Biologia molekularna roślin

Prezentacja na temat: "Biologia molekularna roślin"— Zapis prezentacji:

1 Biologia molekularna roślin
Rośliny modelowe

2 Specyfika roślin: co je wyróżnia spośród innych organizmów?

3 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)

4 Komórki roślin i komórki zwierząt zasadniczo się różnią

5 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

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

7 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

8 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.

9 Ruch cząsteczek w apoplaście podlega prawom chemii i fizyki
Symplast

10 Ruch cząsteczek w symplaście podlega także prawom biologii

11 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

12 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)

13 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 )

14 Cykl życiowy roślin kwiatowych

15 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)

16 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)

17 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

18 Zamknięty i otwarty program rozwojowy

19 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)

20 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.

21 Kwitnienie

22 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.

23 Arabidopsis thaliana – organizm modelowy w biologii roślin
Mały jednoroczny chwast z rodziny Brassicaceae (krzyżowe); 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

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

25 A. thaliana – rozpowszechnienie na świecie

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

27 Arabidopsis w fazie kwitnienie
Pędy kwiatowe Rozeta

28 Kwiatostany i pojedynczy kwiat

29 Hodowla na dużą skalę - szklarnia

30 Hodowla na dużą skalę - fitotron

31 Transformacja Arabidopsis

32 Hodowla na szalce na pożywce selekcjonującej

33 Hodowla na szalce na pożywce selekcjonującej (powiększenie)

34 Siewki przed przeniesieniem do ziemi (wykształcone liście i korzenie)

35 Wzrost w ziemi

36 Hodowla z nasion od razu w ziemi

37 Identyfikacja mutantów (nadmiar kwiatów, wt, brak kwitnienia)

38 Mutacje w budowie kwiatu

39 Mutacje w budowie kwiatu

40 Mutacje w genie MET1 kodującym metylotransferazę DNA

41 Kultury komórkowe Arabidopsis

42 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.

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

44 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.

45 Relacje miedzy chromosomami (duplikacje)

46 Statystyka Wielkość: 125Mb (milionów par zasad). przewidzianych produktów genów należących do 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 % genów związanych z biosyntezą białka ma odpowiedniki u innych gatunków. Dowody kilku wielkich wydarzeń duplikacyjnych, w tym wskazujące na starożytnego tetraploidalnego przodka.

47 Rozkład sekwencji genowych

48 Porównanie trzech genomów obecnych w komórce Arabidopsis

49 Aktualna anotacja genomu Arabidopsis:
Arabidopsis – genów (Wersja 5 anotacji). Drosophila melanogaster – genów (Wersja 3). Repertuar rodzin genowych w Arabidopsis ( – ), 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 zgrupowanych w 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.

50 Białka – przewidywane funkcje

51 Polimorfizmy w genomie Arabidopsis
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 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?

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

53 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).

54 SNP mogą być markerami genów

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

56 Mapy SNP

57 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.

58 Profile SNP

59 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)

60 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) 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

61 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.

62 Zsekwencjonowane genomy roślinne – luty 2012

63 Arabidopsis, bazy danych,
narzędzia bioinformatyczne

64 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.

65

66 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.

67 Small RNA databases

68 Protein subcellular localization databases

69 Protein-protein interaction databases

70 Phenomics

71 Metabolomic databases

72 Database for metabolic and regulatory pathways

73 Seed stock databases

74 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

75 Coroczne światowe konferencje poświęcone Arabidopsis

76 „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?