Citochinine e gibberelline

DOMINANZA APICALE

Nella pianta l’auxina(IAA)prodotta nell’apice, inibendo l’espressione dei geni IPT (biosintesi) e aumentando

l’espressionedei geni CKX (catabolismo), riduce drasticamente le concentrazioni di CKs nella gemma

laterale.

La rimozione del SAM porta ad una riduzione dei livelli di auxina, determinando un incremento

dell’espressione di IPT e inibendo quella di CKX.

Questo si traduce in un aumento della concentrazione di CKs nella gemma laterale che si accresce. In

seguito, la gemma laterale inizierà a produrre ed esportare IAA ed a controllare le gemmesottostanti. 18

Piante transgeniche “overproducing” CKs

Piante transgeniche sovra-esprimenti i geni IPT mostrano riduzione della dominanza apicale con aumento

della crescita del fusto, riduzione della crescita della radice e ritardo della senescenza fogliare.

I mutanti ipt

Al contrario delle piante transgeniche sovraesprimenti IPT, i mutanti ipt mostrano ridotta crescita del fusto

ed aumentata crescita della radice.

Questi mutanti deficienti in CK mostrano la drammatica riduzione della crescita del fusto ed aumentata

crescita della radice. 19

4) Le CKs ritardano la senescenza fogliare

La senescenza è drammaticamente ridotta in foglie di piante spruzzate con chinetina oppure in foglie di

piante transgeniche “overproducing” CKs.

Se si spruzza una sola foglia o un frammento (la restante parte è stata asportata) di essa con CK, rimarrà

verde anche quando le altre ingialliranno.

5) Le CKs promuovono il movimento dei nutrienti nelle foglie da altre parti della pianta

Dopo che una foglia è stata spruzzata con CK si osserva il movimento di nutrienti marcati, forniti alla pianta,

da altri organi.

Il processo è dimostrabile sottoponendo l’intera piantina ad autoradiografia.

Siccome i nutrienti si spostano attraverso il floema dal source al sink, l’ormone, stimolando il metabolismo

dell’area fogliare spruzzata, creerebbe un nuovo sink verso cui sarebbero traslocati i nutrienti.

6) Le CKs contribuiscono all’assorbimento ed alla ripartizione dei nutrienti

Elevati livelli di nitrato o di fosfato stimolano la sintesi di CKs.

Le CKs determinano una riduzione della crescita della radice ed un aumento di quella del fusto

aumentando la capacità fotosintetica.

Al contrario, bassi livelli di nitrato o di fosfato riducono la sintesi di CKs per cui la radice si accresce

maggiormente nel suolo al fine di assorbire i nutrienti.

Elevati livelli di CKs aumentano l’espressione degli enzimi fotosintetici e ritardano la senescenza fogliare.

Le percezione delle CKs è essenziale per la formazione di noduli simbiotici.

Mutazioni a livello dei recettori di CKs causano incapacità a formare noduli.

Ad esempio la mutazione del gene

MtCRE1 (ortologo di CRE1 in Arabidopis)

nella leguminosa Medicago truncatula

rende la pianta incapace di formare

noduli simbiotici.

Invece il mutante snf2 di Lotus japonicus

forma spontaneamente noduli anche in

assenza di rizobi.

La mutazione (gain of function), a livello

di un recettore di CKs, fa si che tale

recettore invii segnali anche in assenza

dei batteri. 20

Piante transgeniche sovraesprimenti IPT sono più tolleranti la siccitàà Piante transgeniche di tabacco

sovraesprimenti il gene per IPT producendo maggiori concentrazioni di CKs, risultano più tolleranti la siccità

a causa della senescenza ritardata conferita dall’ormone.

7) I livelli di CKs influenzano la produzione di riso

Processi mediati da CKs

Oltre ai processi descritti,

ne esistono molti altri

mediati da CKs.

