Fisiologia vegetale: parete cellulare, auxina, citochinine, gibberelline, etilene, brassinosteroidi, acido abscissico

Parete cellulare

Caratteristiche generali

E' un complesso network costituito per lo più da polisaccaridi ad alto PM e da proteine glicosilate che forma un involucro dinamico per la cellula (è presente nelle cellule di tutte le piante). Varia sia nella sua composizione che nella sua architettura a seconda dell’età, della tipologia e delle condizioni ambientali della cellula in esame. La maggior parte delle cellule differenziate sono caratterizzate dalla lamella mediana e/o da una sottile parete primaria. Le cellule di alcuni tessuti (come quello di conduzione o di sostegno) hanno pareti ispessite nelle quali si trova anche la parete secondaria che si pone tra la membrana plasmatica e la parete primaria.

Funzioni

Determina la morfologia della cellula e quindi anche la morfologia della pianta per intero (la struttura della pianta è sostenuta dalle componenti parietali: alcune cellule sono formate esclusivamente dalla loro parete arricchita di lignina, non avendo più il citoplasma: sostegno). Controlla l’espansione della cellula. Protegge la cellula da shock omeostatici: le impedisce di scoppiare in ambienti con basse cc saline (pressione di turgore eccessiva, ma sopportabile) le permette di tollerare ambienti con alta salinità (stato flaccido) in cui è difficile reperire H₂O (piante alofite). Fornisce resistenza e protezione alla cellula per il suo carattere di scatola rigida. Conferisce resistenza alle pressioni negative dello xilema. Controllo del trasporto intercellulare (esistono 2 tipi di trasporto intercellulare):

• Simplasto: citoplasma unito al livello dei plasmodesmi dove avviene il trasporto simplastico.
• Apoplasto: insieme delle pareti e del sistema di conduzione xilematico, dove avviene il trasporto apoplastico.

Protegge la cellula da infezioni da parte di diversi tipi di patogeni. Essa funziona come:

• Barriera fisica
• Interviene nella segnalazione di infezioni in corso tramite molecole segnale (piccoli frammenti di parete) innescanti una risposta secondaria sistemica.

Immagazzinamento di sostanze di riserva: pareti delle cellule dell'endosperma o dei cotiledoni.

Lamella mediana (LM)

Sottile strato interposto fra le pareti primarie di due cellule contigue con funzione di adesione. Origina dalla piastra cellulare. Composizione: è formata da varie sostanze in grado di formare gel reversibili e soluzioni viscose:

• Proteine strutturali e enzimatiche
• Acqua
• Sostanze pectiche: funzioni delle sostanze pectiche (e per estensione della LM):
  • Cementare fra loro le cellule.
  • Collaborano alla regolazione della distensione cellulare.
  • Funzionano da molecole segnale, anche a lunga distanza, (risposta a patogeni e crescita).

Parete primaria (PP)

È plastica e contiene un protoplasto vivo (si trova tra la lamella mediana e il protoplasto).

Composizione:

• Cellulosa (25%) (poliglucano) (materiale fibrillare): forma un reticolo rigido, appiattito e resistente.
  • Polimero del glucosio (legami glucosidici β,1→4) in cui le molecole di glucosio sono ruotate le une rispetto alle altre di 180°, ed ogni dimero è detto cellobiosio.
  • L’allineamento di 36 singole catene di cellulosa tramite legami a H intra- ed inter-molecolari consente la formazione di microfibrille di cellulosa (5-15 nm di diametro), molto resistenti alla trazione.
  • La microfibrilla presenta una struttura abbastanza eterogenea:
    • Regioni cristalline: i poliglucani si legano parallelamente gli uni agli altri (nonostante la capacità della cellulosa di formare legami a H e quindi di legare l’acqua, le microfibrille di cellulosa nelle regioni cristalline sono anidre e quindi insolubili resistenti all’attacco di enzimi (anche dei degradativi).
    • Zone amorfe: i poliglucani sono meno organizzati.
• Sintesi della cellulosa: la cellulosa viene sintetizzata in loco dalla cellulosa sintasi (CESA), un complesso proteico multienzimatico inserito nella membrana plasmatica che:
  • Reperisce monomeri di glucosio dal citoplasma (però il glucosio non si trova in forma libera, ma legato al fruttosio a formare il saccarosio, quindi nei pressi della membrana questo viene idrolizzato dalla saccarosio sintasi) e li polimerizzano in cellulosa all'esterno.
• Caratteristiche:
  • 1 complesso della rosetta è costituito da 6 subunità ciascuna contenente 6 CESA (che sintetizza 1 singola catena di cellulosa) (in totale: 36 CESA in ogni rosetta).
  • Le microfibrille di cellulosa vengono sintetizzate parallelamente ai MTc: il microtubulo è direttamente collegato alle rosette tramite la proteina CSI1 che guida il movimento della rosetta lungo il MT (è come se il MT fosse un binario su cui scorre la rosetta).
  • La sintesi della cellulosa è controllata post-trascrizionalmente: i geni che codificano per la CESA sono sempre espressi, invece la sintesi di cellulosa è presente solo nelle cellule in espansione.

