článek Fotomorfogeneze – teoretické základy pro výuku biologie rostlin na
školách
Jana Albrechtová, Libor Sedlecký, Věra Čížková
informace
rok: 2017
číslo: 4
plný text: PDF
datum elektronické publikace: 31. 12. 2017
DOI: 10.14712/25337556.2017.4.3
ISSN (elektronická verze): 2533-7556
Toto dílo podléhá licenci Creative Commons Uveďte původ 4.0 Mezinárodní License.
abstrakt
Rostlinná fotomorfogeneze je souhrn vývojových a růstových procesů, které jsou závislé na světle. Jedná se o změny rostlinné morfologie a anatomie, ontogenezi a pohyb jak rostlin, tak jejích částí a/nebo organel. Tyto změny, resp. pohyby jsou odpovědí na kvalitu, intenzitu a/nebo směr světelného záření, kterému jsou rostliny vystaveny. Tento proces je oddělený od fotosyntézy, která využívá světelné záření jako zdroj energie pro tvorbu biomasy. Při fotomorfogenezi hraje světelné záření roli signálu. Fotomorfogeneze je zprostředkována komplexními dráhami fotoreceptorů, které jsou citlivé k různým typům záření a jejich působení se částečně překrývá. Nejdůležitějšími skupinami fotoreceptorů jsou: 1) fytochromy zachycující zejména červené viditelné světlo; 2) kryptochromy, fototropiny a nedávno objevené ZTL/FKF1/LKP2 proteiny citlivé na modré a UV-A světlo a 3) čerstvě objevené UVR8 receptory zachycující UV-B část světelného spektra. Interakcí fotoreceptorů je nutná pro řadu vývojových a fyziologických procesů, jako klíčení, deetiolizaci, vyhýbání se stínu, fototropismus, vývoj listů, kvetení, pohyby chloroplastů vedoucí k optimalizaci jejich polohy tak, aby byl zajištěn příjem optimálního množství světelného záření atd. Díky fotoreceptorům rostliny vnímají své sousedy a mohou se tak vyhnout zastínění. Ve sklenících je možné uměle osvětlovat rostliny tak, aby byla zajištěna produkce maximálního množství kvalitní biomasy. Díky technologickému pokroku je dnes možné pěstovat rostliny během zimy, ale i v polárních oblastech během polární noci. I složení světelného spektra je možné měnit, např. použitím LED zdrojů, takže lze indukovat rezistenci rostlin na abiotické faktory jako je sucho, herbivoři či patogeny. Lze zvýšit také kvalitu sklizně například ovlivnit koncentraci nitrátů či zvýšit koncentraci antokyanů. Zároveň je možné ovlivnit načasování kvetení, klíčení a podobně. Fotomorfogeneze je v českých učebnicích biologie zmíněna pouze okrajově, pokud vůbec, a učebnice nenavrhují žádné praktické pokusy či pozorování. Článek popisuje, jak rostliny vnímají světelné záření pomocí fotoreceptorů, přináší přehled základních fotomorfogenetických procesů a poukazuje na možné využití těchto procesů v zemědělství. Následující článek popíše vybrané fotomorfogenetické procesy podrobněji a ve třetím plánované článku budou popsány pokusy založené na těchto procesech.
klíčová slova
červené světlo (R), fotoreceptory, fotosenzorické receptory, fototropiny, fototropizmus, fytochromy, infračervené záření (IR), kryptochromy, modré světlo (B), optimalizace výnosu plodin, pohyby rostlin, receptor UVR8, růst a vývoj rostlin, ultrafialové (UV) záření, vedení signálu, ZTL/FKF1/LKP2 proteiny
plný text (PDF )
Reference
Briggs, W. R., & Olney, M. A. (2001). Photoreceptors in Plant Photomorphogenesis to Date. Five Phytochromes, Two Cryptochromes, One Phototropin, and One Superchrome. Plant Physiology, 125(1), 85–88. https://doi.org/10.1104/pp.125.1.85
Casal, J. J. (2013). Photoreceptor Signaling Networks in Plant Responses to Shade. Annual Review of Plant Biology, 64(1), 403–427. Davis, P. A., & Burns, C. (2016). Photobiology in protected horticulture. Food and Energy Security, 5(4), 223–238. https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-050312-120221
Demotes-Mainard, S., Péron, T., Corot, A., Bertheloot, J., Le Gourrierec, J., Pelleschi-Travier, S., Crespel, L., Morel, P., Huché-Thélier, L., Boumaza, R., Vian, A., Guérin, V., Leduc, N., & Sakr, S. (2016). Plant responses to red and far-red lights, applications in horticulture. Environmental and Experimental Botany, 121, 4–21. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2015.05.010
Escobar-Bravo, R., Klinkhamer, P. G. L., & Leiss, K. A. (2017). Interactive Effects of UV-B Light with Abiotic Factors on Plant Growth and Chemistry, and Their Consequences for Defense against Arthropod Herbivores. Frontiers in Plant Science, 8. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.00278
Glosová, B. M. (2010). Vliv světelných podmínek a teplotního stresu na aktivaci antioxidačních mechanismŭ u Solanum lycopersicum (diplomová práce). Nepublikováno. Univerzita Palackého v Olomouci. pp117 Získáno z http://theses.cz/id/7ymjjn/82264-162869564.pdf
Heijde, M., & Ulm, R. (2012). UV-B photoreceptor-mediated signalling in plants. Trends in Plant Science, 17(4), 230–237. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2012.01.007
Huché-Thélier, L., Crespel, L., Gourrierec, J. L., Morel, P., Sakr, S., & Leduc, N. (2016). Light signaling and plant responses to blue and UV radiations—Perspectives for applications in horticulture. Environmental and Experimental Botany, 121, 22–38. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2015.06.009
Ito, S., Song, Y. H., & Imaizumi, T. (2012). LOV Domain-Containing F-Box Proteins: Light-Dependent Protein Degradation Modules in Arabidopsis. Molecular Plant, 5(3), 47–56. https://doi.org/10.1093/mp/sss013
Jelínek, J., & Zicháček, V., 2014. Biologie pro gymnázia. Olomouc: Nakladatelství Olomouc.
