wytwarza do 5000 nasion/roślinę. Diploid (2N), mały genom 125 Mbp DNA Krótki cykl życiowy (ok. 6 tygodni „od nasiona do nasiona”. Samopylny

Arabidopsis thaliana (Johannes Thal, góry Harzu XVI w.)

A. thaliana – rozpowszechnienie na świecie

A. thaliana – Ekotypy najczęściej używane w laboratorium Landsberg (Ler) Columbia (Col0) CN24 Wassilewskija

Arabidopsis w fazie kwitnienie Pędy kwiatowe Rozeta

Kwiatostany i pojedynczy kwiat

Hodowla na dużą skalę - szklarnia

Hodowla na dużą skalę - fitotron

Transformacja Arabidopsis

Hodowla na szalce na pożywce selekcjonującej

Hodowla na szalce na pożywce selekcjonującej (powiększenie)

Siewki przed przeniesieniem do ziemi (wykształcone liście i korzenie)

Wzrost w ziemi

Hodowla z nasion od razu w ziemi

Identyfikacja mutantów (nadmiar kwiatów, wt, brak kwitnienia)

Mutacje w budowie kwiatu

Mutacje w budowie kwiatu

Mutacje w genie MET1 kodującym metylotransferazę DNA

Kultury komórkowe Arabidopsis

Wzrost i rozwój roślin zależy od ciągłego generowania nowych komórek Napędza to mała grupa wyspecjalizowanych komórek występujących w osiach wzrostowych rośliny. To tak zwane komórki macierzyste, które dzielą się z wysoką częstotliwością. Ich unikatową cechą jest to, że pierwotna komórka utrzymuje swoją aktywność komórki macierzystej, podczas gdy komórki potomne nabierają swoistych specjalizacji. W korzeniach roślin obok komórek macierzystych występują też tak zwane komórki organizujące, które dzielą się 3-10 razy rzadziej, Kontrolują one działanie otaczających komórek macierzystych i zastępują je w razie potrzeby.

Projekt sekwencjonowania genomu Arabidopsis THE ARABIDOPSIS GENOME INITIATIVE  (2000) Analysis of the genome sequence of the flowering plant Arabidopsis thaliana. Nature 408: 796 - 815

Genom Arabidopsis Sekwencjonowane obszary chromosomów – czerwone Telomery/centromery – jasno niebieskie Skupienia heterochromatynowe – czarne Powtórzenia rDNA – amarantowe Gęstość od max do min – czerw-nieb TE – transpozony, MT/CP – geny mitoch/chloropl.

Relacje miedzy chromosomami (duplikacje)

Statystyka Wielkość: 125Mb (milionów par zasad). 25 498 przewidzianych produktów genów należących do 11 000 rodzin genowych (W zasadzie tak samo, jak w genomie człowieka!). 69% genów zaklasyfikowanych na podstawie podobieństwa do genów innych gatunków. Tylko 8-23% białek związanych z transkrypcją jest ściśle spokrewnionych z białkami innych eukariontów. W przeciwieństwie do tego, aż 48 - 60% genów związanych z biosyntezą białka ma odpowiedniki u innych gatunków. Dowody kilku wielkich wydarzeń duplikacyjnych, w tym wskazujące na starożytnego tetraploidalnego przodka.

Rozkład sekwencji genowych

Porównanie trzech genomów obecnych w komórce Arabidopsis

Aktualna anotacja genomu Arabidopsis: Arabidopsis – 30 700 genów (Wersja 5 anotacji). Drosophila melanogaster – 13 676 genów (Wersja 3). Repertuar rodzin genowych w Arabidopsis (11 000 – 15 000), podobnie jak u pozostałych wielokórkowychy eukariontów o zsekwencjonowanych genomach. Jednak, liczba genów u Arabidopsis jest wyjątkowo wysoka: Niektóre z tych genów pojawiły się w wyniku duplikacji, inne rośliny charakteryzują się również wysoką liczba genów. Ryż ma około 40 000 zgrupowanych w 15 000 rodzin. Wiele genów występuje wyłącznie u roślin i nie ma ich u zwierząt 8 000 (25%) genów Arabidopsis ma homologi w genomie ryżu, ale nie w genomie Drosophila, C.elegans lub drożdży.