L’identificazione dei geni

specifici da essi regolati ci

aiuterà a capire la miriade

di ruoli che le CKs giocano

nella coordinazione della

crescita delle piante. 21

INTERAZIONE TRA AUXINA E CITOCHININE DURANTE L’EMBRIOGENESI

L’interazione promuove la divisione periclitare delle cellule per la formazione del tessuto vascolare.

Il gene LHW codifica per un attivatore trascrizionale che promuove la produzione di cellule della stele

(cilindro centrale), ed è importante per stabilire e mantenere il normale numero di cellule vascolari e il

pattern delle radici.

Nelle future cellule staminali l’auxina attiva l’espressione di MP (ARF5), che induce quella di TMO5. Questo

insieme a LHW promuove la segnalazione della citochinina attivando l’espressione di LOG4 (biosintesi).

Nello stadio embrionale a 16 cellule, l’auxina è trasportata dalle cellule sospensori al pro-embrione apicale

e vi si accumula.

Qui WUS è espresso nelle quattro cellule interne.

I componenti della via di segnalazione delle CKs sono inizialmente rilevati nell’ipofisi, la cellula fondatrice

del meristema radicale nella fase globulare. Verso la fine di questa fase, l’auxina cambia direzione e

procede verso il sospensore, accumulandosi nella cellula più apicale di quest’ultimo.

Dopo la divisione, la cellula figlia apicale dell’ipofisi mantiene l’attività di fosforelay delle CKs e formerà il

QC, mentre quella basale inibirà la segnalazione di CKs tramite una via ARR7/15-dipendente.

INTERAZIONE TRA AUXINA E CITOCHININE POST-EMBRIONALE

Il trasporto di auxina mediato dalle PIN genera la formazione di radici laterali. Le CKs hanno il ruolo

opposto, inibendo l’espressione delle PIN.

L’auxina è trasportata radialmente quando la radice cresce seguendo la gravità.

Se il vettore gravità cambia, l’auxina si ridistribuisce asimmetricamente, concentrandosi nella parte bassa.

Le CKs inibiscono l’allungamento delle radici, perciò la distribuzione asimmetrica di auxina e CKs promuove

l’allungamento della porzione alta della radice, il che la porta a piegarsi verso il basso.

INTERAZIONE TRA AUXINA E CITOCHININE DURANTE LO SVILUPPO DEL MERISTEMA APICALE

Nell’area di transizione della radice,la divisione si arresta e le cellule cominciano ad allungarsi e

differenziarsi.

Il meristema radicale raggiunge le dimensioni finali dopo 5 giorni dalla germinazione.

La velocità di divisione cellulare eguaglia quella con cui le cellule escono dalla zona di divisione e entrano in

quella di differenziamento.

- Trattamento con CKs riduce le dimensioni dei meristemi radicali;

- Carenza di CKs causano aumento delle dimensioni;

- Trattamento con auxina causa aumento delle dimensioni.

La CK tramite ARR1 fa esprimere SHY2, che blocca PIN e induce la differenziazione; l’auxina tramite

SCF(TIR1) blocca SHY2, induce PIN1,2,3 e promuove la divisione. 22

FORMAZIONE DEL QC

SHR e SCR hanno un ruolo fondamentale.

SCR presidia la coordinazione spaziale tra la nicchia di cellule staminali (SCN) e la zona di transizione (TZ).

Nel QC SCR reprime ARR1, che a sua volta controlla la produzione di auxina via ASB1 (biosintesi auxina),

permettendo la divisione cellulare.

Inoltre SCR esercita un controllo a lunga distanza su ARR1 del TZ, tramite trasporto polare di auxina (PAT),

permettendo alla CK di indurre SHY2 e la differenziazione. Il trasporto polare di auxina da solo non è

sufficiente per riprodurre la distribuzione graduale dell’ormone, ma devono essere coinvolti anche

biosintesi e degradazione.

