Giberelinas

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Giberelinas 
As giberelinas foram identificadas como compostos de fungos que promovem o alongamento do caule
Photo source: Nigel Cattlin, Visuals Unlimited, Inc. 
Giberelina (GA3)
Plantas infectadas
são hiperalongadas
DoençaBakanae
(Gibberella fujikuroi)
Plantas
não afetadas
Doença de Bakanae produz “plantas bobas”, as plantas infectadas se alongam muito rapidamente, e são incapazes de se sustentar; elas são também macho estéreis, inviáveis. 
Descoberta em 1926 no Japão
As giberelinas foram identificadas como reguladores endógenos do crescimento vegetal
Lester, D.R., Ross, J.J., Davies, P.J., and Reid, J.B. (1997) Mendel's stem length gene (Le) encodes a gibberellin 3[beta]-hydroxylase. Plant Cell 9: 1435-1443; Wheat mage courtesy of Mary Burrows, Montana State University, Bugwood.org; Clementine photo by Azcolvin429.
Desenvolvimento de muitos frutos sem semente necessita aplicação de GA. 
Ervilhas anãs de Mendel’ são deficientes na síntese de GA. 
Ervilha normal
Giberelina promove alongamento do caule e produção de sementes. Em algumas plantas elas promovem florescimento e desenvolvimento de fruto. 
Algumas plantas são tratadas com inibidores da síntese de GA para manter um estatura baixa e prevenir tombamento e acamamento .
The large image shows wheat lodging. 
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Síntese de GA e homeostase
Phinney, B.O. (1956). Growth response of single-gene dwarf mutants in maize to gibberellic acid. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 42: 185-189.
A via de biossíntese de GA em plantas foi determinada em parte pela análise de plantas anãs deficientes em GA. 
Normal
Normal
+ GA
Anã-1 
Anã-1
 + GA
In 1956, B.O. Phinney encontrou que algumas plantas de milho anãs poderiam ser recuperadas pela aplicação de GA. 
The use of genetics to elucidate biosynthetic pathways had been described earlier by Beadle and Tatum. For an animated tutorial of Beadle and Tatum’s work see http://www.dnalc.org/resources/nobel/beadle_tatum.html. 
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METABOLISMO PRIMÁRIO DE CARBONO
Fotossíntese
Piruvato
Acetil-CoA
Eritrose 4 fosfato
Fosfoenolpiruvato
3 fosfoglicerato
Via do ácido shikimico
Aminoácidos aromáticos
Ciclo do ácido tricarboxílico
Aminoácidos alifáticos
Via do ácido malônico
Produtos secundários contendo nitrogênio
Compostos fenólicos
Via do ácido mevalônico
Terpenos
Via Metileritritol
fosfato
Via do ácido mevalônico
Via Metileritritol
fosfato
CPS – ent copalil difosfato sintase 
KS – ent-caureno sintase 
GA promove o crescimento através da expansão e divisão celular
Expansão celular
Divisão celular
Expansão celular
GA induz a expresão de proteínas regulatórias do ciclo celular chamadas ciclinas.
GA promove alongamento celular através do afrouxamento da parede celular
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Ao contrário das auxinas, GA não possui transporte polar
Adapted from Kato, J. (1958) Non polar transport of gibberllin through pea stem and a method for its determination. Science 128: 1008-1009. 
A mesma quantidade de GA move da parte superior contendo o bloco doador para o bloco abaixo independentemente da polaridade do segmento do caule. Ao contrário, auxinas se movem do ápice do caule para a base. 
Orientação normal
Orientação invertida
See “Teaching Tools in Plant Biology 7 – The Story of Auxin” for more on polar auxin transport. 
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GAs são transmitidos por enxertia; elas podem mover por longas distâncias
Proebsting, W.M., et al. (1992). Gibberellin concentration and transport in genetic lines of pea : Effects of grafting. Plant Physiol. 100: 1354-1360; Katsumi, M., et al. (1983). Evidence for the translocation of gibberellin A3 and gibberellin-like substances in grafts between normal, dwarf1 and dwarf5 seedlings of Zea mays L. Plant Cell Physiol. 24: 379-388 Copyright 1983 Japanese Society of Plant Physiologists, with permission.
