Taak 7
Signaaltransductie bij planten
Planten nemen informatie uit hun omgeving waar en integreren deze om hun groei en
ontwikkeling aan te passen. Hoewel de reacties van planten (groei/ontwikkeling)
verschillen van die van dieren (beweging), zijn de onderliggende
signaaltransductieprocessen verrassend vergelijkbaar.
De signaaltransductieketen van planten bestaat uit drie hoofdstappen:
1. Perceptie (waarneming)
• Receptoren: Dit zijn eiwitten die van vorm veranderen als reactie op een
specifieke stimulus. Ze zijn de eerste stap in het detecteren van signalen.
• Fytochroom: Een belangrijk voorbeeld is fytochroom, een fotoreceptor
die betrokken is bij de-etiolatie. In tegenstelling tot veel receptoren die in
het plasmamembraan zitten, bevindt fytochroom zich in het cytoplasma.
Het detecteert licht en initieert de de-etiolatiereactie.
2. Transductie (signaaloverdracht en versterking)
• Secundaire boodschappers: Receptoren kunnen extreem zwakke
signalen opvangen. Deze signalen worden versterkt en doorgegeven door
secundaire boodschappers.
• Belangrijke secundaire boodschappers bij de-etiolatie:
▪ Ca2+ (calciumionen): Normaal is de cytosolische Ca2+-
concentratie laag. Fytochroomactivatie opent Ca2+-kanalen, wat
leidt tot een tijdelijke, honderdvoudige toename van cytosolisch
Ca2+.
▪ cGMP (cytosolisch guanosinemonofosfaat): Na activering
verandert fytochroom van vorm, wat de activatie van guanylyl
cyclase tot gevolg heeft. Dit enzym produceert cGMP.
▪ Vereiste voor volledige de-etiolatie: Zowel Ca2+ als cGMP moeten
aanwezig zijn voor een volledige de-etiolatiereactie.
3. Reactie (cellulair respons)
• Secundaire boodschappers reguleren uiteindelijk één of meer cellulaire
activiteiten, vaak door de activiteit van specifieke enzymen te verhogen.
• Mechanismen voor de versterking van enzymatische stappen:
▪ Transcriptionele regulatie: Dit verhoogt of verlaagt de synthese
van mRNA dat codeert voor een specifiek enzym, waardoor de
productie van nieuwe eiwitten wordt geregeld.
▪ Post-translationele modificatie: Dit activeert reeds bestaande
enzymen, vaak door de fosforylering van specifieke aminozuren.
Fosforylering verandert hydrofobiciteit en activiteit van het eiwit.
, • Veel secundaire boodschappers activeren eiwitkinasen. Deze fosforyleren op
hun beurt andere eiwitkinasen, wat leidt tot een cascade van fosforyleringen die
het signaal verder verspreidt en versterkt.
• Uiteindelijk resulteren veel transductiepaden in het aan- of uitzetten van
specifieke genen in de celkern, wat de synthese van nieuwe eiwitten reguleert.
• De plant vertoont vervolgens zichtbare verandering, zoals een aanpassing van de
groeirichting of de verplaatsing van chloroplasten.
Communicatie en unieke planteneigenschappen
Planten gebruiken de chemicaliën die door geactiveerde signaaltransductiepaden
worden geproduceerd, om te communiceren met hun omgeving en tussen de
verschillende delen van de plant. Een unieke eigenschap van planten is dat de
cytoplasmatische bruggen (plasmodesmata) tussen hun cellen kunnen verwijden,
waardoor macromoleculen zoals eiwitten van cel naar cel kunnen bewegen, wat bij
dieren niet op deze schaal voorkomt.
Waarneming en reactie op omgevingsfactoren door planten
Planten kunnen verschillende omgevingssignalen waarnemen, zoals licht,
zwaartekracht, temperatuur, aanraking en chemische signalen. Dit doen ze met
receptoreiwitten, die zich in het celmembraan of cytoplasma bevinden. Hoewel
planten immobiel zijn, hebben ze via evolutie mechanismen ontwikkeld om zich aan te
passen aan een breed scala van omstandigheden door hun ontwikkeling en fysiologie
aan te passen.
