10. LUCE COME SEGNALE

Annotations:

Come sappiamo le piante sono sensibili alla luce. Questa però non rappresenta solo una fonte di energia metabolica per la crescita, ma anche come segnale che consente alla piante di capire in che situazione si trovano per adattarsi ad essa. Esistono altri processi, oltre la fotosintesi, che sono innescati dalla luce che agisce come segnale: FOTOMORFOGENESI (sviluppo del fenotipo della pianta) FOTOTROPISMO (capacità di orientarsi verso la luce) FOTOPERIODISMO (capacità di percepire la durata del giorno e della notte, capire le stagione e attivare la fioritura)
In quanto segnale, la luce non viene percepita dai PS, ma da altri recettori.  Esistono due lunghezze d'onda efficacemente percepite dalle piante e che sono in grado di indurre delle risposte.

LUCE BLU
Annotations:
- Lunghezza d'onda 300-500 nm. Responsabile di altri processi come: fototropismi, movimenti cloroplasti, movimenti stomatici. Percepita da altri fotorecettori: criptocromo, fototropine. Innesca i movimento dei cloroplasti, questi possono cambiare il loro orientamento rispetto alla luce incidente. Se la luce è troppo forte si orientano parallelamente alla sua incidenza per diminuirne l'assorbimento. 
LUCE ROSSA
Annotations:
- Lunghezza d'onda 600-750 nm. Induce il fenomeno della fotomorfogenesi. Il recettore che la percepisce è associato ad un pigmento: FITOCROMO. La luce rossa controlla molti altri aspetti della crescita, in diversi stadi. 
- Le piantine che crescono al buio sono chiamate eziolate. Hanno aspetto diverso, hanno fusto molto più allungato, con apice ripiegato ad uncino e foglie non sviluppate. Inoltre i cloroplasti non sono sviluppati. 
1. FOTOMORFOGENESI
  Annotations:
  -  Si osservò che con piccoli segnali luminosi si poteva far virare il fenotipo buio verso il fenotipo luce. La prima cosa che si osservava era il decremento della velocità di allungamento del fusto, sviluppo delle foglie e sintesi di pigmenti fotosintetici. Non poteva essere come la luce fotosintetica anche perché non sarebbe stata in grado di innescare fotosintesi per la mancanza di pigmenti. Si capì che era percepita da recettori diversi dai PS, cioè FOTORECETTORI in grado di indurre una risposta fisiologica chiamata FOTOMORFOGENESI. 
  - Dagli studi ci si rese conto che gli effetti morfogenetici sono causati dalla luce rossa e che questi effetti possono essere soppressi da un irraggiamento successivo con luce rosso-lontano (710-740 mm)
  1. IPOTESI I
    Annotations:
    - Esistono due fotorecettori, uno che assorbe la luce rossa, l’altro che assorbe la luce rosso-lontano, che agiscono in maniera antagonista
  2. IPOTESI II
    Annotations:
    - Un unico fotorecettore esiste in due forme interconvertibili, una forma che assorbe la luce rossa, l’altra che assorbe la luce rossa-lontano
    1. Borthwick, 1952 dimostrò proprietà di interconvertibilità del fitocromo
      Annotations:
      - Si studiarono piante eziolate (prive di clorofilla) per semplificare. Nelle piante eziolate il fitocromo esiste in una forma in grado di assorbire la luce rossa -> Pr. La forma Pr è convertita dalla luce rossa in una forma in grado di assorbire la luce rossa- lontano -> Pfr Queste due forme sono in equilibrio tra loro. 
      1. Spettri di assorbimento del fitocromo
        Annotations:
        Variando le lunghezze d'onda con cui veniva irraggiato il fitocromo, si avevano dei picchi di assorbimento nel viola e poi quello maggiore intorno a 600nm per la curva verde -> Pr. La curva viola ha dei picchi di assorbimento diversi, con picchi massimi intorno a 730 nm -> Pfr. Questi due spettri di assorbimento sono sovrapposti, vuol dire che i due tipi di fitocromo tendono ad assorbire anche nella zona di massimo assorbimento dell'altra.  Non è possibile convertite tutto il Pr in Pfr e viceversa. 
        In natura si ha la compresenza delle due forme perché la luce bianca irraggia sia nella zona del rosso che nel rosso lontano.  EQUILIBRIO FOTOSTAZIONARIO DEL FITOCROMO -> Pfr/Pfr+Pr I VALORI DI QUESTO EQUILIBRIO REGOLANO ALCUNE RISPOSTE ADATTATIVE DELLE PIANTE ALLE DIVERSE CONDIZIONI DI ILLUMINAZIONE (p.es FUGA DALL’OMBRA). Irraggiando con luce rossa noi riusciamo a convertire al massimo 85% in Pfr e 15% Pr. Irraggiando con luce rosso lontana si riesce a convertire 97% in Pr e 3% in Pfr.
        qual è la forma attiva del fitocromo?
