Auxinele (din altă greacă αὔξω cresc, cresc ) - un grup de hormoni vegetali . Auxinele naturale sunt derivați de indol : acizi 3-(3-indolil)propionici, indolil-3-butiric, 4-cloroindolil-3-acetic și 3-indolilacetic. Cea mai comună auxină utilizată pe scară largă în producția de culturi este heteroauxina - acid indolil-3-acetic.
Auxinele au o activitate fiziologică ridicată. Stimulează creșterea fructelor și lăstarilor plantelor , dominanța apicală , creșterea fototropică (spre lumină), geotropismul radicular pozitiv (creșterea descendentă). Stimulează creșterea celulelor cambiale . Ele afectează creșterea celulară în faza de alungire și diferențierea celulară. Reglați creșterea corelativă , asigurați interacțiunea organelor individuale. Îmbunătățiți creșterea rădăcinilor adventive. O scădere a concentrației de auxină din plantă duce la ofilirea frunzelor. Planta se mișcă cu o viteză de 10 mm pe oră.
Prima ipoteză despre existența unei substanțe care controlează fototropismul (mișcarea de creștere direcționată a plantelor către o sursă de lumină) a fost prezentată de Charles Darwin în lucrarea sa On the Ability of Plants to Move (1880). În experimentele privind umbrirea diferitelor părți ale tulpinii, Darwin a ajuns la concluzia că un regulator ipotetic de creștere a plantelor, pe care l-a numit auxină, este sintetizat în vârf și se mișcă polar (de sus în jos) în partea aeriană a plantei. În 1931, din urina umană a fost izolată o substanță capabilă să provoace curbe ale tulpinii plantelor, această substanță s-a dovedit a fi acid indoleacetic (IAA); IAA a fost în curând izolat din țesuturile vegetale și fungice. Prin natura sa chimică, IAA este un derivat al aminoacidului triptofan. IAA este principala auxină naturală, care reprezintă 80-95% din toate auxinele din țesuturile vegetale de diferite specii. Toate celelalte auxine naturale (acid indol butiric, acid clorindol acetic) sunt apropiate de IAA în formula lor chimică și sunt asociate cu originea sa. S-au obţinut şi substanţe sintetice cu activitate auxinică, dintre care multe diferă semnificativ de IAA [1] .
Locul principal al biosintezei IAA într-o plantă sunt frunzele tinere și primordiile lor. În plus față de plante, unele ciuperci și bacterii patogene (de exemplu, reprezentanți ai genurilor Agrobacterium și Pseudomonas, care provoacă creșterea anormală a țesuturilor plantei gazdă) au capacitatea de a biosintetiza IAA. La plante, există două căi pentru sinteza IAA: calea dependentă de triptofan, care a fost studiată în detaliu, și calea independentă de triptofan, care este încă ipotetică. Calea dependentă de triptofan este sinteza IAA din triptofan în mai multe etape. Există mai multe variante ale căii dependente de triptofan a biosintezei IAA, principalele fiind sinteza prin acid indolepiruvic (IPA), prin indoacetamidă (IAM), prin triptamină (TAM) și prin indoacetaldoximă (IAOx). La diferite specii de plante, predomină una sau alta variantă a biosintezei IAA dependente de triptofan - de exemplu, la Arabidopsis și alte plante crucifere, calea de sinteză prin IAOx este predominantă; Agrobacterium și Pseudomonas sunt caracterizate prin calea de sinteză prin IAM. Calea dependentă de triptofan a biosintezei IAA a fost studiată în detaliu; la plante și bacterii, au fost izolate enzime care catalizează toate etapele diferitelor sale variante și au fost identificate o parte semnificativă a genelor care codifică aceste enzime. Este interesant că mutanții cu o pierdere a funcției genelor care acționează în diferite stadii ale căii dependente de triptofan a biosintezei IAA sunt adesea caracterizați printr-un conținut crescut de auxine în țesuturi, mai degrabă decât unul redus. Motivul pentru aceasta este o activare bruscă a altor variante ale căii dependente de triptofan a sintezei IAA atunci când una dintre ele este întreruptă.
Pe lângă calea dependentă de triptofan a biosintezei IAA, plantele au o cale independentă de triptofan, despre care, în ciuda istoriei lungi a acestei probleme, nu se știe absolut nimic. Dovada existenței unei astfel de căi este producerea de mutanți viabili ai Arabidopsis (trp l, 2, 3, 4 și 5) și a porumbului, defecte în sinteza triptofanului. Aceștia sunt mutanți cu o pierdere a funcției genelor care controlează diferiți pași în sinteza triptofanului din corismatul său precursor. Ei nu sintetizează triptofan, dar cu toate acestea se observă niveluri normale sau chiar de multe ori crescute de IAA. Probabil, dacă astfel de mutanți ai căii dependente de triptofan a biosintezei IAA nu pot funcționa, ei activează calea ipotetică a sintezei IAA fără utilizarea triptofanului.
Plantele au, de asemenea, mai multe moduri de inactivare a IAA: în primul rând, aceasta este formarea acidului indol butiric (IBA), o formă de rezervă de auxine și, în al doilea rând, formarea conjugaților cu aminoacizi și zaharuri. Conjugații au activitate de auxină slabă și sunt, de asemenea, forme de rezervă de auxine. Sinteza conjugatelor este realizată de un grup mare de enzime GH3-1. Expresia genelor GH3-1 este reglată pozitiv de auxine, astfel, există un feedback negativ în controlul nivelului de IAA activ. În plus, numeroase enzime care hidrolizează conjugații cu formarea de IAA activ au fost identificate în Arabidopsis, iar genele care le codifică au fost donate. Mutanții cu pierderea funcției acestor gene acumulează conjugatele corespunzătoare și au sensibilitate crescută la acestea [1] .
Deoarece locurile principale ale biosintezei IAA sunt părțile apicale ale lăstarilor, este necesar transportul basipetal al IAA către organele de bază ale plantei. Există două tipuri de transport de auxine.
1. Transport rapid prin floem, care este mișcarea auxinelor cu fluxul de metaboliți și nutrienți. În acest fel, atât IAA activ, cât și conjugații săi se pot deplasa prin plantă.
2. Transportul de auxină polară (PAT) este caracteristic numai pentru IAA activ și are loc în principal prin celulele periciclului și elementele vasculare tinere (vii). În timpul transportului polar, IAA intră în celulă dintr-o parte și o părăsește din partea opusă; diferite grupuri de proteine purtătoare sunt implicate în ambele procese. Acest transport este mai lent și are o direcție strict pronunțată: în special, în lăstar este îndreptat basipetal, de la meristemul apical și frunzele tinere până la rădăcină; Inversarea PAT are loc la vârful rădăcinii, iar apoi IAA se deplasează acropetal în zona de formare a rădăcinii laterale. IAA este singurul fitohormon cu un sistem complex de transport polar; Polaritatea dezvoltării lor depinde de direcția PAT în diferite organe ale plantei.
Anumite substanțe, cum ar fi acidul naftilftalamic (NPA) și acidul 2,3,5-triiodobenzoic (TIBA), blochează în mod specific PAT. În acest caz, IAA se acumulează în interiorul celulelor, ceea ce a făcut posibilă sugerarea existenței unor canale de intrare și ieșire organizate diferit (influx și eflux) pentru transportul polar al IAA, iar direcția IAA este asociată cu localizarea canale de intrare și de ieșire pe diferite părți ale celulei (respectiv, pe apicală și bazală). Blocarea PAT folosind NPA și TIBA este asociată cu influența lor asupra canalului de ieșire [1] .
În ciuda unui studiu îndelungat al auxinelor, există încă multe probleme nerezolvate în recepția și transducția semnalului acestor fitohormoni.
Un studiu pe termen lung al auxinelor a dezvăluit un număr mare de proteine de legare a auxinei (ABP) cu diferite funcții. Până în prezent, funcționarea ca receptori de auxină a fost demonstrată pentru două proteine:
• proteina transmembranară АВР1 care interacționează cu proteinele G;
• proteina TIR1, care face parte din complexul ubiquitin-ligază SCF.
Fiecare dintre aceste proteine, la legarea auxinei, declanșează expresia genelor reglate de auxină, iar pierderea funcției fiecăreia dintre ele duce la pierderea viabilității plantelor. În prezent, nu se știe nimic despre interacțiunea acestor două sisteme de receptori independente sau despre vreo diviziune a funcțiilor între ele.
În plus, componentele „de mijloc” ale căii de transducție a semnalului auxinei care acționează între receptorul ABP1 și factorii de transcripție dependenți de auxină nu au fost încă identificate. Ca răspuns la auxină, apare activarea cascadei kinazei MAP și a kinazei PID, dar locul exact al acestor protein kinaze în calea de transducție a semnalului auxinei nu a fost stabilit [1] .
Funcțiile auxinelor sunt diverse și sunt asociate cu caracteristici ale acestor hormoni precum prezența transportului polar, stimularea canalelor ionice și controlul exprimării anumitor gene. Principalele funcții ale acestor fitohormoni includ: controlul ciclului celular, stimularea creșterii celulare prin întindere, controlul polarității de dezvoltare a organismului vegetal, reacții foto- și pietriș-tropicale, stimularea inițierii rădăcinilor laterale și adventive, stimularea iniţierii şi dezvoltării organelor laterale în meristemul apical lăstar [1] .
Printre cele mai rapide răspunsuri celulare la auxine se numără activarea fluxului diferiților ioni prin membrana celulară. Motivul pentru aceasta este activarea dependentă de auxină a unui număr de proteine de transport ionic:
• H + -ATPaze membranare, care pompează ionii H + din celulă;
• canale de potasiu care intră în celula ionilor K + ;
• canale de calciu care realizează intrarea ionilor de Ca 2+ în celulă .
Pe lângă activarea canalelor ionice, auxinele stimulează și expresia unui număr de gene care codifică proteinele canalelor ionice.
Activarea H + -ATPazei stă la baza unui număr de funcții fiziologice ale auxinelor, în special, creșterea dependentă de auxină a celulelor prin alungire, precum și foto- și gravitropisme. Se știe că activarea H + -ATPazelor este indusă de auxină chiar și pe fracțiuni membranare izolate, dar mult mai puțin eficient, sugerând existența unor factori celulari care mediază acțiunea auxinei asupra pompelor de protoni. Unele proteine de legare la auxină (ABP) pot fi un astfel de factor. Într-adevăr, în prezența unora dintre ele, de exemplu, receptorul transmembranar auxină ABP1 și proteina citoplasmatică ABP57, crește eficiența activării H + -ATPazei în membrane. În plus, pentru proteina ABP 57, a fost demonstrată capacitatea de interacțiune directă cu H + -ATPaze de pe membrana celulară. Auxinele provoacă, de asemenea, o creștere a numărului de H-ATPaze membranare datorită reglării pozitive a exprimării genelor lor.
Activarea canalelor de potasiu este, de asemenea, unul dintre evenimentele rapide în răspunsul celulei la auxină. Funcționarea canalelor de potasiu depinde de potențialul membranei; în acest sens, se crede că activarea lor dependentă de auxină are loc din cauza hiperpolarizării membranei datorită activării pompelor de protoni. Una dintre cele două gene ale canalului de potasiu al porumbului, ZMK1, s-a dovedit a fi reglată de către auxine.
Activarea canalelor de calciu stă la baza deschiderii stomatologice dependente de auxină. Activarea lor este un răspuns mai lent în comparație cu activarea H-ATPazelor și a canalelor de potasiu, ceea ce indică efectul indirect al auxinelor asupra activității lor. Activarea canalelor de calciu necesită și o modificare a potențialului de membrană, care are loc datorită activării H-ATPazei membranei [1] .
Alături de citokinine, auxinele sunt hormoni implicați în controlul ciclului celular la plante. În ciuda faptului că citokininele sunt principalii inductori ai proliferării celulelor vegetale, multe auxine (în special auxina sintetică 2,4-D) atunci când sunt adăugate în mediul de cultură, îmbunătățesc și diviziunea celulară. În organismul vegetal, auxinele promovează diviziunea celulară a meristemului apical rădăcină, precum și primordiile frunzelor în curs de dezvoltare. Mecanismele de influență ale auxinelor asupra ciclului celular sunt diferite de cele ale citokininelor.
Ciclul celular al tuturor eucariotelor se află sub controlul protein kinazelor dependente de ciclină (CDKs, de la Cyclin-Dependent protein kinaze), care fosforilează regulatorii ciclului celular din aval (histone, proteine complexe de pre-replicare, proteină retinoblastom etc.). Activitatea CDK necesită subunitățile lor catalitice înlocuibile, cicline. Diferite clase de cicline, prin alăturarea CDK-urilor, reglează diferite faze ale ciclului celular. Principalele clase de cicline din plante sunt ciclinele A, B și D: ciclinele din clasa A controlează cursul fazei S a ciclului celular, ciclinele B controlează tranziția G2-M, precum și cursul normal și finalizarea mitoza, ciclinele D controlează tranziția G1-S, precum și comunică ciclul celular cu semnale externe. Expresia genelor D-ciclinei, principalii inductori ai proliferării celulelor vegetale, este reglată de citokinine și zaharoză. În promotorii genelor ciclinei A (CycA), precum și în gena CDKA, care codifică principala CDK a plantei, s-a descoperit că secvențele AuxRE leagă factorii de transcripție ARF. Cu toate acestea, experimentele cu culturi de suspensie de celule de plante sincronizate nu au evidențiat o creștere semnificativă a expresiei acestor gene atunci când auxinele au fost adăugate în mediul de cultură. În același timp, s-a demonstrat că o creștere a concentrației de auxine crește cantitatea de complexe active CDKA-ciclină prin sporirea asocierii acestor molecule sau prin stabilizarea legăturii acestora. Mecanismele moleculare ale acestui fenomen nu au fost elucidate [1] .
Una dintre cele mai cunoscute funcții ale auxinelor la nivel celular este de a stimula creșterea celulelor prin întindere, care stă la baza alungirii tulpinii dependentă de auxină.
Alungirea celulară dependentă de auxină este asociată cu o creștere a labilității peretelui celular. Unul dintre mecanismele de slăbire a peretelui celular se numește „creștere sub acțiunea acidului” (sau „creștere acidă”) și este realizat prin stimularea auxinei a activității membranei H + -ATPazei. H + -ATPazele ejectează ionii H + din celulă, ceea ce duce la acidificarea spațiului îngust dintre plasmalemă și peretele celular. Sub acțiunea unui mediu acid, se activează expansinele - proteine asociate cu peretele celular, care distrug legăturile de hidrogen dintre microfibrilele de celuloză, ceea ce permite celulei să se extindă sub acțiunea presiunii turgenței. Direcția de creștere a celulelor depinde de orientarea fibrilelor de celuloză, care este, de asemenea, controlată de auxine (mecanism necunoscut). Pe lângă creșterea activității catalitice a expansinelor, auxinele reglează pozitiv expresia genelor lor: promotorii unui număr de gene EXP conțin secvențe AuxRE.
Diferențierea tipurilor de celule specifice: dezvoltarea sistemului de conducere
Sistemul conducător al plantelor superioare este o rețea celulară extinsă necesară pentru transportul substanțelor dizolvate și stabilitatea mecanică. Fasciculele vasculare care alcătuiesc sistemul conducător includ floemul, prin care sunt transportate în principal fotoasimilații, și xilemul, prin care se deplasează mineralele dizolvate în apă. Vasele de xilem se diferențiază de celulele procambiale, care sunt prezente în orice organ al plantei și apar în primordiile organelor în primele etape ale dezvoltării lor.
Diferențierea vaselor de procambium este sub controlul auxinelor; de exemplu, s-a stabilit că locurile de diferențiere a vaselor din limbul frunzelor în curs de dezvoltare coincid cu zonele de concentrație maximă de auxină. Un rol cheie în crearea zonelor de concentrație crescută de auxine, necesare dezvoltării vaselor de sânge, îl joacă transportul polar de auxine, care se realizează prin celulele procambiale. În prezent, nu există date despre mecanismul molecular exact al diferențierii vasculare, cu toate acestea, au fost identificați o serie de regulatori cheie ai acestui proces. În Arabidopsis, printre mutațiile genelor implicate în transducția semnalului ca răspuns la auxine, trei mutații - mp, bdl și axgb - provoacă subdezvoltarea fasciculelor vasculare. Astfel, dezvoltarea vasculară depinde de activitatea factorului de transcripție ARF5/MP și a antagonistului său depresor al transcripției IAA12/BDL. În plus, proteina AXR6/CUL1, care este o componentă a complexului ubiquitin ligază SCF TIRI , joacă un rol important în acest proces . Un alt grup de regulatori ai dezvoltării vasculare la Arabidopsis sunt factorii de transcripție AtHB8 și AtHB20 aparținând familiei HD-ZIP (alți reprezentanți ai acestei familii de factori de transcripție, PHB, PHV și REV, joacă un rol cheie în formarea adaxial-abaxiale). polaritatea limbei frunzei; pentru mai multe detalii vezi capitolul „Dezvoltarea frunzelor”). Expresia genelor AtHB8 și AtHB20 este indusă de auxină mai târziu decât expresia genelor IAA, ceea ce se poate datora faptului că factorii de transcripție AtHB8 și AtHB20 acționează în aval de proteinele ARF și Aux/IAA în controlul vascular. dezvoltare. Într-adevăr, în plantele transgenice 35S::MPc cu un nivel crescut de expresie a genei MP/ARF5, se observă un nivel crescut de expresie a genelor A1HB8 și AtHB20 [1] .
Auxinele au fost descoperite ca substanțe care controlează mișcările de creștere direcționate ale plantelor – tropisme. Se distinge gravitropismul - de exemplu, îndoirea tulpinii și a rădăcinii la schimbarea vectorului gravitațional, fototropismul - un exemplu este îndoirea hipocotililor spre lumină, chemotropismul - creșterea rădăcinilor spre concentrații mai mari de nutrienți în sol etc. Toate aceste curbe sunt controlate de auxine și sunt legate de o schimbare a direcției gradientului lor de concentrație, care, la rândul său, depinde de o schimbare a direcției de transport polar al auxinei (PAT) mediată de proteinele PIN.
Îndoirile tulpinii și rădăcinii în apariția tuturor tropismelor depind de distribuția asimetrică a auxinelor în direcția radială, datorită căreia o parte a tulpinii sau rădăcinii acumulează mai multe auxine decât cealaltă, ceea ce duce la alungirea neuniformă a celulei și la formarea unei cotituri. Acest model, numit ipoteza Cold-Went, a fost propus pentru prima dată în 1928 și ulterior a fost confirmat prin experimente cu auxină radiomarcată. Pe baza exemplului gravitropismului radicular, s-a constatat că proteina PIN3 joacă un rol central în asigurarea distribuției radiale a auxinelor, care este localizată în mod normal pe suprafața „laterală” a celulei endodermului orientată spre sistemul conducător și controlează direcția centripetă a PAT. Rolul proteinelor PIN, în special PIN3, în fototropism nu a fost elucidat, în ciuda faptului că distribuția asimetrică a auxinelor joacă un rol central în curbarea fototropică a tulpinii [1] .