GLI ORMONI VEGETALI
ORGANISMI MULTICELLULARI
Le diverse funzioni fisiologiche (processi metabolici
accrescimento etc)
necessitano della regolazione e della integrazione
delle funzioni dei diversi organi e tessuti
comunicazione tra cellule
SEGNALI CHIMICI
ORMONI
ANIMALI
Gli ormoni sono sostanze organiche naturali che,
a basse concentrazioni, influenzano profondamente
i processi fisiologici
sono sintetizzati in organi o tessuti specifici
(ghiandole endocrine)
sono trasportati attraverso il circolo sanguigno
verso un tessuto bersaglio (ormoni endocrini)
controllano un processo fisiologico in maniera
concentrazione-dipendente
Ormoni autocrini: agiscono in cellule adiacenti alla fonte di sintesi
CLASSI PRINCIPALI
PROTEINE
PEPTIDI
DERIVATI DI AMINOACIDI
STEROIDI
O+R
OR
+
RISPOSTA
RISPOSTA
Recettori citoplasmatici
Recettori di membrana
RISPOSTA
Secondi messaggeri
Catena di trasduzione del segnale
Secondi messaggeri
Trasduzione del segnale
Recettori accoppiati a proteine G eterotrimeriche
Recettori seven spanning; proteine G eterotrimeriche
Via dell’IP3
Recettori con attività catalitica
Recettori Tirosina Chinasi
Raf (MAPKKK) è una serina/treonina chinasi
che attiva la via delle MAP Chinasi
Via delle MAP chinasi
Nei procarioti Sistema a due componenti
Sistema per l’osmoregolazione di E. coli
ORMONI DELLE PIANTE
il sito di sintesi non è sempre chiaramente localizzato
la dipendenza dalla concentrazione si esplica su una scala
molto più ampia
ogni ormone regola numerosi processi (pleiotropia)
numerosi processi fisiologici sono regolati
da diversi ormoni
I fitormoni regolano tutti gli stadi della
vita della pianta
Maturazione del frutto
germinazione
dormienza
embriogenesi
fecondazione e
formazione del
frutto
Sviluppo
del fiore
crescita e
ramificazione
CLASSI PRINCIPALI
AUXINE
GIBBERELLINE
CITOCHININE
ETILENE
ACIDO ABSCISSICO
BRASSINOSTEROIDI
ALTRE MOLECOLE SEGNALE
ACIDO JASMONICO
ACIDO SALICILICO
SISTEMINA
POLIAMMINE
“storici”
Cytokinin
Gibberellin
Auxin
Abscisic Acid
Ethylene
Strigolactone
Brassinosteroid
“nuovi”
Salicyli
c Acid
Jasmonic Acid
MUTANTI
BIOSINTETICI
AUXINE
GIBBERELLINE
CITOCHININE
ETILENE
ABA
NO
SI
NO
SI
SI
ON
OFF
ON
OFF
ETILENE
ABA
GAS
AUXINE
CITOCHININE
ON
OFF
L’AUXINA
scoperta
la zona di accrescimento è
lontana dall’apice
Segnale
trasmissibile
nell’apice del coleottile è presente una sostanza in
grado di promuovere la crescita
anni ’30 (USA, Olanda): scoperta natura chimica auxina
auxine naturali
auxine sintetiche
Auxine sintetiche utilizzate come erbicidi
Auxine sintetiche meno efficaci sulle graminacee
Infestanti = dicotiledoni
metodi dosaggio auxine
metodi biologici
Dosaggio dell’IAA:metodi fisici e chimici
HPLC + spettrometria di massa 1 pg
RIA 1 ng
Gene reporter
DR5::GUS
Primordio fogliare di arabidopsis
BIOSINTESI IAA
avviene nei tessuti in rapida divisione cellulare
meristemi apicali germoglio
foglie giovani
frutti in via di sviluppo
Esistono diverse vie biosintetiche
Triptofano dipendente:
TAM (triptaminna)
IPA (A. indolpiruvico)
alternative
IAN (indolacetonitrile)
(brassicaceae)
IAM
(batteri)
Triptofano indipendente
Dall’ Indol-3-glicerolo fosfato (IGP)
(mutanti di mais orp)
Vie di Biosintesi dell’IAA triptofano dipendenti
IAM
(batteri patogeni)
IAN
IPA
TAM
Triptammina (TAM)
A. 3-indol piruvico (IPA)
sono vie alternative
(comuni solo nel
pomodoro)
via triptofano-indipendente
mutanti di mais orp
(orange pericarp)
gene triptofano
sintasi mutato
Colore arancio dovuto ad un eccesso
di indolo
alti livelli IAA
[15N]antranilato
[15N]IAA
ESISTONO DIVERSE VIE PER
LA DEGRADAZIONE DELL’IAA
perossidasi: degradano IAA in vitro
piante transgeniche con livelli alterati
perossidasi: normali livelli IAA
Semi e organi di riserva accumulano auxine coniugate
IAA myo-inositolo
IAA-N-Aspartico
IAA-glucani (50-70
unità glucosio)
IAA-peptidi
IAA-glicoproteine (nei
semi di cereali)
TRASPORTO DELL’IAA
Trasporto floematico
Trasporto polare unidirezionale
Scoperto nei fusti delle graminacee
(nei tessuti parenchimatici non vascolari)
In fusti radici e foglie
(nelle altre piante nel parenchima vascolare)
Richiede energia
È diretto verso il basso ma non dipende
dalla gravità
(basipeto nei fusti; acropeto nelle radici)
Modello chemiosmotico
Le radici crescono nella parte basale di fusti recisi di
bamboo anche se invertiti
Modello chemiosmotico
IAA entra nella cellula sia per diffusione passiva
che mediante carrier di influsso (cotrasporto con protone)
AUX1
AUX 1 espresso nel tessuto vascolare delle foglie e negli apici radicali
Espresso nella parte basale delle cellule del protofloema della radice;scaricamento
di IAA dal floema per il trasporto acropeto verso l’apice radicale.