Matrice: sostanza amorfa che riempie gli spazi interfibrillari, a composizione chimica molto variabile:

• H₂O (70% del peso fresco)
• Emicellulose (25%): gruppo eterogeneo di polisaccaridi che interagiscono con le microfibrille di cellulosa e con gli altri polimeri della matrice tramite legami a H, formando così una rete.
  • Si dividono in 3 classi principali:
    • Xiloglucani
    • Xilani
    • β-glucani
• Sostanze pectiche (35%):
  • La componente principale è l’acido α-D-galatturonico (= un derivato ossidato del galattosio) (legami glicosidici α,1→4), mentre gli altri monomeri sono ramnosio, galattosio e arabinosio.
  • Tra le sostanze pectine vi è l’acido pectico (pectina) che è in grado di complessare ioni Ca²⁺ o Mg²⁺, unendo 2 catene lateralmente e diventando pectato di calcio (o pectato di magnesio); quest’ultimo forma un gel idrato che conferisce maggiore o minore plasticità e flessibilità alla parete.
• Proteine (1-8%):
  • Strutturali: servono a modulare i diversi legami a H che si instaurano tra cellulosa ed emicellulose. Agendo sull’attività di queste proteine possiamo regolare la rigidità della parete.
  • Glicoproteine ricche in idrossiprolina: contengono tante idrossiproline e aa basici. Hanno un ruolo strutturale e di difesa (aumentano in caso di attacco da parte dei patogeni). Tra di esse ci sono le estensine. Sono ossidate e rese progressivamente insolubili dalle perossidasi che formano ponti di isoditirosina inter- e intra-molecolari a creare una rete. (I legami isoditirosinici sono sensibili al pH: acidificazione della parete allentamento delle maglie di estensina durante la crescita acida).
  • Proteine ricche in arabinogalattani: sono composte al 90% da zuccheri (galattosio e arabinosio), ricche di idrossiproline con catena acida; fungono da nuclei di cross-linking delle varie componenti parietali.
  • Proteine ricche di glicina e proteine ricche in prolina:
    • Appena secrete sono relativamente solubili, ma diventano sempre più insolubili:
      • Durante la crescita cellulare
      • A seguito di attacco di patogeni o ferite a causa di legami fra tirosine (intramolecolari o con le estensine): aumenta la solidità della parete (barriera meccanica)
  • Enzimatiche: aumentano o diminuiscono la rigidità della parete.
    • Enzimi ossidativi: perossidasi: rendono la rete più fitta (ponti isoditirosinici)
    • Enzimi idrolitici:
      • PECTINASI: allentano i legami fra le componenti pectiche (maturazione dei frutti, in cui la componente pectica diviene sempre più lassa e idratata)
      • CELLULASI: coinvolte nel processo di abscissione (= distacco di una parte dall’organismo) ad esempio la caduta delle foglie.
    • Espansine:
      • XET (xiloglucano endo-transglicosilasi)
    • Di adesione: creano un cross-linking fra interno ed esterno della cellula.

Parete secondaria (PS)

È presente nelle cellule che hanno funzione di sostegno o di conduzione. Si forma, dopo che la cellula ha terminato il suo accrescimento per distensione, a ridosso della parete primaria, in senso centripeto (gli strati più esterni sono i più vecchi) per apposizione di lamelle sovrapposte.

Composizione:

• Cellulosa: fibrille strettamente impacchettate (95% del peso fresco) disposte in più strati concentrici in cui l’orientamento delle fibrille possiede una tessitura parallela ed è diversa da strato a strato: resistenza alla trazione.
• Matrice: molto scarsa

A differenziazione ultimata, la cellula va incontro a morte programmata, anche se di fatto la parete continua ad essere funzionale e a svolgere il proprio ruolo.