Białka – przewidywane funkcje

Polimorfizmy w genomie Arabidopsis 25 274 SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms)~ 1 SNP na 3.3kb 52,1% A/T -> tranzycje G/C 17,3% transwersje AT-TA 22,7% transwersje AT-CG 7,9% transwersje CG-GC 14 570 InDeli (Inwersji/Delecji) w odległości śr. 6.1 kb. 95% o długości poniżej 50bp. Przypuszczalnie 30% InDeli dłuższych niż 250bp to insercje transpozonowe. Transpozony stanowią co najmniej 10% genomu, czyli 1/5 międzygenowego DNA! Rejony bogate w geny są ubogie w transpozony. Transpozony częstsze w rejonach ubogich w geny. Przyczyna czy skutek: czy transpozony integruja się w rejony ubogie w geny, czy wysoka liczna transpozonów przeciwdziała występowaniu genów?

Co to jest SNP ? SNP jest pojedynczą zmianą zasady w sekwencji DNA występującą ze znaczącą częstością (co najmniej 1 procent) w dużej populacji.

Niektóre fakty dotyczące SNP Ludzie mają 99,9 % identycznych zasad w DNA. Pozostałe 0,1% jest odpowiedzialne za to, że każda osoba ma jednostkową niepowtarzalną tożsamość To dotyczy różnych atrybutów / właściwości /cech Jak dana osoba wygląda Do jakich chorób ma predyspozycje Zmienność wyrażająca się SNP może być: Nieszkodliwa (zmiany w fenotypie) Szkodliwa (choroby, np. cukrzyca, rak) Utajona (nieszkodliwa sama w sobie, manifestuje się tylko w określonych warunkach, np. podatność na raka płuc).

SNP mogą być markerami genów

Mapy SNP Zsekwencjonuj genomu dużej liczby osobników. Porównaj sekwencje, aby zlokalizować SNP. Wytwórz pojedynczą mapę genomu populacji zawierającą wszystkie możliwe SNP => mapa SNP.

Mapy SNP

Profile SNP Genom każdego osobnika zawiera charakterystyczny wzór SNP. Osobniki można grupować w oparciu o profile SNP profile. U ludzi profile SNP umożliwiają przewidywanie odpowiedzi na terapie lekowe.

Profile SNP

HAPLOTYP Zbiór ściśle sprzężonych markerów genetycznych występujących w obrębie pojedynczego chromosomu, które mają tendencję do wspólnego dziedziczenia się (nie poddają się łatwo rozbiciu przez rekombinację)

Haplotypy SNP Sekwencja DNA Fenotyp Haplotypy 1 2 3 4 5 6 Oczy czarne Oczy brązowe Oczy niebieskie GATATTCGTACGGA-T GATGTTCGTACTGAAT GATATTCGTACGGAAT Haplotypy AG- 2/6(Oczy czarne) GTA 3/6 (Oczy brązowe) AGA 1/6 (Oczy niebieskie) 1 2 3 4 5 6 SNP Simple to measure & understand Haplotype have the advantage in the appropriate circumstances of carrying more information about the genotype-phenotype link than do the underlying SNPs. Sekwencja DNA

KORELACJA HAPLOTYPU I FENOTYPU Metoda „haplocentryczna” łączy dane o sąsiadujących haplotypach w złożony haplotyp wielomiejscowy. Tego rodzaju haplotypy są nie tylko bardziej informacyjne niż pojedyncze SNP, lecz zawierają także informację o lokalnej nierównowadze sprzężeń (LD), która jest odpornym na zakłócenia i potężnym narzędziem do analizy procesów ewolucyjnych w populacji. Korelacja częstości haplotypów z występowaniem pożądanych częstości cech fenotypowych w populacji, znacząco zwiększa możliwości wykorzystywania SNP jako markerów.