        Ipotesi I
        Annotations:
        Il Pr è la forma attiva. La luce rossa lo converte in Pfr e sarà la sua scomparsa a determinare fotomorfogenesi. Quindi Pr è un inibitore della fotomorfogenesi. 
        Ipotesi II
        Annotations:
        Il Pfr è la forma attiva. La luce rossa converte Pr in Pfr che attiva la fotomorfogenesi. Pfr è un attivatore della fotomorfogenesi. 
        Analisi di mutanti con risposte fotomorfogenetiche alterate
        Annotations:
        Nei mutanti hy in presenza di luce crescevano fusti molti lunghi (come in assenza di luce). I mutanti hy non sintetizzano il fitocromo. - se fosse vera l’ipotesi 1: non essendo presente il Pr, un inibitore della fotomorfogenesi, dovrebbe esserci sempre fotomorfogenesi (Ipocotili corti in luce e buio).  - se fosse vera l’ipotesi 2: non essendo presente il Pfr, un attivatore della fotomorfogenesi, MAI morfogenesi (Ipocotili lunghi in luce e buio) Mutanti hy -> no fotomorfogenesi -> manca Pfr -> Pfr è la forma ATTIVA
  3. FITOCROMO Pfr è la forma attiva
    Annotations:
    - E' un omodimero, ogni subunità è composta da due domini: un gruppo cromoforo (sito di percezione della luce) + sito di dimerizzazione.  Il gruppo cromoforo è una FITOCROMOBILINA, legato covalentemente alla proteina mediante un legame tioetere.  La proteina viene sintetizzata ma è priva del cromoforo e non è in grado di assorbire luce. La fitocromobilina viene sintetizzatrice nei plastidi e per assemblaggio autocatalitico si forma il fitocromo. La luce rossa converte la fitocromobilina da una configurazione cis a trans, questo promuove cambio conformazionale della proteina (Pr -> Prf). Il Pfr tende a riconvertirsi al buio in Pr. 
    - Esistono molti tipi diversi di fitocromo. Il fitocromo è codificato da una famiglia multigenica i cui membri hanno proprietà biochimiche diverse.  IN ARABIDOPSIS 5 COMPONENTI: PHYA, PHYB, PHYC, PHYD, PHYE Localizzazione intracellulare ripartita tra citosol e nucleo. 
    1. PHYA
      Annotations:
      - Di tipo I, si trova nelle piante al buio.  Più labile perché il suo mRNA è soggetto a degradazione. Anche la sua forma Pfr è soggetta a degradazione proteolitica.  Quando passa da buio a luce tende a degradarsi. 
    2. PHYB
      Annotations:
      - Di tipo II, si trova nelle piante alla luce. Non ha processi degradativi quindi è più stabile. 
    3. Le risposte indotte dal fitocromo possono essere distinte in base alla quantità di luce richiesta
      Annotations:
      - - VERY LOW-FLUENCE RESPONSE (non reversibili) - LOW FLUENCE RESPONSE - HIGH IRRADIANCE RESPONSE  Le prime due risposte sono proporzionali alla fluenza (moli di fotoni /m2): il numero di fotoni che colpiscono un'unità di area di superficie.  Il terzo tipo di risposta è proporzionale all'irradianza (intensità della luce): velocità di fluenza
      1. LFR
        Annotations:
        Sono fotoreversibili. Sono indotte da luce rossa e inibite da luce rosso-lontana. LFR inducono la stimolazione fotoreversibile della germinazione di semi di arabidopsis  Molte risposte LFR possono essere anche HIR: - sintesi di antocianine in mostarda cresciuta al buio  - Inibizione dell’allungamento del fusto in piantine eziolate Questo si verifica se le piantine sono prima irraggiate a bassa fluenza (LFR) ma poi si espongono a luce ad alta irradiazione (HIR). 
      2. HIR
        Annotations:
        Richiedono una esposizione prolungata a luce con irradiazione relativamente elevata; sono indotte da fluenze 100 volte maggiori delle LFR; non sono fotoreversibili. Hanno un picco nelle rosso lontano -> risposta FR-HIR La risposta HIR indotta dalla luce rosso-lontana tende a cambiare quando le piantine diventano verdi e il picco di sposta nel rosso -> risposta R-HIR
        HIR alla luce FR di piantine eziolate mediata da phy A
        Annotations:
        La FR- HIR di piantine eziolate è mediata dal phy A sensibile alla luce rosso-lontana.  Il phy A ha un ruolo limitato nella fotomorfogenesi, ristretto alla de-eziolatura iniziale quando la piantina è ancora sottoposta a scarsa luce, perché mano a mano che inverdisce la luce diventa rossa e la pianta passa sotto il controllo del phy B. 
