Auxiner (fra andre græske αὔξω øge, vokse ) - en gruppe af plantehormoner . Naturlige auxiner er indolderivater : 3-(3-indolyl)propionsyre, indolyl-3-smørsyre, 4-chlorindolyl-3-eddikesyre og 3-indolyleddikesyre. Det mest almindelige auxin, der er udbredt i afgrødeproduktion, er heteroauxin - indolyl-3-eddikesyre.
Auxiner har en høj fysiologisk aktivitet. Stimuler væksten af frugter og skud på planter , apikal dominans , fototropisk vækst (mod lyset), positiv rodgeotropisme (nedadgående vækst). Stimulerer væksten af kambiale celler . De påvirker cellevækst i forlængelsesfasen og celledifferentiering. Reguler korrelativ vækst , sørg for interaktionen mellem individuelle organer. Forbedre væksten af utilsigtede rødder. Et fald i koncentrationen af auxin i planten fører til visning af bladene. Anlægget bevæger sig med en hastighed på 10 mm i timen.
Den første antagelse om eksistensen af et stof, der kontrollerer fototropisme (styret vækstbevægelse af planter mod en lyskilde) blev fremsat af Charles Darwin i sit værk On the Ability of Plants to Move (1880). I forsøg med skyggelægning af forskellige dele af stænglen kom Darwin til den konklusion, at en hypotetisk plantevækstregulator, som han kaldte auxin, syntetiseres i apex og bevæger sig polært (fra top til bund) i luftdelen af planten. I 1931 blev et stof, der var i stand til at forårsage stængelbøjninger i planter, isoleret fra menneskelig urin, dette stof viste sig at være indoleddikesyre (IAA); IAA blev hurtigt isoleret fra plante- og svampevæv. Ved sin kemiske natur er IAA et derivat af aminosyren tryptofan. IAA er det vigtigste naturlige auxin, som udgør 80-95% af alle auxiner i plantevæv af forskellige arter. Alle andre naturlige auxiner (indol smørsyre, chlorindol eddikesyre) er tæt på IAA i deres kemiske formel og er forbundet med dets oprindelse. Der er også opnået syntetiske stoffer med auxinaktivitet, hvoraf mange adskiller sig væsentligt fra IAA [1] .
Det vigtigste sted for IAA-biosyntese i en plante er unge blade og deres primordia. Ud over planter har nogle svampe og patogene bakterier (for eksempel repræsentanter for slægterne Agrobacterium og Pseudomonas, som forårsager unormal vækst af værtsplantevæv) evnen til at biosyntetisere IAA. I planter er der to veje til syntese af IAA: den tryptofan-afhængige vej, som er blevet undersøgt i detaljer, og den tryptofan-uafhængige vej, som stadig er hypotetisk. Den tryptofan-afhængige vej er syntesen af IAA fra tryptofan i flere trin. Der er flere varianter af den tryptofan-afhængige vej for IAA-biosyntese, hvoraf de vigtigste er syntese via indolpyrodruesyre (IPA), via indoacetamid (IAM), via tryptamin (TAM) og via indoacetaldoxim (IAOx). Hos forskellige plantearter dominerer en eller anden variant af tryptofan-afhængig IAA-biosyntese - for eksempel i Arabidopsis og andre korsblomstrede planter er syntesevejen via IAOx fremherskende; Agrobacterium og Pseudomonas er karakteriseret ved syntesevejen via IAM. Den tryptofan-afhængige vej for IAA-biosyntese er blevet undersøgt meget detaljeret; i planter og bakterier er der blevet isoleret enzymer, der katalyserer alle stadier af dets forskellige varianter, og en betydelig del af generne, der koder for disse enzymer, er blevet identificeret. Det er interessant, at mutanter med tab af funktion af gener, der virker på forskellige stadier af den tryptofan-afhængige vej af IAA-biosyntese, ofte er karakteriseret ved et øget indhold af auxiner i væv snarere end et reduceret. Årsagen til dette er en skarp aktivering af andre varianter af den tryptofan-afhængige vej for IAA-syntese, når en af dem afbrydes.