Zsekwencjonowane genomy roślinne – luty 2012

Arabidopsis, bazy danych, narzędzia bioinformatyczne

The Arabidopsis Information Resource The Arabidopsis Information Resource (TAIR) maintains a database of genetic and molecular biology data for the model higher plant Arabidopsis thaliana . Data available from TAIR includes the complete genome sequence along with gene structure, gene product information, gene expression, DNA and seed stocks, genome maps, genetic and physical markers, publications, and information about the Arabidopsis research community. Gene product function data is updated every week from the latest published research literature and community data submissions. TAIR also provides extensive linkouts from our data pages to other Arabidopsis resources. The Arabidopsis Biological Resource Center at The Ohio State University collects, reproduces, preserves and distributes seed and DNA resources of Arabidopsis thaliana and related species. Stock information and ordering for the ABRC are fully integrated into TAIR. phoenix logo TAIR is located at Phoenix Bioinformatics and funded by subscriptions. Full access to TAIR requires a subscription. ABRC catalog, stock and ordering pages hosted at TAIR will remain freely accessible. The Arabidopsis Information Resource The Arabidopsis Information Resource (TAIR) maintains a database of genetic and molecular biology data for the model higher plant Arabidopsis thaliana . Data available from TAIR includes the complete genome sequence along with gene structure, gene product information, gene expression, DNA and seed stocks, genome maps, genetic and physical markers, publications, and information about the Arabidopsis research community. Gene product function data is updated every week from the latest published research literature and community data submissions. TAIR also provides extensive linkouts from our data pages to other Arabidopsis resources. The Arabidopsis Biological Resource Center at The Ohio State University collects, reproduces, preserves and distributes seed and DNA resources of Arabidopsis thaliana and related species. Stock information and ordering for the ABRC are fully integrated into TAIR. phoenix logo TAIR is located at Phoenix Bioinformatics and funded by subscriptions. Full access to TAIR requires a subscription. ABRC catalog, stock and ordering pages hosted at TAIR will remain freely accessible.

ABRC Catalog Browse the DNA and seed stocks available from ABRC. 2010 Projects Find the Arabidopsis functional genomic projects awarded by NSF and other funding agencies. Monsanto SNP and Ler Collections Point of access to the Monsanto SNP & Ler sequence data, originally owned by Cereon. Gene Families Browse the Arabidopsis gene family data submitted to TAIR by users. Transposon Families Browse families of transposable elements found in the Arabidopsis genome. Gene Symbols Browse the Arabidopsis symbolic gene names currently in use. Ontologies/Keywords Browse the terms available for functional annotation of genes used at TAIR. Archived e-Journals Browse old Arabidopsis publications only available as electronic files. The Arabidopsis Book (TAB) This electronic book from ASPB contains dozens of invited chapters, each reviewing in detail an important and interesting aspect of Arabidopsis thaliana biology and tools, with reference to what is known in other plants and in other kingdoms. New and updated chapters are regularly added.

Small RNA databases

Protein subcellular localization databases

Protein-protein interaction databases

Phenomics

Metabolomic databases

Database for metabolic and regulatory pathways

Seed stock databases

Multinational Arabidopsis Steering Committee MASC has its origin in the 1990s and was founded by a group of dedicated Arabidopsis researchers Today 23 countries are involved in MASC actions and progress is published in the annual MASC report MASC participants initiate and coordinate large-scale projects in MASC subcommittees MASC members host the biggest conference on Arabidopsis research ICAR

Coroczne światowe konferencje poświęcone Arabidopsis

„Dwudziesty wiek zaczął się od powtórnego odkrycia praw Mendla dotyczących dziedziczenia u grochu, a zakończył odczytaniem genomu rośliny modelowej – Arabidopsis thaliana” Co przyniesie wiek XXI?