Az auxinok metabolizmusa és fiziológiai hatásai

Darwin úttörő munkái után XIX. században Julius Sachs német botanikus javasolta, hogy a növények növekedését

és szervfejlődését kémiai természetű jelek szabályozzák.

A növényi hormonfogalom:

A növényi hormon olyan sejtek közötti kommunikációt közvetítő jelmolekula, amely vagy képződésének helyén vagy távolabbi szövetekbe transzportálódva már kis koncentrációban (10-12-10-4 M) is jelentős és széleskörű hatást gyakorol a növények növekedésére és fejlődési folyamataira.

A legfontosabb növényi hormonok:

auxinok, gibberellinek, citokininek,

abszcizinsav, etilén, brasszinoszteroidok, jázmonsav, szalicilsav, szisztemin

A környezeti vagy az intercelluláris jel felfogása

A legfontosabb természetes auxinok, az indol-3-ecetsav (IES), a 4-klórindol-3-ecetsav és az

indolecetsav aszparaginsavval alkotott konjugátuma

Charles és Francis Darwin és Boysen-Jensen kísérletei kanári köles koleoptillal (1880)

Paál Árpád kísérlete (1919)

Went kísérlete (1926)

Biológiai teszt az auxinok kimutatására:

A koleoptil görbülési szöge egyenesen arányos az agarkockában lévő IES koncentrációjával.

Az auxinok kimutatása

• Biológiai tesztekkel (zab koleoptil görbüléses teszt, zab koleoptil megnyúlásos teszt, kimutathatósági határ: 2 x 10-5 g / minta)

• Rádioimmunológiai módszer (10-9 g / minta)• Tömegspektrometria (10-12g / minta)

Az IES kimutatása rádioimmunológiai módszerrel

Az IES homeosztázisát egy adott szövetben a

•a bioszintézis

•és a konjugátumok képződésének mértéke,

•a kompartmentáció,

•a lebontás sebessége

•valamint a transzportfolyamatok határozzák

meg.

Az indolecetsav bioszintézise triptofánból: az indol-3-piroszőlősav, a triptamin és az indol-3-acetonitril út

NH

CH2OP

OH

OH

NH

NH

COOH

NH2

NH

N

NH

COOH

O

NH

COOH

NH

COOH

korizm insav fenilalanin, tirozin

antranilsav

antranilsav szintázamt-1, MTR

5-foszforibóz antranilsav

antranil-foszforibóz transzferáz

(trp1 )

foszforibóz antranilsav izom eráz

1-(o-karbox ifenilam ino)-1-deox iribulóz 5-P

indolglicerol szintáz

indol-3-glicerol foszfát (IG P)

triptofán szintáz (trp3)

szerin +

indol

triptofán szintáz (trp2, orp)

Trp

indol-3-acetonitril(IAN)?

indol-3-piroszõlõsav(IPA)

nitriláz(nit1)

IES

IVS konjugátum ok

IVS konjugátum szintázok

IVS konjugátumhidrolázok

indol-3-vajsav(IVS)

IVS szintáz

IES konjugátum szintázok

IES konjugátum hidrolázok

(lir1)

IES konjugátum ok

triptofán am inotranszferáz

(rty?)

Triptofántól független útA kukorica orange pericap (orp,) a lúdfű trp2 és trp3 mutánsai nem rendelkeznek triptofán szintázzal.

A kukorica orange pericap (orp) mutánsa

CH2COOH

NH

CH2CONH2

NH

CH2

NH

C

NH2

COOH

H

CH2

NH

C

O

NH

(CH2)4

HCNH2

COOH

IES-lizin

indolecetsav

indolacetam id

triptofán

trip to fánmonooxigenáz

indo lacetamidhidro láz

IES-lizinszin tetáz

Bakteriális IES szintézis

Pseudomonas savastanoi,

Agrobacterium tumefaciens

Agrobacterium tumefaciensből származó, CaMV 35S promóter kontrollja alatt expresszálódó, triptofán monooxigenáz (iaaM) és indolacetamid hidroláz (iaaH) génekkel transzformált Nicotiana

tabacum cv. Petit Havana SR1 növények

Bal oldali: kontroll

Jobb oldali:

transzformáns, amely a kontrollhoz képest 500% IES-t tartalmaz, ez már növekedésgátló hatású.