        Ipotesi confermata
        Annotations:
        Inizialmente non era disponibili mutanti phy A. Noi ci aspettiamo che mutanti phy A debbano crescere allungati in luce FR per mancanza di phy A. Questa riposta poteva verificarsi anche in mutanti privi di cromoforo. Per distinguerli vennero messi a crescere in un regime di luce bianca, quelli che non rispondevano (- cromoforo) venivano scartati, quelli che rispondevano (- phy A) perché avevano il phy B, venivano tenuti.  Una volta individuato il mutante PhyA, se fatto crescere con luce FR non rispondeva, mentre con luce R si. 
        HIR alla luce R di piantine verdi mediata da phy B
        Annotations:
        La R- HIR di piantine verdi è mediata dal phy B sensibile alla luce rossa. 
        Ipotesi confermata
        Annotations:
        Isolamento di un mutante hy3 privo di phy B (non aveva mRNA e proteina). Questi mutanti hanno però quantità normali di phy A. Questo mutante cresceva con ipocotile allungato in luce bianca (R); questo vuol dire che il phy A non risponde alla luce bianca perché non è in grado di promuovere l'accorciamento dell'ipocotile, cosa per cui servirebbe phy B. 
      3. RISPOSTE
        Annotations:
        Fuga dall’ombra Germinazione Ritmi circadiani  Fotoperiodismo (fioritura)
        FUGA DALL'OMBRA
        Annotations:
        Rapporto R/FR nel giorno è costante, al tramonto o alba il rapporto varia, anche in situazione di ombreggiamento. Le piante percepiscono queste variazione e rispondono. xes. ci sono piante che si trovano bene a crescere in condizioni di alta energia e se vengono ombreggiate aumentano la crescita del fusto e diminuiscono la crescita foglie per ritornare a situazione di alta energia. Questa crescita è data dal fatto che la luce rossa non riesce ad agire sul phy B per bloccare allungamento del fusto.  All'ombra aumenta FR, quindi diminuisce rapporto R/FR e diminuisce anche rapporto Pfr/Pt
        RITMI CIRCADIANI
        Annotations:
        Ritmi fisiologici che hanno fasi di alta e bassa intensità durante le 24h.   Possono seguire i ritmi circadiani: posizione delle foglie, apertura chiusura stomi, petali, fotosintesi. Se viene interrotto il naturale alternarsi di giorno/notte, questo ritmo tende a rimanere e dopo un pò si sfasa. Vuol dire che il ritmo è dettato dall'organismo stesso (RITMI ENDOGENI). Sono chiamati circadiani perché durano 24h (CIRCA DIEM).  I ritmi circadiani regolano anche l'espressione genica. xes. la proteina LHCB viene sintetizzata più al giorno, da ciclo 12/12 a buio continuo il ritmo lentamente si estingue. Se però R prima di buio: mRNA inalterati.  Processo reversibile con RL. (libro lo spiega meglio)
        FOTOPERIODISMO
        Annotations:
        E' la capacità di misurare la lunghezza del giorno per produrre una risposta fisiologica in un determinato momento dell’anno xes. le piante che vivono nei climi temperati fioriscono in primavera; queste misurano il passaggio inverno/primavera, misurando l'allungamento del regime illuminazione. Il fotoperiodismo ha la proprietà comune di rispondere a cicli giorno/notte.  Il cambiamento della lunghezza del giorno può determinare l’inizio della fioritura. 
        Le piante possono essere classificate secondo la loro risposta fotoperiodica rispetto alla fioritura: - le piante longidiurne, per fiorire hanno bisogno che le ore di illuminazione eccedano una certa soglia critica. Nella condizione in cui il periodo di buio eccede e la pianta non dovrebbe fiorire, interrompo la notte con un lampo di luce e la pianta fiorisce -> vuol dire che le piante contano più la durata del buio che della luce.  - le piante brevidiurne hanno un comportamento opposto, per fiorire la durata del giorno deve essere inferiore ad una certa soglia. Vale la stessa cosa  La fioritura è sotto il controllo del fitocromo. 
      4. VLFR
        Annotations:
        In pianticelle di avena cresciuta al buio, la luce rossa a fluente molto basse può stimolare la crescita del coleottile e inibire quella del mesocotile. Questi notevoli effetti dovuti a scarsissime quantità di illuminazione sono definiti VLFR. Le VLFR non sono fotoreversibili.