1. Waarneming en reactie op licht
Licht is cruciaal voor planten, niet alleen voor fotosynthese, maar ook voor het
, initiëren van groei- en ontwikkelingsprocessen (fotomorfogenese) en het meten
van dag- en seizoenslengte.
• Fotoreceptoren (lichtpigmenten):
▪ Fototropinen (blauw licht): Verantwoordelijk voor fototropie en
het openen/sluiten van stomata.
▪ Cryptochromen (blauw licht): Spelen ook een rol bij
blauwlichtreacties.
▪ Fytochromen (rood en verrood licht): Reguleren diverse reacties,
waaronder zaadkieming en schaduwontwijking. Het
fytochroomsysteem geeft planten informatie over de kwaliteit van
het licht (verhouding rood/verrood licht).
• Circadiane ritmes: Veel plantenprocessen vertonen een dagelijkse
oscillatie van ongeveer 24 uur, onafhankelijk van directe
omgevingsfactoren. Deze ‘biologische klok’ stelt planten in staat zich aan
te passen aan de dag-nachtcyclus.
• Fotoperiodisme (reactie op daglengte): Dit is de fysiologische reactie op
specifieke nacht- of daglengtes, essentieel voor seizoensgebonden
gebeurtenissen zoals bloeien op knopdormantie.
▪ Kortdagplanten: Bloeien bij een
lichtperiode korter dan een kritieke
lengte (late zomer, herfst, winter).
▪ Langdagplanten: Bloeien bij een
lichtperiode langer dan een kritieke
lengte (late lente, vroege zomer).
▪ Dagneutrale planten: Bloeien
wanneer ze een bepaald
rijpheidsstadium bereiken,
onafhankelijk van de daglengte.
▪ Nachtlengtebepaling: Rood licht
onderbreekt de nachtlengte-meting,
waargenomen door fytochroom. Zelfs
een korte onderbreking van de nacht met rood licht kan de bloei
beïnvloeden, wat aantoont hoe nauwkeurig planten hun
biologische klok afstemmen op de nachtlengte om het seizoen te
bepalen.
2. Waarneming en reactie op mechanische stimuli (aanraking/wind)
• Thigmomorfogenese: De verandering in plantengroei als gevolg van
mechanische verstoring (bijvoorbeeld wind). Dit leidt tot kortere, stevigere
stengels in winderige omgevingen. Planten zijn zeer gevoelig voor
mechanische stress.
, •Thigmotropisme: Een gerichte groeireactie op aanraking. Ranken van
klimplanten wikkelen zich snel om steunen heen, gestimuleerd door
contact, wat hen helpt omhoog te klimmen.
3. Waarneming en reactie op zwaartekracht
• Gravitropisme: De groeireactie van planten op zwaartekracht.
▪ Positief gravitropisme: Wortels groeien naar beneden.
▪ Negatief gravitropisme: Scheuten groeien omhoog.
• Detectie: Planten detecteren zwaartekracht door de bezinking van
statolieten. Dit zorgt ervoor dat een zaailing, ongeacht zijn oriëntatie,
correct wortelt en groeit.
Plantengroeiregulatoren (hormonen)
Planten produceren groeiregulatoren. Deze binden aan specifieke receptoren en
activeren signaaltransductiepaden, vergelijkbaar met de hormonen bij dieren, maar
worden anders getransporteerd. De reacties hangen af van zowel de absolute als de
relatieve concentraties van verschillende hormonen, die vaak samenwerken om de
groei te reguleren.
1. Auxine
• Werking: Stimuleert voornamelijk celverlenging in jonge scheuten. Dit
gebeurt door het activeren van protonpompen in het plasmamembraan,
wat de celwand verzuurt en versoepelt, en wateropname bevordert door
osmose, waardoor cellen langer worden.
• Productie en transport: Voornamelijk geproduceerd in de toppen van
scheuten en wortels. Het transport is polair, onafhankelijk van
zwaartekracht.
• Commerciële toepassingen: Gebruikt bij stekken en als herbicide.