A transzformánsok nagy etilénprodukciót mutatnak.

Az IES peroxidázok által katalizált, dekarboxilációval történő lebomlása , amely oxindolokat és dekarboxilált indolokat

eredményez

Az IES nem dekarboxilatív lebontása kukoricában és lóbabban

NH

CH2 C

O

NH CH

CH2

COOH

CH2

COOH

NH

CH2 C

O

O

O

OHH

H

OH

H

OH

H

HH

CH2

NH

CO

O

O

HHO

H

OH

HO

HCH2OH

H

NH

H

OHH

H

OH

OH

H

H

OH

H

CH2 C

O

O O

NH

CNCH2 O

S C6H11O5

SO3

CH2

NH

C

O

NH CH

CH2

COOH

COOH

H

OHH

H

OH

OH

H

OH

H

NH

CH2 C

O

O

IES konjugátum ok

IES peptidek

Glükozil-észterek

indo lacetilaszpartát indolacetilg lutamát

indo lacetil--L-arabinóz indolacetil--D -glükóz

indo lacetil-O -mio inozit indolacetil-1 -2-O -mioinozito l-arab inozid (galaktozid)

arab inóz(ga laktóz)

Tioészter

g lükobrasszic in

-

Az IES az auxin forrásból, a hatáscsúcsból, a hajtásban és a gyökérben bazipetálisan, polárisan transzportálódik.

Kimutatási módszer: leadó-felvevő agarkocka módszer

A donor kockában lévő rádioaktív IES csak akkor jelenik meg a fogadó kockában, ha a szegment fiziológiai apikális végére helyeztük.

Az IES bazipetális, aktív transzportjának kemiozmotikus megközelítése

1. A transzport sejtről sejtre történik.

2. A koleoptilban a kéregsejtekben is, a szárban a xilémparenchima sejtekben.

3. O2 hiány és a metabolizmus inhibitorai gátoják.

4. Az IES a floemben nem polárisan transzportálódik.

O

NH

OOH

naftilftálsav (NPA)

I

II

COOH

2,3,5-trijódbenzoesav (TIBA)

Sárga kör farokkal: PIN1, auxin efflux fehérje

Narancssárga kör: naftilftálsav-kötő fehérje

(gátolja a naftiftálsav és a TIBA)

Lila körcikk: kis GTP kötő-protein (gátolja a brefeldin A, ami gátolja az IES transzportot is)

Fehér vezikula: endoszóma.

A Golgi membránról leváló burkos vezikulum az auxin efflux karrier fehérjét a sejt bazális részére szállítja.

IES efflux gátló vegyületek: fitotropinok

Szintetikus auxinok

NH

CH2

O

O-

Cl

Cl

O CH2

O

O-

Cl Cl

Cl

C

O

O-

CH3

CH3N

O

S

CH2

O

O-

0,5 nm

Az auxinok kétpontos kötődésének elméleteAz auxin receptor: ABP1 fehérje

H2C

H2C

H2C

HOOC

Cl Cl

O CH2 COOH

Cl

O CH3

Cl

COOH

J

JJ

N

N

O

O

H

H

Cl

O C

CH3

CH3

COOH

Antiauxinok

Cl

C C COOHH

H

transz-fahéjsav -fen ilva jsav

2,6-d ik lór-fenoxiecetsav 2,4-d ik lóranizo l

2,3 ,5-trijód-benzoesav male insav-h id razid(M H)

p-klórfenoxi-izovajsav(PCIB)

Az IES a plazmamembránban található ABP1 receptorhoz kötődik és jelátviteli folyamatot indukál

Az indolecetsav fiziológiai hatásai:

1. a megnyúlásos növekedés szabályozása

Optimum görbe szerint hat.

A szervek eltérő auxinérzékenységgel rendelkeznek.

Az auxin-indukálta növekedésnek van egy gyors és egy lassú szakasza

Lag fázis: 10 perc

Növekedési sebesség = irreverzibilis extenzibilitás (turgornyomás - küszöbturgor)

Az IES az irreverzibilis extenzibilitásra (sejtfal plaszticitására) hat. Ez a sejtfal lazulás.

A megnyúlással a sejtfal pH-jának csökkenése mutat korrelációt.