Em ervilha, um broto do mutante na é resgatado pela enxertia no sistema radicular Na. 
d1- d1
WT - d1
Plântulas de milho são enxertadas lado a lado
Em milho, GA ou GA-precursor move da planta normal para o mutante d1 e promove crescimento.
na
na
na
Na
The na mutant pea shoot does not produce GA, but when grafted onto Na roots it elongates, indicating that GA has been translocated from root to shoot. Similarly, the maize d1 mutant is dwarfed when grafted to another d1 mutant, but elongates when grafted to a wild-type plant, showing translocation of GA from the WT graft partner to the d1 mutant. 
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Lang, A. (1957). The effect of gibberellin upon flower formation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 43: 709-717. 
GA pode superar o comprimento do dia necessário para promover o florescimento
Controle
Em algumas espécies de plantas que necessitam dias longos para o florescimento, GA pode induzir floração mesmo em dias curtos. 
Samolus parviflorus cresce em dias curtos com ou sem tratamento com giberelina. 
Giberelina
Mutantes com perda da função das enzimas CPS ou KS são ananizantes
Sakamoto, T., et al. (2004). An overview of gibberellin metabolism enzyme genes and their related mutants in rice. Plant Physiol. 134: 1642-1653.
GGPP
Wt
oscps-1
osks-1
oscps-1
osks-1
CPS
CPP
KS
ent-kaurene
Tipo selvagem e mutante anã de arroz
Essas enzimas são codificadas por um ou poucos genes, assim mutantes tem níveis de GA severamente reduzidos. 
CPS – ent copalil difosfato sintase 
KS – ent-caureno sintase 
Geranilgeranil difosfato
Ent copalil difosfato
In the central picture the dwarf oscps-1 and osks-1 mutants are so small they are difficult to see; larger images of these plants are shown to the right. Rice (Oryza sativa) genes often start with “Os” to indicate they are from rice. 
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De forma similar, perda da função dos genes KO ou KAO gera plantas anãs
Davidson, S.E., Elliott, R.C., Helliwell, C.A., Poole, A.T., and Reid, J.B. (2003). The pea gene NA encodes ent-kaurenoic acid oxidase. Plant Physiol. 131: 335-344. Davidson, S.E., Smith, J.J., Helliwell, C.A., Poole, A.T., and Reid, J.B. (2004). The pea gene LH encodes ent-kaurene oxidase. Plant Physiol. 134: 1123-1134.
O gene de ervilha LH codifca a enzima ent-caureno oxidase (KO)
ent-caureno
Ácido ent-caureno
GA12
KO
KAO
Em ervilha o gene NA codifica para a enzima ácido ent-caureno oxidase (KAO)
As últimas enzimas da via são codificadas por vários genes com diferente padrão de expressão
Imaage courtesy of M. Matsuoka. Sasaki, A., Ashikari, M., Ueguchi-Tanaka, M., Itoh, H., Nishimura, A., Swapan, D., Ishiyama, K., Saito, T., Kobayashi, M., Khush, G. S., Kitano, H. and Matsuoka, M. (2002) A mutant gibberellin-synthesis gene in rice. Nature 416, (6882) 701-702.
GA12
GA53
GA 20-oxidase
GA 13-hidroxilase
GA9
GA20
GA4
GA1
 Gas ativas
A variedade semi-anã 1 é mutada em uma GA 20 oxidase que é expressa em brotações mas não em tecidos reprodutivos, direcionando ao um aumento na produção de grãos (revolução verde). 
GA 3-oxidase
GAs podem ser desativadas por várias enzimas
HO
HO
GA2ox
HO
CH3
HO
HO
GA4
Entrenó 
Superior alongado 
(EUI)
GA Metil-Transferase (GAMT)
The chemical modification carried out by these enzymes to deactivate GA4 are shown in red. 
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ELONGATED UPPERMOST INTERNODE codifica uma enzima para desativação de GA
Perda da função em mutantes causa alongamento e linhas com super-expressão produzem plantas anãs. 
Zhu, Y., et al. (2006). ELONGATED UPPERMOST INTERNODE encodes a cytochrome P450 monooxygenase that epoxidizes gibberellins in a novel deactivation reaction in rice. Plant Cell 18: 442-456.
