VAI TRÒ CỦA HORMONE AUXIN

Tác dụng sinh lý của auxin: TÍNH HƯỚNG SÁNG VÀ TÍNH HƯỚNG ĐỘNG Ba hệ thống hướng dẫn chính kiểm soát các định hướng phát triển của cây: 1. Tính hướng sáng (phototropism), hoặc tăng trưởng liên quan với ánh sáng, được thể hiện trong tất cả các chồi và một số rễ; nó đảm bảo rằng lá sẽ nhận được ánh sáng mặt trời tối ưu cho quá trình quang hợp. 2. Tính hướng động (gravitropism), tăng trưởng để đáp ứng với trọng lực, cho phép rễ mọc xuống đất và các chồi phát triển đi lên khỏi đất, trong đó đặc biệt quan trọng trong giai đoạn đầu của sự nảy mầm. 3. Tính hướng tiếp xúc (thigmotropism), hoặc tăng trưởng liên quan đến tiếp xúc, cho phép rễ mọc quanh các hòn đá và chịu trách nhiệm về khả năng của các chồi của cây leo quấn quanh các cấu trúc khác để hỗ trợ.

Giả thuyết kích hoạt:

Auxin liên kết với một protein auxinbinding (ABP1) nằm trên bề mặt tế bào hoặc trong bào tương ABP1-IAA sau đó tương tác trực tiếp với màng plasma H +

-ATPase để kích thích proton bơm (bước 1) Phân tử truyền tin thứ hai, chẳng hạn như canxi hoặc pH nội bào, cũng có thể tham gia

Giả thuyết tổng hợp:

Phân tử truyền tin thứ hai IAA gây ra kích hoạt sự biểu hiện của gen (bước 2) mã hoá màng plasma H + -ATPase (bước 3) Các protein được tổng hợp vào mạng lưới nội chất hạt (rough ER) (bước 4) và đến đích thông qua con đường bài tiết vào màng plasma (bước 5 và 6) Sự gia tăng trong các kết quả proton bị đẩy ra từ sự gia tăng về số lượng các proton bơm trên màng

Hình 19.25 Mô hình hiện tại cho IAA gây ra H + đẩy ra Trong nhiều thực vật, cả hai cơ chế này có thể hoạt động Bất kể H + bơm thế nào được tăng lên,

acid-induced axit gây ra màng nới lỏng được cho là trung gian bởi sự giãn nở.

Tác dụng sinh lý của auxin: TÍNH HƯỚNG SÁNG VÀ TÍNH HƯỚNG

ĐỘNG

Ba hệ thống hướng dẫn chính kiểm soát các định hướng phát triển của cây:

1 Tính hướng sáng (phototropism), hoặc tăng trưởng liên quan với ánh sáng,

được thể hiện trong tất cả các chồi và một số rễ; nó đảm bảo rằng lá sẽ nhận được ánh sáng mặt trời tối ưu cho quá trình quang hợp

2 Tính hướng động (gravitropism), tăng trưởng để đáp ứng với trọng lực, cho

phép rễ mọc xuống đất và các chồi phát triển đi lên khỏi đất, trong đó đặc biệt quan trọng trong giai đoạn đầu của sự nảy mầm

3 Tính hướng tiếp xúc (thigmotropism), hoặc tăng trưởng liên quan đến tiếp

xúc, cho phép rễ mọc quanh các hòn đá và chịu trách nhiệm về khả năng của các chồi của cây leo quấn quanh các cấu trúc khác để hỗ trợ

Trong phần này chúng ta sẽ xem xét các bằng chứng cho thấy sự uốn cong để đáp ứng với kết quả ánh sáng hoặc hấp dẫn từ việc tái phân bố ngang của auxin.Chúng tôi cũng sẽ xem xét các cơ chế tế bào tham gia vào việc tạo ra gradient auxin bên trong sự uốn tăng trưởng Ít được biết về cơ chế của tính hướng tiếp xúc, mặc dù nó cũng có thể liên quan đến gradient auxin

