Kurkime ateitį drauge!

Rita Verbylaitė, Jonas Žiauka

Lietuvos miškų institutas

Auksino pernaša augaluose

 

„

Augalų hormonas auksinas (terminas kilęs iš graikų k. žodžio „auxein“, kuris reiškia „augti“, „didėti“) pirmiausia buvo atrastas kaip indolo junginys, skatinantis varpinių augalų diegamakščių išlinkimą (ir tuo pačiu augimą). Vėliau struktūrinės bei funkcinės auksino charakteristikos gerokai išsiplėtė. Dabar auksinais vadinama eilė struktūriškai skirtingų junginių, sukeliančių būdingą atsaką biologinėse testavimo sistemose (pavyzdžiui, ląstelių dalijimosi audinių kultūroje ar šaknų formavimosi).

Indolilacto rūgštis (IAR) yra plačiausiai paplitęs natūralus auksinas, aptinkamas visuose indinius audinius turinčiuose augaluose: dviskilčiuose, vienaskilčiuose, plikasėkliuose ir sporiniuose induočiuose. Taip pat IAR nustatyta ir samanose bei kerpsamanėse, netgi kai kuriuose žaliuosiuose dumbliuose. IAR dalyvauja beveik visuose augalų augimo bei vystymosi procesuose, nuo pat gemalo stadijos iki augalo brandos. Taigi auksinas reguliuoja gemalo vystymąsi, skatina ląstelių dalijimąsi, stiebų bei diegamakščių ilgėjimą, viršūninį dominavimą, rizogenezę, indų audinio diferenciaciją, vaisių vystymąsi, bei tropinį (kryptingą) judėjimą, pavyzdžiui, ūglių linkimą į šviesą arba šaknų linkimą pagal sunkio jėgos kryptį.

Endogeniniai IAR kiekiai didžiausi būna jaunuose audiniuose, ūglių viršūnėlėse, jaunuose pumpuruose bei lapuose, jaunuose vaisiuose ir nesubrendusiose sėklose. Senesniuose, subrendusiuose audiniuose IAR aptinkama daug mažiau. Aktyvaus auksino kiekis augalų audiniuose reguliuojamas įvairiais mechanizmais. IAR gali būti grįžtamai verčiama į indolilsviesto rūgštį (kitą auksiną), taip pat gali būti sujungiama su kitomis molekulėmis ar kataboliškai skaidoma. Didžioji dalis IAR aukštesniuosiuose augaluose aptinkama junginiuose su kitomis organinėmis molekulėmis; laisvos IAR kiekiai esti maži. IAR gali būti sujungiama su cukraus ar cukraus alkoholių molekulėmis per esterinę jungtį arba su aminorūgštimis, peptidais ar netgi baltymais per amidinę jungtį. Tokie sudėtiniai junginiai yra pagrindinė forma, kurioje IAR saugoma vegetatyvinėse augalo dalyse, o taip pat besivystančiose nesubrendusiose sėklose.

Mažiausiai du kiti augaluose randami cheminiai junginiai, turintys savo struktūroje indolo žiedą, pasižymi auksinams būdingu poveikiu. Ankštiniuose augaluose (ypač besivystančiose sėklose), taip pat pušies sėklose aptinkamas chlorintas indolo darinys (chlorindolilacto rūgštis), kuris biologinėse auksino testavimo sistemose pasižymi netgi 10 kartų didesniu aktyvumu nei IAR. Tuo tarpu indolilsviesto rūgštis ilgą laiką buvo žinoma kaip sintetinis auksinas, ypač efektyviai indukuojantis pridėtinių šaknų susidarymą ant stiebo ar lapo išpjovų. Neseniai indolilsviesto rūgštis taip pat identifikuota kaip natūralus augalų auksinas (aptikta kukurūzuose, žirniuose, vairenyje). Prie natūralių auksinų priskiriamas ir neindolinis junginys fenilacto rūgštis. Šis auksinas aptiktas įvairiuose kultūriniuose augaluose. Fenilacto rūgšties koncentracija augalo audiniuose gali būti didesnė nei IAR, tačiau jos biologinis aktyvumas mažesnis.

