Introduzione ormoni e auxina

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.

Darwin (1890) studiò il fototropismo - un movimento di crescita verso la luce

Decapitando il coleottile o coprendolo con uno schermo per la luce, si aboliva la risposta alla luce

unilaterale:

- Il coleottile intatto si incurva verso la luce

- Il coleottile decapitato o schermato non si incurva verso la luce

Questi esperimenti mostrarono che il segnale luminoso è percepito dall’apice del coleottile, sebbene la

curvatura avvenga alla base.

Darwin concluse che un segnale si muove dall’apice alla base del coleottile.

Boysen-Jensen (1913) mostrò che il segnale trasmesso poteva muoversi attraverso un blocchetto di

gelatina

PRIMAà da Sn a Dx: coleottili con un taglio all’apice dove era inserita una lamina metallica , del burro,

della gelatina e poi controllo. La base del coleottile era ombreggiata.

DOPOà Il segnale non poteva attraversare la lamina metallica o il burro, mentre poteva diffondere

attraverso il blocchetto di gelatina. Ciò dimostrava che si trattava di una sostanza chimica diffusibile e

solubile in acqua.

Went (1926) mostrò che la sostanza in grado di stimolare la crescita diffondeva in blocchetti di gelatina

L’angolo di curvatura era proporzionale alla quantità di auxina presente nel blocchetto di gelatina.

Went raccolse in blocchetti di gelatina l’auxina che diffondeva dagli apici di coleottili tagliati ….

...e mostrò che il materiale raccolto nei blocchetti di gelatina era la sostanza che promuoveva la crescita.

Questo saggio biologico o test di curvatura del coleottile di avena è stato usato per valutare la

concentrazione di auxina negli estratti di differenti specie di piante. 1

Nel 1931 la sostanza in grado di stimolare la crescita fu purificata e chiamata auxina

Dalla scoperta di Went trascorsero cinque anni in cui vari ricercatori (Dolk, Haagen-Smit, Kogl e Thimann)

riuscirono ad isolare e purificare la sostanza stimolante la crescita del coleottile. Essa fu identificata con

l’acido indolo-3-acetico e chiamata auxina (dal greco auxein = aumentare o crescere).

La struttura delle auxine sintetiche

Sono composti strutturalmente poco simili all’IAA non possedendo il nucleo indolico; hanno in comune il

fatto di essere degli acidi.

Mostrano attività biologica analoga, se non superiore, alle auxine naturali.

IBA e NAA sono usati come composti radicanti. 2,4-D è un erbicida comune. 2,4,5-T è un erbicida bandito

dal commercio; era il defoliante attivo del cosiddetto Agent Orange. 2

Gli effetti dell’auxina dipendono da:

- sua sintesi,

- dal trasporto,

- dalla percezione,

- dalla via di signaling

- e dalle risposte dei geni target.

La maggior parte di queste funzioni è controllata da molti geni con diverse specificità cellulari.

L’auxina è prodotta secondo diverse vie biosintetiche

Sintesi dell’auxina – Pathways dipendenti dal triptofano

La biosintesi di IAA inizia dal triptofano e può seguire percorsi diversi.

La via IPA sembra la più comune nei vegetali. In pomodoro sono state accertate sia la via IPA che la via

TAM.

La via IAN è stata riscontrata in tre famiglie (Brassicaceae, Graminaceae e Musaceae). Infine la via IAM è

usata da batteri come Agrobacterium tumefaciens.

Sintesi dell’auxina – Pathways indipendenti dal triptofano

Nella mutazione orange pericarp di mais, a causa della mancanza di triptofano, i semi non sviluppano

germogli vitali nonostante germinino regolarmente. Ciononostante la quantità di IAA nei mutanti è anche

fino a 60 volte superiore a WT. Si pensa che la sintesi avvenga comunque a partire da una ramificazione

della via biosintetica del Trp, a livello dell'indolo-3-glicerolo fosfato, con sintesi di IAN (indolo 3-acetonitrile)

o IPA (acido indolo 3-piruvico).

Il mutante di mais orange percarp (orp) è privo di entrambe le subunità della Trp sintasi. Di conseguenza il

pericarpo che circonda le cariossidi accumula glicoside dell’acido antralico e indolo. Il colore arancione è

dovuto all’eccesso di indolo. 3

L'esistenza di vie multiple per la sintesi dell'ormone ha un vantaggio evoluzionistico per cui la pianta non

corre mai il rischio di trovarsi priva di auxina; ciò rimarca ancora una volta il ruolo essenziale di questo

ormone nella vita della pianta stessa. 4

Sedi di sintesi di auxina IAA è sintetizzato nei meristemi e nei giovani tessuti in divisione

Sebbene tutti i tessuti vegetali siano capaci di produrre bassi livelli di IAA, solo i meristemi apicali del fusto e

le giovani foglie sono i siti primari della sintesi di IAA. Anche i meristemi apicali radicali possono produrre

auxine, soprattutto quando la radice si accresce per distensione e si differenzia. La radice rimane comunque

sempre dipendente dal fusto per gran parte dell’auxina. Infine giovani frutti e semi contengono elevati

livelli di auxina, ma non è chiaro se l’auxina è sintetizzata de novo o trasportata dai tessuti materni durante

lo sviluppo.

Accumulo di IAA in una foglia in sviluppo di Arabidopsis.