Tính hướng sáng được trung gian bởi tái phân phối ngang của Auxin

Như chúng ta đã thấy trước đó, Charles Darwin và Francis cung cấp các đầu mối đầu tiên về cơ chế của tính hướng sáng bằng cách chứng minh rằng vị trí của nhận thức và tăng trưởng khác biệt (uốn cong) là riêng biệt: Ánh sáng được nhận ở

ngọn, nhưng sự uốn xảy ra bên dưới đỉnh Các Darwins đề xuất rằng một số "ảnh hưởng" đã được vận chuyển từ đỉnh đến khu vực đang phát triển đã mang về

những phản ứng tăng trưởng bất đối xứng quan sát Ảnh hưởng này sau đó đã được chứng minh là indole-3-acetic acid-auxin

Khi 1 chồi được phát triển theo chiều dọc, auxin được vận chuyển polarly từ đỉnh sinh trưởng cho khu kéo dài Các cực của vận chuyển auxin từ đầu đến cơ sở được xác định mặt phát triển và độc lập với định hướng đối với lực hấp dẫn Tuy nhiên, auxin cũng có thể được vận chuyển theo chiều ngang, và chuyển động bên này của

auxin nằm ở trung tâm của một mô hình cho tropisms ban đầu đề xuất riêng biệt bởi các nhà sinh lý học thực vật Nga, Nicolai Cholodny và Frits Went từ Hà Lan trong những năm 1920

Theo Cholodny-Went mô hình tính hướng sáng, những lời khuyên của lá bao mầm

cỏ có ba chức năng chuyên ngành:

1 Việc sản xuất auxin

2 Nhận cảm của một ánh sáng kích thích đơn phương

3 Việc vận chuyển bên của IAA để đáp ứng với các phototropic tác nhân kích thích

Vì vậy, để đáp ứng với kích thích hướng sáng, auxin được sản xuất ở đỉnh, thay vì được chuyển xuống gốc, được vận chuyển ngang về phía bên bóng mờ

Các địa điểm chính xác của sản xuất auxin, thu nhận ánh sáng, và vận chuyển bên

đã rất khó khăn để xác định Trong lá bao mầm ngô, auxin được sản xuất ở phía trên 1-2 mm của đỉnh Các vùng của photosensing và vận chuyển bên mở rộng xa hơn, trong vòng phía trên 5 mm của đỉnh Các phản ứng cũng phụ thuộc rất nhiều vào độ dòng ánh sáng (xem Web Topic 19,7)

Hai flavoproteins- một hợp chất gồm protein kết hợp hoặc với FAD hoặc với FMN

(gọi là các Flavin) , protein phototropins 1 và 2, là những tế bào cảm quang cho

đường tín hiệu màu xanh-ánh sáng (xem Web Essay 19,3) mà gây ra sự uốn quang dưỡng trong thân mầm cây Arabidopsis và lá bao mầm yến mạch dưới cả hai điều kiện cao và độ dòng thấp (Briggs et al 2001)

Phototropins được tự động phosphorylating kinase protein mà hoạt động được kích thích bởi ánh sáng màu xanh Phổ hành động để kích hoạt màu xanh ánh sáng của kinase hoạt động phù hợp chặt chẽ việc phổ hành động cho tính hướng sáng, bao gồm nhiều đỉnh núi trong khu vực màu xanh Phototropin 1 hiển thị một gradient bên trong phosphoryl hóa trong quá trình tiếp xúc với-độ dòng thấp ánh sáng màu xanh đơn phương

Theo các giả thuyết hiện nay, các gradient trong phosphoryl phototropin gây ra sự chuyển động của auxin phía bóng mờ của lá bao mầm (xem Web Topic 19,7) Một khi các auxin đến phía bóng mờ của đỉnh, nó được vận chuyển hướng gốc đến vùng kéo dài, nơi mà nó kích thích sự kéo dài tế bào Sự tăng tốc của tăng trưởng

về mặt bóng mờ và làm chậm tăng trưởng về mặt được chiếu sáng (tăng trưởng khác biệt) làm tăng độ cong về phía ánh sáng (Hình 19,26)

Kiểm tra trực tiếp của Cholodny-Went mô hình sử dụng khối thạch / lá bao mầm cong xét nghiệm sinh học đã được hỗ trợ dự đoán của mô hình mà auxin trong lời khuyên lá bao mầm được vận chuyển sang hai bên để đáp ứng với ánh sáng đơn phương (Hình 19.27) Tổng số tiền của auxin khuếch tán ra khỏi mũi (ở đây thể hiện như góc độ cong) là như nhau trong sự hiện diện của ánh sáng đơn phương như trong bóng tối (so sánh hình 19.27A và B) Kết quả này chỉ ra rằng ánh sáng

không gây photodestruction auxin ở phía được chiếu sáng, như đã được đề xuất bởi một số nhà điều tra