Auksinų poveikio nustatymui skirtų biologinių testų efektyvumas skatino naujų cheminių junginių su panašiu biologiniu aktyvumu paiešką. Pirmieji pripažinti sintetiniai auksinai buvo indolo junginiai, tačiau su šonine propiono ar sviesto rūgšties grandinėle, pavyzdžiui, indolilpropiono rūgštis ir indolilsviesto rūgštis. Kiti žinomiausi junginiai, pasižymintys auksinams būdingu biologiniu efektyvumu, yra chlorfenoksiacto rūgštys (pavyzdžiui, 2,4-dichlorfenoksiacto rūgštis (2,4-D), 2,4,5-trichlorfenoksiacto rūgštis (2,4,5-T)), naftalenacto rūgštis (NAR) ir kai kurie benzoinės rūgšties dariniai (pavyzdžiui, dikamba). Sintetinių auksinų poveikis atskiriems augalo vystymosi aspektams gali būti gana įvairus. 2,4-D ypač efektyviai indukuoja ląstelių dalijimąsi audinių arba ląstelių kultūrose, šiuo požiūriu smarkiai lenkdamas natūralų auksiną IAR. Tuo tarpu NAR dažniausiai pakeičia IAR, kai reikia indukuoti pridėtinių šaknų susidarymą ant stiebo išpjovų. Sintetiniai auksinai augalų audiniuose pasižymi dideliu stabilumu ir yra sunkiai metabolizuojami.

Normaliai besivystančiame augale pastoviai vyksta kryptinga bazipetalinė (iš viršūnės link pamato) auksino pernaša, kuri yra labai specifiška. Tai buvo įrodyta atliekant bandymą su žymėtuoju auksinu. Išpjautas moliūgo hipokotilio fragmentas buvo patalpintas tarp dviejų agaro plokštelių, viena iš kurių buvo praturtinta žymėtuoju auksinu (donorinė plokštelė), o kita ne (recipientinė plokštelė). Jei hipokotilis patalpinamas tarp dviejų plokštelių taip, kad jo viršutinė dalis įmerkta į žymėtuoju auksinu praturtintą agarą (donorinę plokštelę), tai pastebima, kad žymėtasis auksinas pradeda kauptis recipientinėje plokštelėje, vadinasi, vyksta auksino pernaša per visą segmento ilgį bazipetaline kryptimi (link pagrindo). Tuo tarpu jei hipokotilio segmentas tarp dviejų plokštelių patalpinamas atvirkščiai, t.y. viršutinė segmento dalis kontaktuoja su recipientine plokštele, o apatinė su donorine, auksino pernaša per viso segmento ilgį nevyksta ir žymėtasis auksinas recipientinės plokštelės nepasiekia. Taip įrodyta, kad polinė auksino pernaša augaluose vyksta išimtinai iš viršūnės link pagrindo, ir nustatyta, kad ši pernaša vyksta vienodu greičiu per visą segmento ilgį ir nėra priklausoma nuo paprastos difuzijos: pernaša tęsiasi ir tada, kai recipientinėje plokštelėje pasiekiama didesnė auksino koncentracija nei donorinėje – žymėtasis auksinas nesiliauja kauptis recipientinėje plokštelėje, taigi per hipokotilio segmentą yra pernešamas prieš koncentracijos gradientą. Tokia pernaša būdinga tik laisvam auksinui: IAR konjugatai (junginiai su kitomis organinėmis molekulėmis) ar kitokie modifikuoti dariniai nepernešami bazipetaline kryptimi. Auksino polinė pernaša vyksta per parenchiminį audinį, per gyvas parenchimos ląsteles. Tačiau IAR ir jos metabolitai gali būti pernešami ir rėtiniais indais (floema). Stiebe auksino pernašos kryptis parenchimoje (polinė pernaša) bei floemoje sutampa. Abiem atvejais auksinas nuo ūglio viršūnės pernešamas link pagrindo. Tuo tarpu šaknyse šių skirtingų pernašų kryptys yra priešingos. Polinė auksino pernaša šaknyse, kaip ir stiebe, vyksta pagrindo kryptimi, t.y. nuo šaknies galiuko link pamato (vadinasi, erdviniu požiūriu priešingai auksino polinio transporto krypčiai stiebe), o pernaša floemoje vyksta nuo stiebo pamato link šaknų galiukų. Taigi auksino pernašos modelis šaknyse yra tarsi fontano pavidalo: pernaša parenchimoje ir floemoje vyksta priešingomis kryptimis ir bendras krypčių “persikeitimas” vyksta šaknų galiukuose. Ties stiebo pamatu, kur stiebas jungiasi su šaknimis, susiduria du priešingų krypčių polinės auksino pernašos srautai: vienas iš stiebo, kitas – iš šaknų. Polinei auksino pernašai reikalinga energija, kuri gaunama iš ATP. Anaerobinės sąlygos arba metaboliniai nuodai, inhibuojantys oksidacinį fosforilinimą mitochondrijose, sustabdo polinę auksino pernašą. 