Kincl, L., & Jakrlová, J., (2003). Biologie rostlin pro 1. ročník gymnázií. Praha: Fortuna.
Krekule, J., & Macháčková, I. (1996). Biologické hodiny u rostlin. Vesmír, 1996/1 (75), 27-31. Získáno z http://casopis.vesmir.cz/clanek/biologicke-hodiny-u-rostlin
Krekule, J., & Macháčková, I. (2000). Fotomorfogeneze, přizpůsobení rostlin světelným podmínkám. Živa, 4/2000.(s. 159). Získáno z http://ziva.avcr.cz/2000-4/fotomorfogeneze-prizpusobeni-rostlin-svetelnym-podminkam.html
Kubát, K., Kalina, T., Kováč, J., Kubátová, D., Prach, K., & Urban. Z., (1998). Botanika. Praha: Scientia.
Mathews, S. (2010). Evolutionary studies illuminate the structural-functional model of plant phytochromes. The Plant Cell, 22(1), 4–16. https://doi.org/10.1105/tpc.109.072280
Mawphlang, O. I. L., & Kharshiing, E. V. (2017). Photoreceptor Mediated Plant Growth Responses: Implications for Photoreceptor Engineering toward Improved Performance in Crops. Frontiers in Plant Science, 8. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.01181
Montgomery, B. L. (2016). Spatiotemporal Phytochrome Signaling during Photomorphogenesis: From Physiology to Molecular Mechanisms and Back. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.00480
Pavlová L., & Daněk L. (2002a). Fotomorfogenese I. Kryptochromy a fototropin. Biologické listy 67: 195-205, 2002.
Pavlová L., & Daněk L. (2002b). Fotomorfogeneze II. Fytochromy. - Biologické listy 67: 207-224. 2002.
Pavlová L., (2006) Fyziologie rostlin, Kap. 7. Vnější fyzikální a biotické faktory. Praha: Karolinum. http://kfrserver.natur.cuni.cz/studium/prednasky/pavlova/fyzrost/
Rizzini L., Favory J. J., Cloix C., Faggionato D., O’Hara A., Kaiserli E., Baumeister R., Schäfer E., Nagy F., Jenkins G. I., & Ulm, R. (2011). Perception of UV-B by the Arabidopsis UVR8 protein. - Science 332: 103-106. https://doi.org/10.1126/science.1200660
Rosypal, S. a kol. (2003). Nový přehled biologie. Praha: Scientia.
Sedlecký L. (2013). Fotomorfogeneze: vliv světla na procesy vývoje rostlin ve výuce biologie na školách (diplomová práce). Nepublikováno. Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy, Praha.
Sullivan, J. A., & Deng, X. W. (2003). From seed to seed: the role of photoreceptors in Arabidopsis development. Developmental Biology, 260(2), 289–297. https://doi.org/10.1016/S0012-1606(03)00212-4
Taiz L., & Zeiger, E. (2006). Plant Physiology. Sunderland, USA: Sinauer Associates. Inc., 690. Částečně získáno z http://6e.plantphys.net/
Tang, Y., & Liesche, J. (2017). The molecular mechanism of shade avoidance in crops – How data from Arabidopsis can help to identify targets for increasing yield and biomass production. Journal of Integrative Agriculture, 16(6), 1244–1255. https://doi.org/10.1016/S2095-3119(16)61434-X
ÚEB a ÚFE AVČR: Ústav experimentální botaniky Akademie věd České republiky a Ústav fotoniky a elektroniky Akademie věd České republiky. (2007). Není světlo jako světlo aneb Jak to vidí rostliny. Získáno z http://www.ueb.cas.cz/cs/system/files/users/public/kolar_27/PDF_soubory/postery_rostliny_svetlo.pdf
Vanhaelewyn, L., Prinsen, E., Van Der Straeten, D., & Vandenbussche, F. (2016). Hormone-controlled UV-B responses in plants. Journal of Experimental Botany, 67(15), 4469–4482. https://doi.org/10.1093/jxb/erw261
Wang, H. (2005). Signaling Mechanisms of Higher Plant Photoreceptors: A Structure‐Function Perspective. Current Topics in Developmental Biology, 68, 227–261. https://doi.org/10.1016/S0070-2153(05)68008-8
Weller, J. L., Batge, S. L., Smith, J. J., Kerckhoffs, L. H. J., Sineshchekov, V. A., Murfet, I. C., & Reid, J. B. (2004). A Dominant Mutation in the Pea PHYA Gene Confers Enhanced Responses to Light and Impairs the Light-Dependent Degradation of Phytochrome A. Plant Physiology, 135(4), 2186–2195. https://doi.org/10.1104/pp.103.036103
Yang, Z., Liu, B., Su, J., Liao, J., Lin, C., & Oka, Y. (2017). Cryptochromes Orchestrate Transcription Regulation of Diverse Blue Light Responses in Plants. Photochemistry and Photobiology, 93(1), 112–127. https://doi.org/10.1111/php.12663