La citochinina collabora a questa regolazione inducendo GH3.17 che degrada l’auxina e inibendo le PIN, in

questo modo si forma un minimo di auxina nel punto in cui inizia la zona di differenziazione. 23

GIBBERELLINE

Le gibberelline sono state scoperte studiando il fungo che causava la malattia della “pazzia del riso”:

Il termine “bakanae” in giapponese significa “plantula impazzita” e fu usato dagli agricoltori giapponesi per

descrivere una malattia a cui andavano soggette alcune piante di riso.

Esse mostravano (vedi figura) un allungamento talmente esagerato da non essere in grado di sostenersi.

Inoltre tali piante erano maschio-sterili.

Nel 1930 fu scoperto da ricercatori giapponesi che la “pazzia” delle piante di riso era causata da un fungo

patogeno (Gibberella fujikuroi).

Attualmente la malattia è comune a tutto il continente asiatico dove causa perdite sino al 70% del raccolto.

Le gibberelline furono isolate prima da estratti fungini e poi dalle piante:

Nel 1950 fu purificata la prima gibberellina da estratti colturali di Gibberella fujikuroi.

Fu chiamata acido gibberellico (Gibberellic Acid = GA).

In seguito furono scoperte altre tre gibberelline da filtrati colturali dello stesso fungo.

Diverse industrie chimiche cominciarono allora a produrre gibberelline da Gibberella fujikuroi e tali

composti iniziarono ad essere usati in agricoltura.

Il primo risultato sorprendente ottenuto fu la stimolazione dell’allungamento in piante di pisello e di mais

nane.

A questo punto fu naturale chiedersi se anche le piante contenevano gibberelline e la risposta fu

affermativa.

Tuttavia i livelli di GA nelle piante sono molto bassi: ppm (mg/Litro di acqua) in semi immaturi, 1-10 ppb

(mg/Litro di acqua) nei tessuti vegetativi.

Le gibberelline (GA = Gibberellic Acid) sono una famiglia di composti.

Attualmente sono state identificate circa 136 Gas, tutte presentanti una simile struttura chimica (ent-

gibberellano).

Tuttavia sono poche (4) le GAs dotate di attività biologica.

NB: La nomenclatura delle GAs è basata su di una numerazione sequenziale temporale relativa alla loro

scoperta. 1

Le gibberelline sono una famiglia di composti:

Le gibberelline sono terpenoidi:

I terpenoidi sono la classe principale di metaboliti secondari delle piante.

La maggioranza dei composti di tale classe sono insolubili in acqua.

I terpenoidi sono costituiti dall’unione di più unità strutturali di base a 5 C, l’isoprene.

Tale composto si ottiene dalla decomposizione per riscaldamento dei terpenoidi ad alte temperature.

I terpenoidi sono classificati in base al numero delle loro unità isopreniche:

• monoterpeni (C10); es. olii essenziali menta, volatili @RT°

• sesquiterpeni (C15); es. ABA

• diterpeni (C20); es. fitolo e gibberelline

• triterpeni (C30); es. steroli

• tetraterpeni (C40); es. carotenoidi

• politerpeni ([C5]n dove n >8)

I terpenoidi sono prodotti attraverso due vie:

Le vie di sintesi dei terpenoidi sono:

1) la via dell’acido mevalonico (MVA, citosolica); Nella prima via 3 molecole di acetil-CoA sono unite

à

insieme a dare l’acido mevalonico, che viene pirofosforilato, decarbossilato e deidratato a isopentenil

difosfato (IPP), la forma attivata (fosforilata) dell’unità base o isoprene.

2) la via del metileritriolo fosfato (MEP, plastidiale). Nella seconda via l’IPP può formarsi da intermedi

à

della glicolisi o del ciclo di Calvin.

La gliceraldeide 3-P (3C) e il piruvato (2C) sono condensati a dare un intermedio a 5C, 1-deossi-D-xilulosio-

5-fosfa