• Functies:
Signaaltransductie bij planten
Planten nemen informatie uit hun omgeving waar en integreren deze om hun groei en
ontwikkeling aan te passen. Hoewel de reacties van planten (groei/ontwikkeling)
verschillen van die van dieren (beweging), zijn de onderliggende
signaaltransductieprocessen verrassend vergelijkbaar.
De signaaltransductieketen van planten bestaat uit drie hoofdstappen:
1. Perceptie (waarneming)
• Receptoren: Dit zijn eiwitten die van vorm veranderen als reactie op een
specifieke stimulus. Ze zijn de eerste stap in het detecteren van signalen.
• Fytochroom: Een belangrijk voorbeeld is fytochroom, een fotoreceptor
die betrokken is bij de-etiolatie. In tegenstelling tot veel receptoren die in
het plasmamembraan zitten, bevindt fytochroom zich in het cytoplasma.
Het detecteert licht en initieert de de-etiolatiereactie.
2. Transductie (signaaloverdracht en versterking)
• Secundaire boodschappers: Receptoren kunnen extreem zwakke
signalen opvangen. Deze signalen worden versterkt en doorgegeven door
secundaire boodschappers.
• Belangrijke secundaire boodschappers bij de-etiolatie:
▪ Ca2+ (calciumionen): Normaal is de cytosolische Ca2+-
concentratie laag. Fytochroomactivatie opent Ca2+-kanalen, wat
leidt tot een tijdelijke, honderdvoudige toename van cytosolisch
Ca2+.
▪ cGMP (cytosolisch guanosinemonofosfaat): Na activering
verandert fytochroom van vorm, wat de activatie van guanylyl
cyclase tot gevolg heeft. Dit enzym produceert cGMP.
▪ Vereiste voor volledige de-etiolatie: Zowel Ca2+ als cGMP moeten
aanwezig zijn voor een volledige de-etiolatiereactie.
3. Reactie (cellulair respons)
• Secundaire boodschappers reguleren uiteindelijk één of meer cellulaire
activiteiten, vaak door de activiteit van specifieke enzymen te verhogen.
• Mechanismen voor de versterking van enzymatische stappen:
▪ Transcriptionele regulatie: Dit verhoogt of verlaagt de synthese
van mRNA dat codeert voor een specifiek enzym, waardoor de
productie van nieuwe eiwitten wordt geregeld.
▪ Post-translationele modificatie: Dit activeert reeds bestaande
enzymen, vaak door de fosforylering van specifieke aminozuren.
Fosforylering verandert hydrofobiciteit en activiteit van het eiwit.
, • Veel secundaire boodschappers activeren eiwitkinasen. Deze fosforyleren op
hun beurt andere eiwitkinasen, wat leidt tot een cascade van fosforyleringen die
het signaal verder verspreidt en versterkt.
• Uiteindelijk resulteren veel transductiepaden in het aan- of uitzetten van
specifieke genen in de celkern, wat de synthese van nieuwe eiwitten reguleert.
• De plant vertoont vervolgens zichtbare verandering, zoals een aanpassing van de
groeirichting of de verplaatsing van chloroplasten.
Communicatie en unieke planteneigenschappen
Planten gebruiken de chemicaliën die door geactiveerde signaaltransductiepaden
worden geproduceerd, om te communiceren met hun omgeving en tussen de
verschillende delen van de plant. Een unieke eigenschap van planten is dat de
cytoplasmatische bruggen (plasmodesmata) tussen hun cellen kunnen verwijden,
waardoor macromoleculen zoals eiwitten van cel naar cel kunnen bewegen, wat bij
dieren niet op deze schaal voorkomt.
Waarneming en reactie op omgevingsfactoren door planten
Planten kunnen verschillende omgevingssignalen waarnemen, zoals licht,
zwaartekracht, temperatuur, aanraking en chemische signalen. Dit doen ze met
receptoreiwitten, die zich in het celmembraan of cytoplasma bevinden. Hoewel
planten immobiel zijn, hebben ze via evolutie mechanismen ontwikkeld om zich aan te
passen aan een breed scala van omstandigheden door hun ontwikkeling en fysiologie
aan te passen.
