GLI ORMONI VEGETALI

ORGANISMI MULTICELLULARI

Le diverse funzioni fisiologiche (processi metaboliciaccrescimento etc)

necessitano della regolazione e della integrazione delle funzioni dei diversi organi e tessuti

comunicazione tra cellule

SEGNALI CHIMICI

ORMONI

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 sanguignoverso un tessuto bersaglio (ormoni endocrini)

�controllano un processo fisiologico in manieraconcentrazione-dipendente

ANIMALI

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

�Secondi messaggeri �Catena di trasduzione del segnale

RISPOSTA

Recettori di membrana

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 regolatida diversi ormoni

I fitormoni regolano tutti gli stadi dellavita della pianta

fecondazione e formazione del frutto

dormienzaembriogenesi

germinazione

Sviluppodel fiore

crescita e ramificazione

Maturazione del frutto

CLASSI PRINCIPALI

�AUXINE�GIBBERELLINE�CITOCHININE�ETILENE�ACIDO ABSCISSICO�BRASSINOSTEROIDI

ALTRE MOLECOLE SEGNALE

�ACIDO JASMONICO�ACIDO SALICILICO�SISTEMINA�POLIAMMINE

Auxin

Cytokinin Gibberellin

Abscisic Acid

Ethylene

Brassinosteroid Salicylic Acid

Jasmonic Acid

Strigolactone

“storici”

“nuovi”

AUXINE NOGIBBERELLINE SICITOCHININE NOETILENE SIABA SI

MUTANTIBIOSINTETICI

ON OFF ON OFF

ON OFF

AUXINECITOCHININE

ETILENEABAGAS

L’AUXINA

la zona di accrescimento èlontana dall’apice

Segnale trasmissibile

scoperta

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 graminaceeInfestanti = 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) alternative

IPA (A. indolpiruvico)

IAN (indolacetonitrile)(brassicaceae)

IAM(batteri)

Triptofano indipendente Dall’ Indol-3-glicerolo fosfato (IGP)(mutanti di mais orp)

(batteri patogeni)

Vie di Biosintesi dell’IAA triptofano dipendenti

TAM

IAM

IPA

IAN

sono vie alternative (comuni solo nel

pomodoro)

Triptammina (TAM)

A. 3-indol piruvico (IPA)

via triptofano-indipendente

mutanti di mais orp(orange pericarp)

gene triptofanosintasi mutato

alti livelli IAA

[15N]antranilato [15N]IAA

Colore arancio dovuto ad un eccesso di indolo

ESISTONO DIVERSE VIE PERLA 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 passivache 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;scaricamentodi 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- localizzatinella 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 rilocalizzaterapidamente in risposta a stimoli

Alcuni inibitori del trasporto polare dell’IAA interferiscono con il riciclo

Inibitori del trasporto dell’auxina

IAA ripartito tra citosol e cloroplasti

La concentrazione di IAA nelle cellule è determinata da diversi fattori

EFFETTI FISIOLOGICI

Il trasporto polare dell’auxina è necessario per lo sviluppo embrionale

Auxina= morfogeno

Sviluppo embrionale

Trasporto di IAA in relazione alla formazione del meristemaapicale

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 sopprimonola 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’infiorescenzapriva di foglie

Studi di immunolocalizzazione proteine PIN: i primordi fogliari si formano n corrispondenza di zone ad elevata concentrazione di auxina

pin-1 Pin-1 + IAA

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 MRadici 10-9-10-8 M

Crescita fino a 18 ore5-10 volte il controlloInibitori 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 pareteP = pressione di turgoreY = 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

fototropismorisposte di crescita alla luce direzionale

ripiegamento verso la luce

fototropismo positivo

coleottilipiccioli 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 re-distribuzione laterale dell’auxina

anni ’20 Cholodny-Went

la [IAA] è maggiore nella parte non illuminata

pianta Arabidopsis trasformata con il gene DR5::GUSDR5 = promotore gene GH3 modulato da IAA

Il trasporto polare dell’IAA ne determina la redistribuzionelaterale

Teoria di Cholodny-Went

Attraverso la rilocalizzazionedelle proteine PIN

gravitropismo

risposta di crescita alla gravità

gravitropismonegativo

gravitropismopositivo

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] RIAgene reporter

coleottili privati dell’apice

no gravitropismo

nella radice la gravità viene percepita dalla cuffia

amiloplasti (statoliti) presenti negli statociti(a livello della cuffia)

La gravità viene percepita dagli statoliti

accumulo asimmetrico di auxina nella parte non in crescita

DR5::GFP

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

pin 1 pin1 + IAA

FILLOTASSI

Aumenti localizzati di IAA determinano la formazione dei primordi fogliari (trasporto 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 sottodi 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

IaaM C

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.

Per costruire piante transgeniche partenocarpiche ènecessario 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 localizzataprevalentemente nell ‘ ER

REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA

La regolazione della trascrizione può avvenire in tempi brevi : geni precoci e geni tardivi

auxina

mRNA

mRNA

gene di risposta primaria (la cui trascrizione èindipendente da sintesi proteica)

gene di risposta secondaria

5 classi principali di geni precoci la cuitrascrizione è indotta da IAA

1. Proteine AUX/IAA

2. Proteine SAUR3. Proteine GH3

4. Glutatione S-trasferasi5. ACC sintasi

Le proteine AUX/IAA

auxin response factors: ARFauxin 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 attivante l’ubiquitina

E2= enzima coniugante l’ubiquitina

E3= ubiquitina-proteinaligasi

PROTEASOMA 26 S

core 20 S lid 19 S

TIR1 è una proteina F-Box parte del complesso SCF dell’ubiquitina ligasi

TIR1 TIR1

Aux/IAA

Auxin Auxin

TIR1 TIR1

F-box/ TIR1F-box/ TIR1

Complesso SCF

Il legame dell’IAA a TIR1 determina la proteolisi delle proteine AUX/IAA

Ub

F-box/ TIR1

crescita

ARF

+ IAA

La degradazione deirepressori consente alleproteine ARF di regolarela trascrizione