GA2oxidase controla o movimento de GA no meristema apical
Sakamoto, T., Kobayashi, M., Itoh, H., Tagiri, A., Kayano, T., Tanaka, H., Iwahori, S., and Matsuoka, M. (2001). Expression of a gibberellin 2-oxidase gene around the shoot apex is related to phase transition in rice. Plant Physiol. 125: 1508-1516.
Antes da transição para floração, OsGA2ox1 é expresso apenas abaixo do meristema apical, seletivamente excluindo GA1 e GA4.
GA4
GA5
Tem sido demosntrado em Lolium (azevem) que GA5 (que resistente a desativação por GA2ox) pode se mover dentro do meristema mesmo na presença de GA2ox .
OsGA2ox1 mRNA
In the cartoon on the right the position of the buried meristem in the plant is indicated in yellow. Beside it in , the ring of GA2ox activity is shown in blue in the cartoon meristem. The image on the left shows a cross-section through a rice apex with the expression pattern of OsGA2ox1 shown in purple (by in situ hybridization). 
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GA4 entra no meristema após a expressão de GA2ox ser cessada 
GA4
GA5
Após indução floral, a expressão de GA2ox é cessada, permitindo que GA4 mova para dentro do meristema e promova alongamento das brotações.
Em Lolium, níveis de GA5 aumentam rapidamente nos brotos após uma simples indução por um dia longo, enquanto que os níveis GA4 e GA1 aumentam depois.
King, R.W., Moritz, T., Evans, L.T., Junttila, O., and Herlt, A.J. (2001). Long-day induction of flowering in Lolium temulentum involves sequential increases in specific gibberellins at the shoot apex. Plant Physiol. 127: 624-632.
Days after induction
The transition to flowering in Lolium is day-length dependent. The x axis of the graph shows days since long-day treatment to induce flowering. GA5 is thought to promote changes in the meristem that lead to flowering, whereas GA4 and GA1 which accumulate later promote stem elongation. 
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Nanismo é conferido pela superexpressão da enzima que desativa GA, GA 2-oxidase
Schomburg, F.M., Bizzell, C.M., Lee, D.J., Zeevaart, J.A.D., and Amasino, R.M. (2003). Overexpression of a novel class of gibberellin 2-oxidases decreases gibberellin levels and creates dwarf plants. Plant Cell 15: 151-163.
Forma inativa
WT
WT
Arabidopsis
Fumo
GA2ox
GA2ox
GA2ox
GA2ox
Arabidopsis
WT
GA2ox
GA2ox
GA12
GA53
GA 20-oxidase
GA 13-hidroxilase
GA 2-oxidase
GA9
GA20
GA4
GA1
GA 3-oxidase
GA 2-oxidase
GA 2-oxidase
Forma inativa
Forma inativa
Forma inativa
As diferentes GA2 oxidases podem preferencialmente atuar em GAs ativas ou em seus precursores, com diferentes resultados no desenvolvimento.
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Superexpressão de uma GA- metiltransferase causa nanismo
Varbanova, M., et al. (2007). Methylation of gibberellins by Arabidopsis GAMT1 and GAMT2. Plant Cell 19: 32-45.
WT
WT
Fumo
Petunia
GAMT1
GAMT1
Modulação de GA em tecido específico otimiza o crescimento e produção
Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: Nature Biotechnology. Hedden, P. (2003) Constructing dwarf rice. Nature Biotech.  21: 873 - 874 , copyright 2003.
Aumento do catabolismo de GA somente em internós produz plantas anãs de arroz com alta produtividade.
Aumento do catabolismo de GA em toda a planta usando um promotor constitutivo afeta a produção de sementes.
ACTPRO::GA2OX
GA3OXPRO::GA2OX
Mutantes de arroz e cevada slender1 tem uma resposta constitutiva a GA
Fu, X., Richards, D.E., Ait-ali, T., Hynes, L.W., Ougham, H., Peng, J., and Harberd, N.P. (2002). Gibberellin-mediated proteasome-dependent degradation of the barley DELLA protein SLN1 repressor. Plant Cell 14: 3191-3200. ; Ikeda, A., et al. (2001). slender Rice, a constitutive gibberellin response mutant, is caused by a null mutation of the SLR1 gene, an ortholog of the height-regulating gene GAI/RGA/RHT/D8. Plant Cell 13: 999-1010.