Hình 19,26 Thời gian của sinh trưởng trong chiếu sáng và phía bóng râm của một

lá bao mầm đáp ứng 30 giây xung ánh sáng màu xanh một chiều Điều khiển lá bao mầm không được xử lý bằng ánh sáng (Sau Iino và Briggs 1984.)

Phù hợp với cả Cholodny-Went giả thuyết và giả thuyết tăng trưởng acid, độ pH apoplastic về phía bóng mờ của một phototropically uốn thân cây hoặc lá bao mầm nhiều axit hơn so với mặt đối diện với ánh sáng (Mulkey et al 1981)

Tính hướng động Cũng Liên quan đến việc tái phân phối Chồi bên của Auxin

Khi cây Avena tối trồng được định hướng theo chiều ngang, lá bao mầm uốn cong lên để đáp ứng với trọng lực Theo Cholodny-Went mô hình, auxin trong một mẹo

lá bao mầm ngang định hướng được vận chuyển theo chiều ngang để phía dưới, làm cho phía dưới của lá bao mầm tăng trưởng nhanh hơn phía trên Bằng chứng thực nghiệm đầu chỉ ra rằng mũi của lá bao mầm có thể cảm nhận trọng lực và phân phối lại auxin phía dưới Ví dụ, nếu lời khuyên lá bao mầm được định hướng theo chiều ngang, một số tiền lớn của auxin khuếch tán từ nửa thấp hơn so với nửa trên (Hình 19,28)

Các mô bên dưới mũi có thể phản ứng với trọng lực là tốt Ví dụ, khi lá bao mầm ngô định hướng theo chiều dọc được chặt đầu bằng cách loại bỏ các phía trên 2

mm của đầu và định hướng theo chiều ngang, uốn gravitropic xảy ra với một tốc

độ chậm trong vài giờ thậm chí không có chóp Ứng dụng của IAA với bề mặt cắt phục hồi tốc độ uốn mức bình thường Phát hiện này cho thấy cả nhận thức của các gói kích thích hấp dẫn và phân phối lại bên của auxin có thể xảy ra trong các mô bên dưới đỉnh, mặc dù đầu vẫn còn cần thiết cho sản xuất auxin

HÌNH 19.27 Bằng chứng cho thấy sự tái phân bố ngang của auxin được kích thích bởi ánh sáng theo một hướng trong lá bao mầm ngô.

Phân phối lại bên của auxin trong shoot đỉnh sinh trưởng là khó khăn hơn để chứng minh hơn trong lá bao mầm vì sự hiện diện của lá Trong những năm gần đây, marker phân tử đã được sử dụng rộng rãi như là gen phóng viên phát hiện gradient auxin bên trong theo chiều ngang đặt thân và rễ

Trong thân mầm đậu tương, tính hướng động dẫn đến một sự bất đối xứng nhanh chóng trong sự tích tụ của một nhóm các mRNA auxin kích thích gọi là SAURs (auxin nhỏ up-regulated RNA) (McClure và Guilfoyle 1989) Trong cây thẳng đứng, biểu hiện gen Saur được phân bố đối xứng Trong vòng 20 phút sau khi cây con được định hướng theo chiều ngang, SAURs bắt đầu tụ lại trên nửa dưới của hypocotyl Dưới những điều kiện này, gravitropic uốn đầu trở nên rõ ràng sau 45 phút, và sau khi cảm ứng của SAURs (xem Web Topic 19,8) Sự tồn tại của một gradient bên trong biểu hiện gen Saur là bằng chứng gián tiếp cho sự tồn tại của một gradient bên trong auxin phát hiện trong vòng 20 phút của sự kích thích

gravitropic

Như sẽ được thảo luận sau trong chương này, các gia đình gen GH3 cũng là up-regulated trong vòng 5 phút của auxin xử lý và đã được sử dụng như một marker phân tử cho sự hiện diện của auxin Bằng cách nung chảy một trình tự promoter nhân tạo dựa trên promoter GH3 với gen GUS phóng viên, nó có thể hình dung

gradient bên trong nồng độ auxin xảy ra trong cả hai máy ảnh, tính hướng động (Hình 19.29)