Espresso in modo apolare nella cuffia:trasporto basipeto
Carrier di efflusso per la forma anionica IAA- localizzati
nella parte basale delle cellule
Proteine PIN
Proteine PGP
Mutante pin 1
Le proteine PIN dirigono il flusso di IAA nella pianta
Le proteine PIN sono soggette a riciclo
endocitotico e vengono rilocalizzate
rapidamente in risposta a stimoli
Alcuni inibitori del trasporto polare
dell’IAA interferiscono con il riciclo
Inibitori del trasporto dell’auxina
La concentrazione di IAA nelle cellule è determinata da diversi fattori
IAA ripartito tra citosol e cloroplasti
EFFETTI FISIOLOGICI
Sviluppo embrionale
Il trasporto polare dell’auxina è necessario per lo sviluppo
embrionale
Auxina= morfogeno
Trasporto di IAA in relazione alla formazione del meristema
apicale
Il meristema apicale del germoglio si forma in una
zona a bassa concentrazione di auxina
I primordi fogliari si formano in zone ad alta
concentrazione di auxina
Inibitori del trasporto di auxina applicati ad apici di pomodoro sopprimono
la formazione delle foglie ma il meristema è conservato e il fusto ha
crescita normale: si formano germogli a forma di spillo (pin-like)
Il mutante pin1 di arabidopsis ha un’infiorescenza
priva di foglie
pin-1
Pin-1 + IAA
Studi di immunolocalizzazione proteine PIN: i primordi
fogliari si formano n corrispondenza di zone ad elevata
concentrazione di auxina
crescita per distensione
C
IAA
IAA stimola la crescita
di fusti e coleottili
La fase di latenza è di circa 10 min
Lo stimolo è dipendente dalla [IAA]
Coleottili, fusti 10-6-10-5 M
Radici 10-9-10-8 M
Crescita fino a 18 ore
5-10 volte il controllo
Inibitori metabolici la arrestano
La crescita è stimolata soprattutto nei tessuti esterni (epidermide)
Nei fusti delle dicotiledoni o nei coleottili delle graminacee
come si estendono le cellule vegetali?