La parete secondaria può essere modificata tramite:

• Incrostazione:
  • Lignificazione: deposizione tra gli spazi interfibrillari di un polimero di lignina, molecole aromatiche (es. alcol coniferilico) che polimerizzano in modo ossidativo.
  • La lignina si sostituisce all’acqua e stabilizza i ponti a H che tengono insieme l’impalcatura cellulosa-emicellulose.
  • La deposizione delle lignine avviene a partire dallo strato della parete secondaria più vicino alla membrana plasmatica, per poi procedere per infiltrazione a tutta la parete (PS → PP → LM).
  • Conferisce rigidità alle strutture cellulari, le rende più impermeabili e resistenti agli attacchi di microrganismi.
  • Quando l’accrescimento e la lignificazione sono finiti, la cellula muore di morte programmata.
  • Es: lo xilema è lignificato perché deve resistere al forte stress dovuto al potenziale di pressione (lo xilema è una via a bassa resistenza per il flusso di massa dell’acqua dalla radice verso l’apice della porzione aerea).
• Pigmentazione (tannini e polifenoli) (durame)
• Mineralizzazione (calcificazione con carbonato di calcio, oppure ossalato di calcio o biossido di silicio)
• Apposizione:
  • Cutinizzazione (cutina) (pareti tangenziali esterne dell’epidermide)
  • Cerificazione (cere)
  • Suberificazione (suberina)
  • Gelificazione (mucillaggini, sostanze pectiche)

Espansione cellulare

Per permettere l’espansione cellulare devono essere regolati:

• L’orientamento dei MTC:
  • Le cellule hanno due tipi di crescita:
    • Crescita isotropica: è una crescita uniforme e le microfibrille di cellulosa non hanno una precisa disposizione e la parete viene tutta rilassata.
    • Crescita anisotropica: solo alcune porzioni della cellula possono crescere, per cui in quelle zone la parete verrà rilassata, mentre nelle zone dove la cellula deve crescere le microfibrille di cellulosa si organizzano a formare dei punti di costrizione. La direzione di crescita è perpendicolare alla direzione della disposizione delle microfibrille.
  • Quindi il tipo di crescita è strettamente dipendente dall’orientamento delle microfibrille di cellulosa, e tale orientamento è determinato dal posizionamento del complesso della rosetta che avviene ad opera dei microtubuli corticali.
  • Le microfibrille di cellulosa vengono sintetizzate dal complesso della rosetta parallelamente ai MTc: il microtubulo è direttamente collegato alle rosette (che si trovano immerse nella membrana plasmatica) tramite la proteina CSI1 che guida il movimento della rosetta lungo il MT.
• Esperimenti:
  • Trattando le cellule con orizalina, che depolimerizza i microtubuli corticali, questi non sono più in grado di andare a direzionare la rosetta, e dove si avrebbe dovuto avere crescita anisotropica in realtà si avrà crescita isotropica.
  • Aumentando la concentrazione di orizalina nell’apice radicale, le cellule non hanno più una comune direzione di crescita, si perde il gravitropismo (gli statociti sono completamente alterati) e si verifica una torsione dell’apice radicale.
• La velocità e l’espansione della parete cellulare: i componenti parietali devono trovarsi in un ambiente più lasso per poter scorrere tra loro e permettere l’espansione cellulare.
• Nel rilassamento della parete sono coinvolti due enzimi:
  • XET (xiloglucano endo-transglicosilasi): trasferisce catene di xilosio da una porzione ad un’altra dello scheletro di xiloglucano, diminuendo la tensione senza ridurre la capacità cementante della matrice.
  • Espansine: catalizzano la rottura dei legami a H tra la cellulosa ed emicellulose, rilassando la parete.
• La pressione di turgore: la crescita cellulare deve essere guidata da una forza motrice che dall’interno permette una crescita in volume, tale forza è la pressione di turgore.
  • Una cellula non in crescita ha il potenziale idrico uguale al potenziale idrico esterno, quindi nella cellula rimane sempre una tale quantità d’acqua che mantiene lo stato di turgidità della cellula (le variazioni nella turgidità di una cellula differenziata sono permesse grazie ad una minima flessibilità della parete).
  • Una cellula in crescita, dopo l’allentamento della parete cellulare, ha il potenziale idrico minore del potenziale idrico esterno (perché ψs è maggiore nella cellula) e quindi può richiamare acqua dall’esterno passivamente.
  • Contemporaneamente al richiamo di acqua all’interno della cellula, la parete cellulare continua ad allentarsi e ad espandersi, quindi la cellula non arriva ad essere turgida.
• Quindi il processo si ripete fino a quando la cellula non ha raggiunto la giusta dimensione: a quel punto la parete viene irrigidita e dopo si stabilisce la pressione di turgore normale.
• Il processo di irrigidimento della parete di una cellula che ha finito di accrescersi prevede:
  • De-esterificazione delle pectine, che determina un irrigidimento del gel pectico.
  • Le perossidasi formano legami incrociati di gruppi fenolici (per esempio le glicoproteine ricche in idrossiprolina sono ossidate e rese progressivamente insolubili dalle perossidasi, che formano ponti di isoditirosina inter- e intra-molecolari a creare una rete).