Az IES-indukált savas növekedés

A kétszikűek sejtfala: 1. cellulóz mikrofibrillum; 2. xiloglukán; 3. matrix gél;

4. ramnogalakturonán

A sejtfal rigiditását fokozzák: a kovalens keresztkötések

hidrogénkötések

Ca2+-hidak

Az IES az apoplaszt savanyodását a H+-ATP-áz serkentésén és de novo szintézisének indukcióján keresztül fejti ki.

A PM ATP-áz aktiválásának mechanizmusa fuzikokcin által

O

O

CH3COO

OH

OH

H3O

H

CH3

CH3

OH

CH3 CH2OCOCH3

H

CH2OC CH CH2

OH

CH3

CH3

fuzikokcin

A C-terminális autoinhibitor domén hatását a két 14-3-3 protein kötődése és a kötődést stabilizáló fuzikokcin megszünteti, így a protontranszport folyamatos

Az egyik fontos sejtfal lazító faktor az expanzin fehérje, amely IES hatására expresszálódik, és a H+ kötéseket szünteti meg.

A β(1→4)glukanázok is szerepet játszanak a sejtfallazításban.

2. Az auxinok fiziológiai hatásai: tropizmusok

FototropizmusA fény egyenlőtlen auxineloszlást okoz: sötét oldalon több IES.

A fotoreceptor: flavoprotein

(autofoszforiláló proteinkináz, kék fény stimulálja)

2. Az auxinok fiziológiai hatásai: tropizmusokGravitropizmus

A gravitációs erő egyenlőtlen auxineloszlást okoz a gyökérben, az alsó oldalon több IES.

A gyökérben ez gátló koncentráció.

A jobban növekvő oldalon a sejtfal pH-ja savasabb.

A megnövekedett IES koncentrációt jelzi az IES-indukálta gének expresszója.

Small auxin upregulated RNA-s

(SAURs)

A gravitációs erő érzékelése: sztatolit elmélet

Sztatociták a gyökérsüvegben.

Amiloplasztok, sztatolitok a sztatocitákban.

A sztatolitok vízszintes helyzetű gyökérben elmozdulnak, és mechanikai hatást gyakorolnak a bazális helyzetű ER membránrendszerére.

Ez Ca2+ felszabaduláshoz vezet.

3. Az auxinok fiziológiai hatásai: az apikális dominancia szabályozása

A csúcsrügyben szintetizálódó auxin gátolja az oldalrügyek kihajtását.

A csúcs eltávolítása vagy a citokininek megfordítják a hatást.

4. Az auxinok fiziológiai hatásai: az auxinok indukálják a xilém elemek differenciálódását és a sérült elemek regenerációját.

Vaszkuláris elemek differenciálódása Zinnia szövettenyészetben (A.) és sebzés után (B.)

A./ B./

5. Az auxinok fiziológiai hatásai: járulékos gyökerek iniciálása

5. Az auxinok fiziológiai hatásai: járulékos gyökerek indukciója

Arabidopsis mutánsok:

alf1: extrém mennyiségű járulékos gyökér, 17x IEA tartalom

alf4: egyáltalán nincs oldalgyökér primordium, az exogén IES nem állítja helyre a vad fenotípust

6. Az auxinok fiziológiai hatásai: az IES fokozza a terméskötést és parthenokarpiát idéz elő

A magvak szelektív eltávolítása a termés azonos oldali részének méretbeli csökkenését eredményezi.

7. Az auxinok fiziológiai hatásai: a levélleválás gátlása

8. Az auxinok fiziológiai hatásai: szövettenyészetekben a morfogenezis szabályozása

Magas auxin/citokinin arány: gyökérképződés

Átmeneti auxin/citokinin arány: kallusz

Alacsony auxin/citokinin arány:

hajtásregeneráció

Az auxinok hatása a génexpresszióra

1. Auxin receptor: ABP1

(ER lokalizációs jel)

2. Jelátvitel: MAP kináz sor

3. Génexpressszió:

- primér válaszgének (AUX/IAA, SAUR, GH3), nem kell fehérjeszintézis

- szekunder válaszgének

a transzkripciós faktoraik IES jelenlétében szintetizálódnak

AUX válaszelemek a promóterben

A GH3 gén expressziója a represszor ubiquitinált formájának eltávolítását igényli.