1 pav. Auksino pernašos augaluose principinė schema (pagal L.M. Srivastava, Plant growth and development, 2002)

 

2 pav. pateiktas polinės auksino pernašos modelis remiasi tuo, kad IAR yra silpna rūgštis ir tirpaluose su neutraliu pH esti disocijuota. Nedisocijavusi IAR forma, arba IARH (H pažymi protoną arba vandenilio joną) patenka į ląstelę paprastos difuzijos būdu, o disocijavusios rūgšties anijonas IAR- patenka į ląstelę veikiant specializuotiems auksino nešikliams (plazminės membranos baltymams), kurie praleidžia tik į ląstelės vidų einančias IAR- molekules. IAR tiek difuzijos būdu, tiek padedama nešiklių į ląstelę gali patekti iš įvairių pusių. Pažymėtina, kad tarpląstelinėje erdvėje IAR gali egzistuoti tiek disocijuotoje, tiek ir nedisocijuotoje formoje, kadangi tarpląstelinės erdvės rūgštingumas (pH=5) beveik atitinka IAR disociacijos pH. Tuo tarpu viduląstelinis pH=7, o tai reiškia, kad IAR ląstelės viduje gali egzistuoti tik disocijuotoje formoje, kaip anijonas IAR-. Anijonas negali pereiti per plazminę membraną paprastos difuzijos būdu, vadinasi, visos į ląstelę patekusios IAR molekulės yra tarsi įkalinamos ląstelės viduje, kadangi net ir laisvai difuzijos būdu į ląstelę patekusios IAR molekulės (nedisocijuotoje formoje kaip IARH) dėl padidėjusio pH disocijuoja į IAR- ir H+ ir nebegali išeiti iš ląstelės. Padėti auksinui išeiti iš ląstelės vėlgi gali tik plazminės membranos specializuoti baltymai – nešikliai. Įdomu, kad visi tokie baltymai, specializuoti auksino išnešimui iš ląstelės, yra išsidėstę ne bet kur plazminėje membranoje, bet tik į augalo pamatą nukreiptoje ląstelės pusėje. Manoma, kad auksino išnešimą iš ląstelės reguliuoja baltymų kompleksai, kur vieni baltymai (vadinamieji PIN) yra atsakingi už poliškumą (jie išsidėsto būtent į augalo pagrindą nukreiptoje ląstelės plazminės membranos dalyje) ir substrato specifiškumą, o kiti (vadinamieji PGP) lemia auksino išnešimo iš ląstelės aktyvumą (ir tuo pačiu pernašos efektyvumą), kadangi aktyvina pernašą, naudodami ATP energiją. Taigi auksino išnešimas iš ląstelės visada vyksta tik pagrindo kryptimi ir tokiu būdu susidaro nepertraukiamos bazipetalinės auksino pernašos per parenchimos ląsteles srautas.

Fitotropinai, stabdantys polinę auksino pernašą, inhibuoja būtent auksino išnešimą iš ląstelės. Jais paveiktoje augalo ląstelėje kaupiasi dideli auksino kiekiai, kadangi auksino patekimas į ląstelę vyksta toliau, bet išnešimas sustabdomas. Naftilptalamo rūgštis (arba naptalamas) yra vienas iš auksino pernašos inhibitorių. Su naptalamu susirišantis baltymas yra laisvai prie plazminės membranos prisikabinęs baltymas, susijęs su integraliu membraniniu baltymu – išeinančio iš ląstelės auksino nešikliu. Taigi kai naptalamas susiriša su pirmuoju baltymu, šis pakeičia savo konformaciją ir tuo pačiu moduliuoja baltymo – nešiklio konformaciją taip, kad šis nebegali atlikti savo funkcijos, t.y. išnešti IAR- anijonų iš ląstelės. Be naptalamo, žinoma ir kitų auksino pernašos inhibitorių, pavyzdžiui, trijodobenzoinė rūgštis. Trijodobenzoinės rūgšties veikimo mechanizmas šiek tiek kitoks: ji konkuruoja su auksinu dėl jungimosi vietų už auksino išnešimą iš ląstelės atsakinguose baltymuose.

 

2 pav. Polinės (bazipetalinės) auksino pernašos per parenchimos ląsteles schema (pagal L.M. Srivastava, Plant growth and development, 2002)

 

Įdomūs pastebėjimai gauti tiriant įvairių auksinų polinės pernašos ypatumus. Iš natūralių auksinų tik IAR ir indolilsviesto rūgštis yra pernešamos poliniu būdu. Fenilacto rūgštis ne tik nėra pernešama bazipetaline kryptimi parenchimoje, bet netgi veikia kaip IAR polinės pernašos inhibitorius. Kai kuriems sintetiniams auksinams (pavyzdžiui, NAR) taip pat būdinga polinė pernaša, tačiau kiti (pavyzdžiui, 2,4-D) pernešami labai silpnai. Biologiškai neaktyvūs sintetinių auksinų analogai iš viso nėra pernešami. 2,4-D, kaip ir IAR, gali patekti į ląstelę baltymų – nešiklių pagalba, tačiau nėra tokių baltymų – nešiklių, kurie 2,4-D išneštų iš ląstelės. Taigi dėl šios priežasties 2,4-D yra linkęs kauptis augalo ląstelėje. Tuo tarpu NAR, kuri pasižymi aukštu lipofiliškumu, lengvai patenka į ląstelę paprastos difuzijos būdu, be specializuotų nešiklių pagalbos. Tokie skirtingų auksinų patekimo į ląstelę bei išėjimo iš jos ypatumai paaiškina ir kai kuriuos šių auksinų poveikio skirtumus. Pavyzdžiui, vairenyje (Arabidopsis) yra nustatyti aux1 mutantai, kurie nesugeba normaliai pasisavinti auksino (dėl neefektyvios IAR įnešimo į ląstelę sistemos) ir tuo pačiu nesugeba jo normaliai pernešti. Tai lemia šaknų gravitropizmo sutrikimus, t.y. šaknys nelinksta gravitacinės jėgos kryptimi (žemyn), bet tįsta horizontaliai. Šio sutrikimo negali ištaisyti išorinis tokių mutantinių augalų paveikimas IAR arba 2,4-D, tačiau NAR veikia efektyviai, kadangi pastarojo auksino patekimas į augalo ląstelę nėra priklausomas nuo specializuotos įnešimo sistemos.

Polinė auksino pernaša labai svarbi visai augalo struktūrai. Dėl šios pernašos išilgai augalo susidaro auksino gradientai, kurie lemia skirtingą atskirų augalo dalių vystymąsi. Vienas iš geriausiai žinomų pvyzdžių – tai šoninių (arba pažastinių) pumpurų vystymosi kontrolė. Pažastinių pumpurų ramybės būklė susijusi su viršūniniu dominavimu, kurį lemia augalo viršūnėje sintetinamas auksinas IAR (3 pav.). Pernešamas pagrindo kryptimi auksinas stabdo svarbiausio citokininų biosintezės geno IPT ekspresiją. Tokiu būdu pažastiniuose pumpuruose esti citokininų trūkumas, taip pat nedidelis auksino kiekis, tačiau esama daug abscizo rūgšties (ABR) bei intensyviai ekspresuojamas genas ABI3, kurio produktas drauge su abscizo rūgštimi reguliuoja pažastinių pumpurų perėjimą į ramybės būklę. Taigi pažastiniame pumpure veikia abscizo rūgšties indukuojami genai bei auksino represuojami (veikia dėl IAR trūkumo) genai. Esant tokioms sąlygoms pažastinis pumpuras išlieka ramybės būklėje. Tačiau jei pašalinamas viršūninis pumpuras, tai kita linkme nukreipiamas ir pažastinių pumpurų vystymasis. Auksinas nebepernešamas stiebu iš viršūnės, taigi nebegali stabdyti citokininų biosintezės geno IPT ekspresijos. Susintetinti citokininai patenka į pažastinį pumpurą, kur atitinkamai pasikeičia kitų fitohormonų balansas. Dabar nedaug esti aktyvios abscizo rūgšties, tačiau išauga auksino koncentracija. Tuo būdu stabdoma abscizo rūgšties indukuojamų genų bei auksino represuojamų genų veikla. Didelis citokininų kiekis lemia šios rūšies fitohormonų indukuojamų genų ekspresiją, o tai leidžia pereiti pažastiniam pumpurui iš ramybės būklės į intensyvaus augimo fazę.

Bazipetalinės auksino pernašos reguliavime vieną iš svarbiausių vaidmenų atlieka pats auksinas. Nustatyta, kad dominuojantys augalo organai pasižymi didesne auksino pernašos geba, tačiau tai gali pakeisti išoriškai pridėtas auksinas, kuris tuo pačiu stabdo intensyvų dominuojančio ūglio augimą. Taigi natūraliai augale ankstyvesnė ir stipresnė auksino pernaša iš dominuojančio ūglio stabdo auksino pernašą iš bet kurio žemiau esančio ūglio ten, kur du auksino srautai susiduria. Toks reiškinys vadinamas auksino pernašos autoinhibicija. Auksino pernašos autoinhibicija paaiškina, kaip vienakryptė auksino pernaša tampa daugiakrypčiu signalu, kuris reguliuoja ir tų augalo organų vystymąsi, kurie yra “nepakeliui” iš dominuojančio ūglio link pamato pernešamam auksinui. Šį reiškinį galima nagrinėti, paveikus augalą citokininais. Citokininai lemia aktyvų šoninių pumpurų augimą ir galiausiai šoniniai ūgliai auksino pernašos intensyvumu pralenkia anksčiau dominavusį ūglį, taigi dabar auksino pernašos inhibicija jau stabdo auksino pernašą iš viršūninio ūglio ir tuo pačiu šio ūglio vystymąsi. Taigi kiekvieno augalo morfologinė forma nemaža dalimi priklauso nuo vyksmų, susijusių su poline auksino pernaša.

3 pav. Fitohormoninės kontrolės mechanizmo modelis apikaliniam (viršūnės) dominavimui paaiškinti (S. Shimizu-Sato ir H. Mori, Plant Physiology, 2001)

 

 

 

4 pav. Iš pagrindinio ūglio viršūnės link pamato pernešamas auksinas lemia viršūninį dominavimą ir tuo pačiu stabdo pridėtinių ūglių formavimąsi: kairėje – drebulės eksplanto vystymasis ant terpės be augimo reguliatorių, dešinėje – ant terpės su 10 µM naptalamo (polinės auksino pernašos inhibitoriaus)

 

Literatūra

 

Blakeslee J.J., Peer W.A., Murphy A.S. 2005. Auxin transport. Current Opinion in Plant Biology 8: 1–7.

Friml J. 2003. Auxin transport – shaping the plant. Current Opinion in Plant Biology 6:  7–12.

Shimizu-Sato S., Mori H. 2001.  Control of outgrowth and dormancy in axillary buds. Plant Physiology 127: 1405 – 1413.

Srivastava L.M. 2002. Plant growth and development: Hormones and enviroment. Academic Press, London.

Woodward A.W., Bartel B. 2005. Auxin: Regulation, action and interaction. Annals of Botany 95(5): 707–735.


Naturales Scientiae Omnibus