assorbimento osmotico H2O
estensione parete in risposta alla
pressione di turgore
velocità di crescita = m(P-Y)
m = estensibilità parete
P = pressione di turgore
Y = soglia di cedevolezza
l’auxina aumenta l’estensibiltà della parete
(m)
CRESCITA ACIDA
L’IAA aumenta l’estrusione protonica nell’apoplasto
L’IAA stimola l’attività o aumenta la quantità di H+_ATPasi di
plasmalemma
L’AUXINA REGOLA I TROPISMI
fototropismo
risposte di crescita alla luce direzionale
fototropismo
positivo
ripiegamento verso
la luce
coleottili
piccioli foglie
fototropismo
negativo
ripiegamento verso
la parte opposta
radici
La risposta fototropica è indotta dalla luce blu
Fotorecettori coinvolti: criptocromo, fototropine
nei coleottili il fototropismo è mediato dalla redistribuzione laterale dell’auxina
anni ’20 Cholodny-Went
la [IAA] è maggiore nella
parte non illuminata
pianta Arabidopsis trasformata con il gene
DR5::GUS
DR5 = promotore gene GH3 modulato da
IAA
Il trasporto polare dell’IAA ne determina la redistribuzione
laterale
Teoria di Cholodny-Went
Attraverso la rilocalizzazione
delle proteine PIN
gravitropismo
risposta di crescita alla gravità
gravitropismo
negativo
gravitropismo
positivo
il modello Cholodny-Went è applicabile anche al gravitropismo
ripiegamento
coleottili verso l’alto
trasporto polare auxina verso
la parte inferiore del coleottile
[15N ] IAA] RIA
gene reporter
coleottili privati
dell’apice
no gravitropismo
nella radice la gravità viene percepita dalla cuffia
La gravità viene percepita dagli statoliti
amiloplasti (statoliti)
presenti negli statociti
(a livello della cuffia)
DR5::GFP
accumulo asimmetrico di auxina nella parte non in crescita
ALTRI EFFETTI SULLO SVILUPPO: DOMINANZA APICALE
L’IAA inibisce la crescita delle gemme laterali
L’IAA DETERMINA LA FILLOTASSI
cioè il pattern di emergenza delle foglie dall’asse
del fusto
FILLOTASSI
Aumenti localizzati di IAA determinano la formazione
dei primordi fogliari (trasporto IAA)
pin 1
pin1 + IAA
FORMAZIONE DI RADICI LATERALI E AVVENTIZIE
IAA
C
Orticoltura: propagazione per talee
DIFFERENZIAMENTO VASCOLARE
L’auxina controlla la formazione di xilema e
floema
Nuovo tessuto vascolare si forma al di sotto
di foglie o gemme in fase di sviluppo.
La rimozione della foglia previene il
differenziamento del tessuto vascolare
DIFFERENZIAMENTO VASCOLARE
(rigenerazione in seguito a ferita)
RITARDO DELL’ABSCISSIONE FOGLIARE
SVILUPPO DEI FRUTTI
IAA sintetizzato nel polline nell’embrione e
nell’endosperma dei semi in via di sviluppo
l’accrescimento dell’ovulo fecondato (fruttificazione)
dipende dall’auxina prodotta nei semi
in alcune specie possono essere prodotti
frutti senza semi (PARTENOCARPIA)
trattando con IAA fiori non impollinati
L’auxina è prodotta dall'ovulo fecondato e stimola la crescita del
frutto.
Lo sviluppo partenocarpico può essere ottenuto spruzzando il
fiore con auxina, che induce l'allegagione del frutto in assenza di
fecondazione.
IaaM
C
Per costruire piante transgeniche partenocarpiche è
necessario introdurre un gene che aumenti il
contenuto di auxina negli ovuli.
Gene iaaM batterico
Frutto da fiore autofecondato
Frutto da fiore emasculato
APPLICAZIONI COMMERCIALI IAA
Diserbanti
Prevenzione cascola dei frutti e foglie
Promozione fioritura (ananas)
Radicazione di talee (propagazione vegetale)
Partenocarpia
MECCANISMO DI AZIONE DELL’AUXINA
Effetti di membrana
(fase iniziale crescita per distensione)
Effetti genici
(differenziamento e sviluppo)
Recettori di membrana di IAA: ABP1
ABP1: glicoproteina di 22 KDa localizzata
prevalentemente nell ‘ ER
REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
La regolazione della trascrizione può avvenire in tempi brevi : geni precoci e geni tardivi
auxina
gene di risposta primaria
(la cui trascrizione è
indipendente da sintesi
proteica)
mRNA
mRNA
gene di risposta
secondaria
5 classi principali di geni precoci la cui
trascrizione è indotta da IAA
1. Proteine AUX/IAA
2. Proteine SAUR
3. Proteine GH3
4. Glutatione S-trasferasi
5. ACC sintasi
Le proteine AUX/IAA
auxin response factors: ARF
auxin responsive elements: TGTCTC
Le AUX/IAA possono formare eterodimeri con
le ARF inibendone la capacità di legarsi al DNA
In Arabidopsis:
23 ARF
28 AUX IAA
La maggior parte delle AUX IAA funzionano come
repressori della trascrizione di geni indotti da IAA
RECETTORI di IAA: TIR1
TIR1: UBIQUITINA LIGASI (E3)
E1=
enzima
l’ubiquitina
E2= enzima
l’ubiquitina
E3=
ligasi
attivante
coniugante
ubiquitina-proteina
PROTEASOMA 26 S
core 20 S
lid 19 S
TIR1 è una proteina F-Box parte del
complesso SCF dell’ubiquitina ligasi
Aux/IAA
TIR1
Auxin
TIR1
Auxin
TIR1
F-box/ TIR1
F-box/ TIR1
Complesso SCF
Il legame dell’IAA a TIR1 determina la
proteolisi delle proteine AUX/IAA
Ub
F-box/ TIR1
+ IAA
ARF
crescita
La degradazione dei
repressori consente alle
proteine ARF di regolare
la trascrizione