Ud over den tryptofan-afhængige vej for IAA-biosyntese har planter en tryptofan-uafhængig vej, som på trods af dette problems lange historie absolut intet er kendt. Bevis på eksistensen af en sådan vej er produktionen af levedygtige mutanter af Arabidopsis (trpl, 2, 3, 4 og 5) og majs, defekte i tryptophansyntese. Disse er mutanter med tab af funktion af generne, der styrer forskellige trin i syntesen af tryptofan fra dets forstadie-chorismat. De syntetiserer ikke tryptofan, men ikke desto mindre observeres normale eller endda mange gange øgede niveauer af IAA. Sandsynligvis, hvis sådanne mutanter af den tryptofan-afhængige vej for IAA-biosyntese ikke kan fungere, aktiverer de den hypotetiske vej for IAA-syntese uden brug af tryptofan.
Planter har også flere måder at inaktivere IAA på: For det første er dette dannelsen af indolsmørsyre (IBA), en reserveform af auxiner, og for det andet dannelsen af konjugater med aminosyrer og sukkerarter. Konjugaterne har svag auxinaktivitet og er også reserveformer af auxiner. Syntesen af konjugater udføres af en stor gruppe GH3-1 enzymer. Ekspressionen af GH3-1 gener er positivt reguleret af auxiner, således er der en negativ feedback i kontrollen af niveauet af aktiv IAA. Derudover er adskillige enzymer, der hydrolyserer konjugater med dannelsen af aktivt IAA, blevet identificeret i Arabidopsis, og generne, der koder for dem, er blevet klonet. Mutanter med tab af funktion af disse gener akkumulerer de tilsvarende konjugater og har øget følsomhed over for dem [1] .
Da de vigtigste steder for IAA-biosyntese er de apikale dele af skuddet, er basipetal transport af IAA til de underliggende planteorganer påkrævet. Der er to typer auxintransport.
1. Hurtig transport gennem floemet, som er bevægelsen af auxiner med strømmen af metabolitter og næringsstoffer. På denne måde kan både aktiv IAA og dens konjugater bevæge sig gennem planten.
2. Polær auxintransport (PAT) er kun karakteristisk for aktiv IAA og forekommer hovedsageligt gennem pericykliske celler og unge (levende) vaskulære elementer. Under polær transport kommer IAA ind i cellen fra den ene side og forlader den fra den modsatte side; forskellige grupper af bærerproteiner er involveret i begge processer. Denne transport er langsommere og har en strengt udtalt retning: især i skuddet er den rettet basipetalt, fra den apikale meristem og unge blade til roden; PAT-vending sker ved rodspidsen, og derefter bevæger IAA sig akropetalt til zonen for lateral roddannelse. IAA er det eneste phytohormon med et komplekst system af polær transport; Polariteten af deres udvikling afhænger af retningen af PAT i forskellige planteorganer.
Visse stoffer, såsom naphthylphthalaminsyre (NPA) og 2,3,5-triiodbenzoesyre (TIBA), blokerer specifikt PAT. I dette tilfælde akkumuleres IAA inde i cellerne, hvilket gjorde det muligt at foreslå eksistensen af forskelligt organiserede input- og output-kanaler (tilstrømning og efflux) til den polære transport af IAA, og retningen af IAA er forbundet med placeringen af input- og outputkanaler på forskellige sider af cellen (henholdsvis på den apikale og basale). Blokering af PAT ved hjælp af NPA og TIBA er forbundet med deres indflydelse på udgangskanalen [1] .
På trods af en lang undersøgelse af auxiner er der stadig mange uløste problemer i modtagelsen og signaltransduktionen af disse phytohormoner.
En langtidsundersøgelse af auxiner har afsløret et stort antal auxin-bindende proteiner (ABP'er) med forskellige funktioner. Til dato er funktion som auxin-receptorer blevet demonstreret for to proteiner:
• transmembranprotein АВР1, der interagerer med G-proteiner;
• protein TIR1, som er en del af ubiquitin-ligasekomplekset SCF.
Hvert af disse proteiner udløser efter auxinbinding ekspressionen af auxinregulerede gener, og tabet af hver af dems funktion fører til tab af plantelevedygtighed. Intet er i øjeblikket kendt om interaktionen mellem disse to uafhængige receptorsystemer eller nogen opdeling af funktioner mellem dem.
Derudover er "midterste" komponenter af auxin-signaltransduktionsvejen, der virker mellem ABP1-receptoren og auxin-afhængige transkriptionsfaktorer, endnu ikke blevet identificeret. Som reaktion på auxin sker aktivering af MAP-kinase-kaskaden og PID-kinase, men det nøjagtige sted for disse proteinkinaser i auxin-signaltransduktionsvejen er ikke blevet fastlagt [1] .
Funktionerne af auxiner er forskellige og er forbundet med sådanne karakteristika ved disse hormoner som tilstedeværelsen af polær transport, stimulering af ionkanaler og kontrol af ekspressionen af visse gener. Hovedfunktionerne af disse phytohormoner omfatter: kontrol af cellecyklussen, stimulering af cellevækst ved strækning, kontrol af polariteten af udviklingen af planteorganismen, foto- og grus-tropiske reaktioner, stimulering af initiering af laterale og utilsigtede rødder, stimulering af initiering og udvikling af laterale organer i skuddets apikale meristem [1] .
Blandt de hurtigste celleresponser på auxiner er aktiveringen af strømmen af forskellige ioner gennem cellemembranen. Årsagen til dette er den auxinafhængige aktivering af en række iontransportproteiner:
• membran H + -ATPaser, som pumper H + ioner ud fra cellen;
• kaliumkanaler, der kommer ind i cellen af K + -ioner ;
• calciumkanaler, der udfører indgangen af Ca 2+ -ioner til cellen .
Ud over at aktivere ionkanaler stimulerer auxiner også ekspressionen af en række gener, der koder for ionkanalproteiner.
Aktivering af H + -ATPase ligger til grund for en række fysiologiske funktioner af auxiner, især auxinafhængig vækst af celler ved forlængelse, såvel som foto- og gravitropismer. Det er kendt, at aktiveringen af H + -ATPaser induceres af auxin selv på isolerede membranfraktioner, men meget mindre effektivt, hvilket tyder på eksistensen af nogle cellulære faktorer, der medierer virkningen af auxin på protonpumper. Nogle auxinbindende proteiner (ABP'er) kan være en sådan faktor. Faktisk, i nærværelse af nogle af dem, for eksempel den transmembrane auxinreceptor ABP1 og det cytoplasmatiske protein ABP57, øges effektiviteten af H + -ATPase-aktivering i membraner. Desuden blev evnen til direkte interaktion med H + -ATPaser på cellemembranen vist for ABP 57-proteinet. Auxiner forårsager også en stigning i antallet af membran H-ATPaser på grund af den positive regulering af ekspressionen af deres gener.
Aktivering af kaliumkanaler er også en af de hurtige hændelser i cellens reaktion på auxin. Kaliumkanalernes arbejde afhænger af membranpotentialet; i denne henseende menes det, at deres auxinafhængige aktivering sker på grund af membranhyperpolarisering på grund af aktiveringen af protonpumper. Et af de to majs-kaliumkanalgener, ZMK1, blev vist at være opreguleret af auxiner.
Aktivering af calciumkanaler ligger til grund for auxin-afhængig stomatal åbning. Deres aktivering er en langsommere respons sammenlignet med aktiveringen af H-ATPaser og kaliumkanaler, hvilket indikerer den indirekte effekt af auxiner på deres arbejde. Aktivering af calciumkanaler kræver også en ændring i membranpotentialet, hvilket sker på grund af aktiveringen af membran H-ATPase [1] .
Sammen med cytokininer er auxiner hormoner involveret i cellecykluskontrol i planter. På trods af det faktum, at cytokininer er de vigtigste inducere af plantecelleproliferation, øger mange auxiner (især det syntetiske auxin 2,4-D), når de tilsættes til dyrkningsmediet, også celledeling. I planteorganismen fremmer auxiner celledeling af det apikale rodmeristem, såvel som de udviklende bladprimordia. Mekanismerne for indflydelse af auxiner på cellecyklussen er forskellige fra cytokinins.
Alle eukaryoters cellecyklus er under kontrol af cyclinafhængige proteinkinaser (CDK'er, fra Cyclin-afhængige proteinkinaser), som phosphorylerer nedstrøms cellecyklusregulatorer (histoner, præ-replikationskompleksproteiner, retinoblastomprotein osv.). CDK-aktivitet kræver deres udskiftelige katalytiske underenheder, cycliner. Forskellige klasser af cycliner regulerer ved at forbinde CDK'er forskellige faser af cellecyklussen. Hovedklasserne af cycliner i planter er cycliner A, B og D: Klasse A-cykliner styrer forløbet af cellecyklussens S-fase, cycliner B styrer G2-M-overgangen, såvel som det normale forløb og fuldførelse af mitose, cycliner D styrer G1-S overgangen, samt kommunikerer cellecyklussen med eksterne signaler. Ekspressionen af D-cyclingener, de vigtigste inducere af plantecelleproliferation, reguleres af cytokininer og saccharose. I promotorerne af cyclin A (CycA) generne såvel som CDKA genet, som koder for hovedplanten CDK, blev AuxRE sekvenser fundet at binde ARF transkriptionsfaktorer. Ikke desto mindre afslørede forsøg med synkroniserede plantecellesuspensionskulturer ikke en signifikant stigning i ekspressionen af disse gener, når auxiner blev tilsat til dyrkningsmediet. Samtidig blev det vist, at en stigning i koncentrationen af auxiner øger mængden af aktive CDKA-cyclin-komplekser ved at øge associationen af disse molekyler eller ved at stabilisere deres binding. De molekylære mekanismer af dette fænomen er ikke blevet belyst [1] .
En af de bedst kendte funktioner af auxiner på cellulært niveau er at stimulere cellevækst ved strækning, som ligger til grund for auxin-afhængig stamforlængelse.
Auxin-afhængig celleforlængelse er forbundet med en stigning i cellevægslabilitet. En af mekanismerne for svækkelse af cellevæggen kaldes "vækst under påvirkning af syre" (eller "sur vækst") og udføres ved auxin-stimulering af arbejdet i membran H + -ATPase. H + -ATPaser udstøder H + ioner fra cellen, hvilket fører til forsuring af det snævre rum mellem plasmalemmaet og cellevæggen. Under påvirkning af et surt miljø aktiveres ekspansiner - proteiner forbundet med cellevæggen, som ødelægger hydrogenbindinger mellem cellulosemikrofibriller, hvilket tillader cellen at udvide sig under påvirkning af turgortryk. Retningen af cellevækst afhænger af orienteringen af cellulosefibriller, som også styres af auxiner (mekanisme ukendt). Ud over at øge den katalytiske aktivitet af expansiner, regulerer auxiner positivt ekspressionen af deres gener: promotorerne af en række EXP-gener indeholder AuxRE-sekvenser.
Differentiering af specifikke celletyper: udvikling af ledningssystemet
Det ledende system af højere planter er et udvidet cellulært netværk, der er nødvendigt for transport af opløste stoffer og mekanisk stabilitet. De vaskulære bundter, der udgør det ledende system, omfatter floemet, hvorigennem hovedsageligt fotoassimilater transporteres, og xylemet, hvorigennem mineraler opløst i vand bevæger sig. Xylem-kar adskiller sig fra procambiale celler, som er til stede i ethvert planteorgan og optræder i organernes primordia på de tidligste stadier af deres udvikling.