1. Waarneming en reactie op licht
Licht is cruciaal voor planten, niet alleen voor fotosynthese, maar ook voor het
, initiëren van groei- en ontwikkelingsprocessen (fotomorfogenese) en het meten
van dag- en seizoenslengte.
• Fotoreceptoren (lichtpigmenten):
▪ Fototropinen (blauw licht): Verantwoordelijk voor fototropie en
het openen/sluiten van stomata.
▪ Cryptochromen (blauw licht): Spelen ook een rol bij
blauwlichtreacties.
▪ Fytochromen (rood en verrood licht): Reguleren diverse reacties,
waaronder zaadkieming en schaduwontwijking. Het
fytochroomsysteem geeft planten informatie over de kwaliteit van
het licht (verhouding rood/verrood licht).
• Circadiane ritmes: Veel plantenprocessen vertonen een dagelijkse
oscillatie van ongeveer 24 uur, onafhankelijk van directe
omgevingsfactoren. Deze ‘biologische klok’ stelt planten in staat zich aan
te passen aan de dag-nachtcyclus.
• Fotoperiodisme (reactie op daglengte): Dit is de fysiologische reactie op
specifieke nacht- of daglengtes, essentieel voor seizoensgebonden
gebeurtenissen zoals bloeien op knopdormantie.
▪ Kortdagplanten: Bloeien bij een
lichtperiode korter dan een kritieke
lengte (late zomer, herfst, winter).
▪ Langdagplanten: Bloeien bij een
lichtperiode langer dan een kritieke
lengte (late lente, vroege zomer).
▪ Dagneutrale planten: Bloeien
wanneer ze een bepaald
rijpheidsstadium bereiken,
onafhankelijk van de daglengte.
▪ Nachtlengtebepaling: Rood licht
onderbreekt de nachtlengte-meting,
waargenomen door fytochroom. Zelfs
een korte onderbreking van de nacht met rood licht kan de bloei
beïnvloeden, wat aantoont hoe nauwkeurig planten hun
biologische klok afstemmen op de nachtlengte om het seizoen te
bepalen.
2. Waarneming en reactie op mechanische stimuli (aanraking/wind)
• Thigmomorfogenese: De verandering in plantengroei als gevolg van
mechanische verstoring (bijvoorbeeld wind). Dit leidt tot kortere, stevigere
stengels in winderige omgevingen. Planten zijn zeer gevoelig voor
mechanische stress.
, •Thigmotropisme: Een gerichte groeireactie op aanraking. Ranken van
klimplanten wikkelen zich snel om steunen heen, gestimuleerd door
contact, wat hen helpt omhoog te klimmen.
3. Waarneming en reactie op zwaartekracht
• Gravitropisme: De groeireactie van planten op zwaartekracht.
▪ Positief gravitropisme: Wortels groeien naar beneden.
▪ Negatief gravitropisme: Scheuten groeien omhoog.
• Detectie: Planten detecteren zwaartekracht door de bezinking van
statolieten. Dit zorgt ervoor dat een zaailing, ongeacht zijn oriëntatie,
correct wortelt en groeit.
Plantengroeiregulatoren (hormonen)
Planten produceren groeiregulatoren. Deze binden aan specifieke receptoren en
activeren signaaltransductiepaden, vergelijkbaar met de hormonen bij dieren, maar
worden anders getransporteerd. De reacties hangen af van zowel de absolute als de
relatieve concentraties van verschillende hormonen, die vaak samenwerken om de
groei te reguleren.
1. Auxine
• Werking: Stimuleert voornamelijk celverlenging in jonge scheuten. Dit
gebeurt door het activeren van protonpompen in het plasmamembraan,
wat de celwand verzuurt en versoepelt, en wateropname bevordert door
osmose, waardoor cellen langer worden.
• Productie en transport: Voornamelijk geproduceerd in de toppen van
scheuten en wortels. Het transport is polair, onafhankelijk van
zwaartekracht.
• Commerciële toepassingen: Gebruikt bij stekken en als herbicide.
• Functies:
