Appunti di Fisiologia Vegetale, II semestre

MODELLO A CRESCITA ACIDA fusicoccina

L’espansione cellulare è regolata positivamente dal pH acido. La attiva le

H+ATPasi inducendo quindi l’acidificazione della parete. Perde però di efficacia se le

pareti vengono trattate con calore, proteasi o altri agenti denaturanti.

Non è il pH in sé a indurre l’accrescimento, ma le proteine specifiche che lo inducono

sono attivate dal pH.

Le espansine catalizzano l’estensione dipendente dal pH e il rilassamento da

tensione delle pareti cellulari. L’attività delle espansine determina un indebolimento

dei legami H fra i polisaccaridi di parete. Le famiglie principali sono le alfa e beta

espansine.

Le espansine separano le microfibrille dai polisaccaridi, che sono ora esposti agli

enzimi della parete. In questo modo le microfibrille possono scorrere tra loro.

Il differenziamento terminale della cellula porta all’arresto irreversibile della crescita.

Ora l’estensibilità della parete si riduce perché si riducono i processi di rilassamento 8

(1), aumentano i legami incrociati e si altera la composizione della parete (2). In

particolare si ha un’alterazione della struttura dei polisaccardidi di matrice neo formati

per formare complessi più stretti con la cellulosa o altri polimeri di parete (3), e si ha la

rimozione di 1-3 1-4 beta D-glucani (cellulosa) dalle pareti per conferire rigidità (4).

Infine si ha la de-esterificazione delle pectine che determina irrigidimento del gel (5) e

l’attività perossidasica determina la formazione di legami incrociati di gruppi fenolici

(es. HRPG) (6).

Lezioni 19, 20, 21, 22 9

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AUXINA

Questa molecola possiede proprietà morfogenetiche, in quanto se inibita si osserva

una riformulazione del pattern distale e della polarità. Questo ormone è infatti uno dei

principali regolatori dello sviluppo della pianta, e molte sue funzioni variano in base

alla sua concentrazione variabile nel tessuto, in cui forma massimi e minimi e

gradienti tra cellule. 11

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Omeostasi:

regolata da PIN localizzati sul reticolo endoplasmatico. PIN5 regola il trasporto di

auxina intracellulare, in particolare media l’ingresso dell’ormone nel RE.

Trasporto:

L’IAA è trasportata polarmente, ciò è stato dimostrato da un esperimento (Van der

Weij) in cui un segmento di coleottile veniva posto tra due blocchetti di agar, quello

superiore conteneva auxina e fungeva da donatore, quello inferiore ne era privo e

faceva da ricevente. In questo caso l’auxina si muoveva dall’alto in basso. Se però il

segmento veniva capovolto, il flusso si interrompeva. Perché?

IAA entra nella cellula passivamente se in forma indissociata (IAAH), oppure tramite

trasporto attivo secondario se in forma anionica (IAA-). La parete cellulare ha un pH

acido mantenuto dall’H+-ATPasi, mentre il citosol è neutro e qui predomina la forma

anionica. Gli anioni lasciano poi la cellula tramite trasportatori appositi localizzati nella

regione basale. Sono questi trasportatori a determinare la polarità del trasporto.

Questi carriers sono:

- ABCB: hanno ruoli vari, specialmente di uscita. Mutanti di Arabidopsis che

hanno perso la funzione di ABCB presentano fenotipi nani.

- AUX1/LAX e PGPs: carriers di entrata, o influx, che mediano l’ingresso di IAA- nel

citoplasma tramite cotrasporto. IAAH invece diffonde passivamente. LAX sta per

“Like AUX1”.

- PIN e PGPs: carriers di uscita, o efflux. Il mutante pin1 presenta foglie anormali

ed una infiorescenza a spillo. La localizzazione di questi carriers è molto

importante, essi si trovano sulla porzione basale delle cellule parenchimatiche

corticali della radice e sono responsabili dell’efflusso di auxina dall’apice

caulinare a quello radicale.

- Dal citosol al RE: PINs e PILS.

Quindi, le proteine PIN lavorano sinergicamente con le ABCB (P-glicoproteine ATP-

dipendenti, mediano l’uscita), mantenendo il trasporto direzionale di auxina e

impedendone il riassorbimento.

NPA invece è un inibitore del trasporto dell’auxina, che interferisce con l’attività della

proteina PIN determinando un accumulo di auxina nella cellula.

Come viene determinata la posizione di questi carriers?

Le proteine PIN sono bersagli della fosforilazione da parte della chinasi PID e della

defosforilazione da parte della fosfatasi PP2A. lo stato di fosforilazione è cruciale per

determinare la localizzazione: se fosforilate si localizzano sul lato apicale, se

defosforilate su quello basale. È coinvolto il movimento di proteine sintetizzate de

novo attraverso il sistema secretorio di membrane. La localizzazione è mediata da 14

processi endocitotici ciclici tra la membrana plasmatica e l’endosoma. In particolare

questo processo spiega come le proteine PIN1 vengono depositate nelle porzioni basali

delle cellule. Le proteine PIN continuamente sono soggette ad un ciclo tra il

plasmalemma e compartimenti endosomici.

Vie di trasduzione

L’auxina è percepita da almeno due tipi di recettori:

- ABP1: recettore proteico localizzato sulle membrane (plasmalemma e RE) il cui

legame con IAA determina l’attivazione della pompa protonica di membrana,

che estrude protoni nello spazio infraparete indebolendo i legami della matrice.

- TIR1: proteina F-box solubile facente parte del complesso SCF(TIR1). Questi

complessi catalizzano il legame covalente dell’ubiquitina a proteine che sono

così segnalate per la proteolisi. In questo caso, l’auxina lega il recettore

auxinico TIR1 il quale lega a sua volta la proteina AUX/IAA, che è un repressore

della trascrizione genica, che quindi può adesso iniziare.

Le proteine cui viene legata l’ubiquitina, che vengono segnalate per la

proteolisi, sono quindi le proteine che reprimono la trascrizione genica, cioè

AUX/IAA. Esse possiedono un dominio II che è necessario per l’instabilità indotta

da IAA, e i domini III e IV con i quali legano le proteine ARFs (auxin response

factors). Quando AUX/IAA lega ARF, si forma un eterodimero col risultato che il

fattore di trascrizione è inattivo. ARF è attivo solo se lega un altro ARF. 15

Esistono omologhi di TIR1, come AFB1 e 3 che sono subunità dei complessi SCF.

AFB1, 2 e 3 interagiscono con le proteine Aux/IAA in maniera auxina

dipendente. Mutanti afb mostrano difetti nella risposta all’auxina. AFB e TIR1

agiscono insieme per regolare diversi aspetti della crescita e dello sviluppo.

- I recettori intracellulari AXR, sono invece convolti nel signaling degradativo delle

proteine AUX, repressori dei fattori trascrizionali ARF, i regolatori dei geni

coinvolti nella risposta ormonale auxinica. Mutanti axr2-1 producono una

proteina mutata che non viene più degradata in risposta all’auxina. Questa

proteina ha una sostituzione di un aminoacido nel dominio II che impedisce il

legame con SCF(TIR1).

Geni stimolati dall’auxina:

detti anche geni precoci perché la loro espressione si verifica dopo poco tempo dalla

somministrazione dell’ormone a differenza dei geni tardivi. Inoltre l’espressione dei

geni precoci è insensibile agli inibitori della sintesi proteica al contrario di quella dei

tardivi. Essi sono accomunati dalla presenza di elementi di risposta all’auxina, detti

AuxRE. In particolare sono riconosciuti da ARF.

- AUX/IAA

- SAUR

- GH3.

Le loro funzioni non sono ben note ma si pensa che siano legate a favorire

l’espressione dei geni tardivi e a determinare la rapida degradazione dell’auxina libera

(attiva biologicamente). I geni GH3 sembrano coinvolti sia nell’accumulo come riserva,

sia nella degradazione.

Invece i geni tardivi sono collegati alla sintesi di proteine da stress, ossia di differenti

tipi di proteine che permettono alla pianta di adattarsi a situazioni ostili.

Effetti fisiologici: 16

Come induce la crescita per distensione? Essa è accompagnata da un grande aumento

del volume vacuolare e un modesto o nullo aumento del citoplasma, aumenta quindi

l’area superficiale del plasmalemma e quella della parete cellulare. A tal fine è

importante anche la presenza del saccarosio, che è un osmolita che viene assorbito ed

eleva il turgore cellulare.

Dato che l’auxina è un morfogeno, avrà effetti diversi in base alla sua concentrazione.

Infatti la crescita aumenta fino a [IAA] di circa 10^-5 M, ma a concentrazioni maggiori

la crescita si riduce fin sotto il livello di controllo. Forse la causa è la sintesi di etilene.

Inoltre si è osservata una proporzionalità diretta tra efflusso di protoni e crescita.

Teoria della crescita acida:

Quindi in conclusione si è formulata la cosiddetta 17

L’auxina attiva le ATPasi già presenti o induce la sintesi di nuove ATPasi?

L’auxina agirebbe con entrambe le modalità di azione, poiché esistono prove

sperimentali a favore sia di un’azione che dell’altra. E’ quindi possibile che IAA agisca

sia attivando le ATPasi pre-esistenti che inducendo la sintesi di nuove molecole di

ATPasi che sarebbero inserite nel plasmalemma.

Cholodny-Went

Il modello ipotizza che la percezione di uno stimolo luminoso

direzionale provochi il trasporto laterale di auxina, causando la crescita differenziata.

L’aumento dei livelli di auxina induce la maggiore distensione delle cellule del lato in

ombra e quindi l’incurvamento verso la luce. La trascrizione del promotore sintetico 18

DR5 indotta da auxina è alta sul lato in ombra di ipocotili di Arabidopsis stimolati dalla

luce. Il trattamento con NPA blocca la curvatura fototropica. Il trasporto unilaterale di

auxina coinvolgerebbe il blocco del sistema di trasporto polare di IAA

(inibizione/destabilizzazione di ABCB19 e PIN1), mentre sarebbe favorito il trasporto

laterale mediato da PIN3, che a sua volta sarebbe rilocalizzata.

Esperimenti su mutanti di Arabidopsis non rispondenti all’illuminazione unilaterale,

hanno evidenziato una

mutazione del gene phot1 codificante per una proteina detta fototropina. La

fototropina è una

serina/treonina chinasi di membrana con PM 116 kDa. La proteina presenta attività

chinasica nella

porzione COOH-terminale, mentre in quella NH2 -terminale possiede i siti di legame al

flavin mononucleotide (FMN). A seguito dell’illuminazione con luce blu assorbita dal

FMN la fototropina si autofosforila.

L’autofosforilazione porta al distacco della fototropina dal plasmalemma e alla sua

interazione con i

trasportatori di auxina. È stato dimostrato in coleottili che a seguito della illuminazione

unilaterale si forma

un gradiente di autofosforilazione della fototropina che sarebbe responsabile del

movimento laterale di

auxina.

Effetto opposto avv