Differentiering af kar fra procambium er under kontrol af auxiner; for eksempel er det blevet fastslået, at stederne for kardifferentiering i det udviklende blade falder sammen med zonerne med maksimal auxinkoncentration. En nøglerolle i skabelsen af zoner med øget koncentration af auxiner, der er nødvendige for udviklingen af blodkar, spilles af den polære transport af auxiner, som udføres gennem procambiale celler. Der er i øjeblikket ingen data om den nøjagtige molekylære mekanisme for vaskulær differentiering, dog er en række nøgleregulatorer for denne proces blevet identificeret. I Arabidopsis, blandt mutationerne i gener involveret i signaltransduktion som reaktion på auxiner, forårsager tre mutationer - mp, bdl og axgb - underudvikling af vaskulære bundter. Vaskulær udvikling afhænger således af aktiviteten af transkriptionsfaktoren ARF5/MP og dens transkriptionsdepressorantagonist IAA12/BDL. Derudover spiller AXR6/CUL1-proteinet, som er en komponent af SCF TIRI ubiquitin-ligasekomplekset, en vigtig rolle i denne proces . En anden gruppe af vaskulære udviklingsregulatorer i Arabidopsis er transkriptionsfaktorerne AtHB8 og AtHB20, der tilhører HD-ZIP-familien (andre repræsentanter for denne familie af transkriptionsfaktorer, PHB, PHV og REV, spiller en nøglerolle i dannelsen af den adaxial-abaxiale bladbladets polaritet; for flere detaljer se kapitlet "Løvudvikling"). Ekspressionen af AtHB8- og AtHB20-generne induceres af auxin senere end ekspressionen af IAA-generne, hvilket kan skyldes, at transkriptionsfaktorerne AtHB8 og AtHB20 virker nedstrøms for ARF- og Aux/IAA-proteinerne i kontrollen af vaskulære udvikling. Faktisk, i 35S::MPc transgene planter med et øget niveau af ekspression af MP/ARF5 genet, observeres et øget niveau af ekspression af A1HB8 og AtHB20 generne [1] .
Auxiner blev opdaget som stoffer, der kontrollerer planters rettede vækstbevægelser - tropismer. Gravitropisme skelnes - for eksempel bøjning af stilk og rod, når tyngdevektoren ændrer sig, fototropisme - et eksempel er bøjning af hypocotyler mod lyset, kemotropisme - røddernes vækst mod højere koncentrationer af næringsstoffer i jorden mv. Alle disse bøjninger styres af auxiner og er forbundet med en ændring i retningen af deres koncentrationsgradient, som igen afhænger af en ændring i retningen af den polære transport af auxiner (PAT) medieret af PIN-proteiner.
Stænglens og rodens bøjninger i forekomsten af alle tropismer afhænger af den asymmetriske fordeling af auxiner i radial retning, på grund af hvilken den ene side af stammen eller roden akkumulerer flere auxiner end den anden, hvilket fører til ujævn celleforlængelse og dannelse af en bøjning. Denne model, kaldet Cold-Went-hypotesen, blev først foreslået i 1928 og blev senere bekræftet af eksperimenter med radioaktivt mærket auxin. Baseret på eksemplet med rodgravitropisme blev det fundet, at PIN3-proteinet spiller en central rolle i at sikre den radiale fordeling af auxiner, som normalt er lokaliseret på den "laterale" endodermcelleoverflade orienteret mod det ledende system og kontrollerer centripetalretningen af KLAPPE. Rollen af PIN-proteiner, især PIN3, i fototropisme er ikke blevet belyst, på trods af at den asymmetriske fordeling af auxiner spiller en central rolle i fototropisk stilkbøjning [1] .