La pianta è geneticamente trasformata con un gene reporter GUS fuso al promotore DR5 che risponde ad

IAA libero nel tessuto. Allorché l’IAA raggiunge un valore soglia minimo avviene l’espressione di GUS. GUS è

un gene di E. coli codificante per una β-glucuronidasi; allorché si fornisce il substrato (5-bromo-4-cloro-3-

indolo incolore e solubile in acqua) si forma una colorazione blu nelle cellule che esprimono GUS. Freccia in

alto indica un sito di accumulo di IAA; freccia in basso indica un gradiente di IAA che si estende al tessuto

vascolare che si sta differenziando. IAA è coinvolto nella differenziazione dei vasi.

Gran parte dell’IAA nelle piante si trova come coniugato

Sebbene IAA libero sia la forma biologicamente attiva dell’ormone presente nei meristemi apicali ed in

giovani foglie, gran parte dell’auxina è presente sotto forma di coniugato con vari composti.

I coniugati sono biologicamente inattivi.

La loro formazione può essere collegata al trasporto ed alla conservazione dell’ormone. I coniugati, a

seguito di idrolisi enzimatica, rilasciano IAA libero.

Coniugati a basso peso molecolare:

1. esteri con zuccheri;

2. amidi con aminoacidi Coniugati ad alto peso molecolare:

3. amidi con proteine e peptidi

I coniugati con asp e glu, potrebbero non essere forme di conservazione ma indirizzare alla degradazione. 5

Il trasporto polare e il trasporto attraverso il floema dell’auxina

L’auxina è trasportata per lunghe distanze attraverso il floema.

Tale trasporto interessa organi maturi, come le foglie, dalle quali l’ormone è distribuito in altre parti della

pianta. L’auxina si muove anche in modo polare attraverso specifiche proteine trasportatrici.

La direzione è dall’apice caulinare attraverso il fusto (basipetamente) e quindi attraverso la radice sino al

suo apice (acropetamente).

Raggiunto l’apice radicale l’auxina cambia direzione e percorre brevi distanze verso la parte distale della

radice, cioè di nuovo basipetamente.

L’IAA è trasportato polarmente 6

Modello di diffusione chemiosmotica-polare

di IAA (Teoria Cholodney-Went, 1930)

L’ambiente della parete cellulare è mantenuto

acido (pH 5.5) per attività della pompa

protonica.

A questo valore di pH circa l’85% dell’auxina

(pka = 4,75) è presente in forma dissociata.

Questa forma non può diffondere attraverso

la membrana.

La forma principale di auxina, IAAH (lipofilo),

entra passivamente nella cellula e al pH

neutro del citosol si dissocia in IAA-. IAA-

diffonde nella cellula sino alla porzione basale

dove sono localizzati dei trasportatori specifici

dell’anione.

Sono tali trasportatori a determinare la

direzionalità del trasporto, definito “polare”

(apice base).

Questo modello è stato validato in diverse

piante. 7

Le proteine AUX1/LAX facilitano l’ingresso di auxina nella cellula

Nei mutanti aux1 l’assorbimento di IAA è alterato

Esistono diversi geni codificanti proteine di trasporto simili ad AUX1, denominate per questo motivo

proteine LAX (acronimo di Like AUX1).

DAG = Days After Germination (giorni dopo la germinazione)

Nel mutante aux1 di Arabidopsis l’auxina non viene più assorbita dal carrier di entrata (cotrasporto IAA-

/H+).

Pertanto l’auxina si muove più lentamente dal fusto alla radice dovendo diffondere attraverso il

plasmalemma.

Le proteine ABCB sono importanti per il trasporto di auxina

Le cellule vegetali contengono trasportatori (P-glicoproteine) ATP dipendenti appartenenti alla sottoclasse

B e facenti parte della superfamiglia di trasportatori ABC (ATP Binding Cassette) presenti nel plasmalemma.

Questi trasportatori espellono IAA- dalla cellula a seguito dell’idrolisi di ATP. Le proteine ABCB sono

distribuite uniformemente sul plasmalemma di apici caulinari e radicali.

Tuttavia se proteine le ABCB sono presenti insieme alle proteine PIN (vedi dopo) sul plasmalemma il

trasporto polare dell’auxina è aumentato: PIN funziona sinergicamente con ABCB per stimolare il trasporto

polare (direzionale) di IAA.

I geni ABCB possono dare luogo a diversi tipi di espressione e localizzazione cellulare. Molti devono ancora

essere caratterizzati.

ABCB19 si accumula in modo uniforme intorno alla periferia di queste cellule della radice e può stabilizzare

la localizzazione di PIN1.

Le proteine PIN sono sono trasportatori in uscita dell’auxina

L’espulsione polare di IAA- è dovuta alla specifica localizzazione di trasportatori di uscita alla base delle

cellule parenchimatiche.

Il mutante pin1, che ha una mutazione nel gene PIN1, presenta foglie anormali ed una infiorescenza a

spillo.

L’espulsione polare di IAA- è dovuta alla specifica localizzazione di trasportatori di uscita alla base delle

cellule parenchimatiche.

PIN, dalla forma a spillo (ingl. pin) dell’infiorescenza del mutante pin1 di Arabidopsis.

PIN1 è localizzata nella parte basale delle cellule parenchimatiche corticali della radice.

PIN1 è responsabile per l’efflusso di auxina dall’apice caulinare a quello radicale.

I trasportatori PIN dirigono l’uscita di auxina nei vari tessuti e sono essenziali per lo sviluppo delle piante

Il trasporto polare di auxina è essenziale per lo sviluppo della polarit