MECCANISMO DI AZIONE DEL FITOCROMO
1. REGOLAZIONE ESPRESSIONE GENICA
  Annotations:
  - Eventi più lenti xes. regolazione dell'espressione delle proteine dello sviluppo del cloroplasto connessa alla fotomorfogenesi. Sono molti i geni regolati dal fitocromo i cui promotori hanno sequenze conservate (Cis) che regolano la trascrizione indotta dal fitocromo. La regolazione della trascrizione può avvenire in tempi brevi : geni precoci e geni tardivi. Nella regolazione vengono attivati prima geni di risposta primaria (la cui trascrizione è indipendente da sintesi proteica e non può essere inibita da inibitori della sintesi proteica) che codificano per fattori di trascrizione che attivano i geni di risposta secondaria. I prodotti proteici di questi geni sono i veri attori della risposta. 
  - Identificati molti geni regolati dal fitocromo in Arabidopsis su piante wild type e mutanti null-phy A mediante analisi microarray, per capire quali geni sono regolati dal fitocromo. 
2. EVENTI BIOCHIMICI
  Annotations:
  - Eventi rapidi.  Irradiazione con luce rossa causa variazioni del potenziale di membrana. MOVIMENTI NICTINASTICI MOVIMENTI TERMONASTICI PIANTE CANIVORE
  1. MOVIMENTI FOGLIARI
    Annotations:
    - Le foglie sono in grado di variare la loro posizione trachite/aperte in base al giorno/notte.  Queste foglie hanno un motore al base che si chiama pulvino, che contiene cellule (estensore e flessore) che possono variare il loro volume in contrapposizione. Si inturgidiscono grazie a movimenti ionici. La luce R può determinare chiusura, diminuisce il pH apoplastico del flessore (cellule dorsali) e aumenta il pH apoplastico dell’estensore (cellule ventrali) -> Si aprono i canali di entrata di K+ del flessore Il fitocromo regola l’H+-ATPasi e i canali ionici delle cellule del pulvino. 
3. TRASDUZIONE DEL SEGNALE DEL FITOCROMO
  Annotations:
  - Analizzando la sequenza a.a. del fitocromo si è visto che è simile alla istidina chinasi batterica. L'istidina chinasi batterica ha un recettore con attività chinasica associata, quando viene stimolato questo recettore si autofosforila su un residuo di istidina e si attiva. Il Pi viene trasferito ad una proteina ricevente, cioè un fattore di trascrizione che una volta attivato migra nel nucleo, si lega al DNA e attiva trascrizione. Questa si chiama SISTEMA A DUE COMPONENTI (può essere più complesso con elementi intermedi). 
  - Il fitocromo delle piante è una proteina chinasi autofosforilante, che una volta fosforilata si attiva ed è in grado di fosforilare altre proteine. Tutto questo a seguito dell'impulso di luce. Inoltre il fitocromo può migrare nel nucleo a seguito del segnale luminoso, possiedono sequenze di localizzazione nucleare. 
  1. Phy A
    Annotations:
    - Nessun segnale di localizzazione nucleare, entra in associazione con FHY1; traslocazione indotta sia da luce R che FR a bassi valori di fluenza (VLFR, FR-HIR)
  2. Phy B
    Annotations:
    - Segnale di localizzazione nucleare; traslocazione indotta da luce R al di sopra di una soglia di fluenza, revertita da luce FR. 
  3. Nel nucleo interagiscono con altre proteine
    1. Fattori PIF
      Annotations:
      - Si legano alle G-BOX. Regolano negativamente la fotomorfogenesi PIF1-5 impedisce che ci sia fotomorfogenesi al buio, regolano negativamente la germinazione dei semi fotoblastici reprimendo geni della biosintesi delle gibberelline (GA3ox) o inducendo i geni della loro degradazione (GA2ox)  PIF1 e PIF3 inibiscono lo sviluppo dei cloroplasti al buio. Questi fattori sono stabili al buio, vengono degradati alla luce e al buio si riaccumulano. 
      1. DEGRADAZIONE
        Annotations:
        Nel nucleo i fitocromi (PHYB e PHYA) inducono la degradazione dei fattori PIF, attraverso la via dell’ubiquitina/proteosoma. Si legano ai PIF nei tPNB (corpi nucleari transienti) dove i PIF vengono fosforilati e ubiquinati e quindi avviati alla degradazione del proteosoma.
    2. Fattori HFR1, HY5, LAF1
      Annotations:
      - Fattori di trascrizione nel nucleo che regolano positivamente la fotomorfogenesi. Al buio sono degradati dal complesso COP1-SPa1 COP1 = E3, ubiquitina-proteina ligasi I mutanti cop mostrano fotomorfogenesi costitutiva al buio.
      1. STABILIZZAZIONE
        Annotations:
        Nel nucleo i fitocromi (PHYB) inducono la stabilizzazione dei fattori HFR1, HY5 e LAF1. PHYB nella forma Pfr si associa a SPA1 dissociandola da COP1 e determinando la traslocazione di COP1 nel citosol

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10. LUCE COME SEGNALE

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