WT
sln1-1
[GA3] (pg/g)
WT
sln1
O acúmulo de GA em plantas sln é muito menor que em WT, indicando que esta é uma mutação na sinalização e não um mutante de superexpressão de GA.
Cevada
Rice
WT
WT
+ GA
slr1
Arroz 
GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF1 (GID1) codifica um receptor de GA
Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: NATURE. Ueguchi-Tanaka, M., et al. (2005) GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF1 encodes a soluble receptor for gibberellin. Nature 437: 693-698, copyright 2005. 
WT
gid1-1
Improvável mutação na biossíntese, o mutante de arroz gid1 não é recuperado por GA – ele é insensível a giberelina.
The gid1-1 mutant is tiny in the big picture so shown enlarged in the inset. 
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Superexpressão do gene GID1 gera plantas hipersensíveis a GA
Essas observações são consistentes pois GID1 é um receptor de GA.
Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: NATURE. Ueguchi-Tanaka, M., et al. (2005) GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF1 encodes a soluble receptor for gibberellin. Nature 437: 693-698, copyright 2005. 
Having more receptors means that at any given hormone concentration more hormone will be bound to receptors to elicit signaling, so the response will be greater. 
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Arabidopsis tem três genes codificando para GID1
Griffiths, J. et al. (2006) Genetic characterization and functional analysis of the GID1 gibberellin receptors in Arabidopsis. Plant Cell18: 3399–3414.
WT
gid1a-1
gid1b-1
gid1c-1
gid1a-1
gid1b-1
gid1c-1
Mutantes simples
Mutante triplo
Como em arroz, a planta mutante GID é insensível a GA.
Any of the single mutants in Arabidopsis show normal growth and GA response, indicating that there is functional redundancy. The triple mutant is tiny, and indicated by the arrow in the left figure. 
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A expressão do gene GID1 é negativamente controlada por GA
Griffiths, J. et al. (2006) Genetic characterization and functional analysis of the GID1 gibberellin receptors in Arabidopsis. Plant Cell18: 3399–3414.
GA
GA3ox1
Resposta
GA reprime a expressão dos genes envolvidos em sua própria síntese (e.g GA3ox) e resposta (e.g. GID1a,b,c); estes genes são importantes no controle “feedback”.
GID1
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Biossíntese de GA e desativação ocorrem sob forte controle
Thomas, S.G., Phillips, A.L., and Hedden, P. (1999). Molecular cloning and functional expression of gibberellin 2- oxidases, multifunctional enzymes involved in gibberellin deactivation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96: 4698-4703 Copyright 1999 National Academy of Sciences, USA.
Auxin
GAs ativos reprimem a síntese de GA e induzem a desativação de GA.
Auxina eleva a síntese de GA.
Temperatura e luz regulam A3ox
A maioria dos genes são expressos de forma célula específica
Liberando GAs da forma conjugada, β-glicosidade: ativa GA e induz crescimento
Paclobutrazol inibe a síntese de GA
Adapted from Rieu, I., et al. (2008). Genetic analysis reveals that C19-GA 2-Oxidation is a major gibberellin inactivation pathway in Arabidopsis. Plant Cell 20: 2420-2436.
0 M PAC
1 M PAC
5 M PAC
25 M PAC
Plantas de Arabidopsis tratadas com diferentes concentrações de paclobutrazol (PAC). 
Paclobutrazol é frequentemente aplicado (spray) em plantas para interferir na síntese de GA e prevenir o crescimento de ramos (e.g. em árvores frutíferas).
Formação de frutos partenocárpicos
Auxinas e gibrelinas
Auxina 
Giberelina
GA e a altura das plantas: Vantagens x desvantagem
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Giberelinas - Resumo
 Mutantes na síntese de GAs são anões, e podem ou não ser afetados no desenvolvimento reprodutivo
Os níveis de GAs ativos são controlados pela regulação da síntese e da desativação
GA move dentro de tecidos mas os mecanismos de transporte ainda não são conhecidos
 O Controle no acúmulo de GAs ativos através de estratégias químicas e genéticas contribuiu grandemente para a produtividade agrícola