Modello di crescita acida

Esperimenti:

• Trattando le cellule vegetali con fusicosina, che induce acidificazione dell’apoplasto tramite l’attivazione delle pompe H⁺-ATPasi di membrana, viene indotta l’espansione cellulare. Questo è indicativo del fatto che l’espansione cellulare necessita di pH acidi.
• Trattandole con calore e proteasi e altri agenti denaturanti le proteine si verifica invece una mancata risposta di espansione in seguito all’acidificazione. Questo è indicativo del fatto che ciò che permette l’espansione sono delle proteine. Tali proteine che si attivano a pH acidi sono le espansine.

Meccanismo della crescita acida:

1. L’auxina attiva le pompe protoniche ATPasiche di membrana che estrudono cationi a livello della parete, acidificandola.
2. L’abbassamento del pH attiva le espansine catalizzano la rottura dei legami a H tra la cellulosa ed emicellulose, rilassando la parete.
3. A questo punto l’acqua viene richiamata all’interno del vacuolo e la cellula si espande.

Auxina (IAA)

Definizione dell’auxina

L’auxina è un ormone che ha proprietà morfogenetiche, cioè regola la formazione di un pattern di sviluppo in base al suo gradiente di distribuzione. Quindi presenta proprietà tipiche dei morfogeni animali.

Un morfogeno è una sostanza in grado di determinare una specifica risposta nella cellula in base alla sua concentrazione, ed ha 3 caratteristiche:

• Deve essere distribuita secondo un gradiente
• Deve agire in maniera diretta sulla cellula in cui viene percepita
• Deve avere un effetto dose-dipendente: la risposta cellulare dipende dalla cc di morfogeno.

Il gradiente del morfogeno è spiegato tramite il modello della bandiera francese: si creano 3 valori soglia che corrispondono a 3 diverse cc di morfogeno, le quali determinano 3 differenti risposte cellulari.

Esempi di morfogeni animali:

• Xenopus: BPM (bone morphogenic protein) si distribuisce secondo l’asse ventro-dorsale e porta alla formazione dell’asse corporeo. La cellula sorgente è nella zona dorsale dell’embrione che produce BPM e chordina: si forma un complesso che rende BPM inattiva. Nelle regioni ventrali una proteasi degrada chordina rilasciando BPM gradiente alto nelle regioni ventrali.
• Zebrafish: acido retinoico si distribuisce secondo l’asse antero-posteriore e porta alla formazione del romboencefalo gradiente alto nelle regioni posteriori.

Scoperta dell’auxina

• 1880 Darwin: risposta fototropica nel miglio (crescita e curvatura dell’epicotile/coleoptile dal lato della luce), perdita di tale risposta se apice coperto o tagliato la percezione della luce avviene nell’apice.
• 1913 Boysen-Jensen: separò l’apice dal resto tramite: gel permeabile (risposta fototropica), gel impermeabile (no risposta) qualcosa diffonde dall’apice.
• 1919 Paal: apice decentrato (curvatura per allungamento delle cellule sotto all’apice).
• 1926 Went: apice su gelatina, e poi gelatina decentrata sulla pianta (stesso effetto di Paal). Qualche sostanza passa dall’apice verso il basso per regolare crescita e curvatura del flusso. Analizzando la gelatina: auxina.

Come viene percepita l’auxina?

Oppure: da cosa è composto il sistema di risposta dell’auxina?

Per capire come viene percepita l’auxina tratto un organismo con auxina ed effettuo uno screening random per Northern Blot o Real-time PCR e analizzo il trascrittoma dell’organismo: dopo il trattamento con l’auxina alcuni geni sono stati più trascritti di altri (picco di espressione di questi geni anche dopo pochi minuti dal trattamento scoperti geni inducibili dall’auxina: Geni GH3.