Hình 19,28 Auxin được vận chuyển đến phía dưới của đỉnh lá bao mầm yến mạch theo định hướng chiều ngang (A) Auxin từ nửa trên và dưới của một đỉnh nằm ngang được cho phép khuếch tán vào hai khối thạch (B) Các khối thạch từ nửa dưới (trái) gây ra độ cong trong một lá bao mầm bị cắt ngọn lớn hơn các khối thạch từ nửa trên (bên phải) (Ảnh © MB Wilkins.)

Hình 19.29 Gradients auxin chồi bên được hình thành trong thân mầm cây

Arabidopsis trong các phản ứng sinh trưởng khác biệt với ánh sáng (A) và trọng lực (B) Các cây đã được chuyển đổi với gen chỉ thị DR5 :: GUS Tích lũy Auxin trên bóng mờ (A) hoặc thấp hơn (B) bên của thân mầm được chỉ định bởi màu xanh nhuộm thể hiện trong hình rời (Hình ảnh của Klaus Palme.)

Statoliths (bào quan có chứa các hạt tinh bột ) đáp ứng như lực hút cảm biến trong chồi và rễ

Không giống như ánh sáng đơn phương, lực hấp dẫn không tạo thành một gradient giữa bên trên và dưới của một cơ quan Tất cả các bộ phận của cây trải nghiệm sự kích thích hấp dẫn không kém

Làm thế nào để phát hiện tế bào thực vật hấp dẫn? Cách duy nhất lực hấp dẫn có thể được cảm nhận là thông qua sự chuyển động của một cơ thể rơi hoặc chất lắng cặn

Ứng cử viên rõ ràng cho các cảm biến trọng lực trong tế bào ở thực vật là,

amyloplasts dày lớn được hiện diện trong nhiều tế bào thực vật Những

amyloplasts chuyên là mật độ đủ cao so với cytosol rằng họ sẵn sàng lắng xuống đáy của tế bào (Hình 19.30) Amyloplasts có chức năng như cảm biến trọng lực được gọi là statoliths, và các tế bào trọng lực cảm biến chuyên dụng mà chúng xảy

ra được gọi là statocytes Cho dù statocyte có thể phát hiện các chuyển động đi xuống của statolith khi nó đi qua các khung tế bào hay các kích thích được cảm nhận chỉ khi statolith đến nghỉ ngơi ở dưới cùng của các tế bào vẫn chưa được giải quyết

Chồi và Lá bao mầm Trong chồi và lá bao mầm, trọng lực được nhận thức trong

vỏ bọc tinh bột, một lớp tế bào bao quanh các mô mạch máu của buổi chụp

hình Các vỏ bọc tinh bột là liên tục với nội bì của rễ, nhưng không giống như các nội bì nó chứa amyloplasts Đột biến Arabidopsis thiếu amyloplasts trong tinh bột

vỏ màn agravitropic tăng trưởng chụp nhưng tăng trưởng của rễ hướng động bình thường (Fujihira et al 2000)

Như đã nêu trong Chương 16, con bù nhìn (scr) đột biến Arabidopsis thiếu cả các nội bì và vỏ bọc tinh bột Kết quả là, các trụ dưới lá mầm và hoa tự của các đột biến scr là agravitropic, trong khi gốc rễ trưng bày một phản ứng bình thường gravitropic Trên cơ sở các kiểu hình của hai người đột biến này, chúng ta có thể kết luận như sau:

• Các vỏ bọc tinh bột là cần thiết cho tính hướng động trong chồi

• Các nội bì gốc, không chứa statoliths, không cần thiết cho tính hướng động trong rễ

Các rễ Các mặt của nhận thức trọng lực trong rễ chính là chop rễ Lớn,

amyloplasts graviresponsive nằm trong statocytes (xem Hình 19.30A và B) trong

xi lanh trung ương, hoặc Columella, nắp gốc Loại bỏ các nắp gốc từ rễ nếu không còn nguyên vẹn bãi bỏ tính hướng động rễ mà không ức chế sự tăng trưởng

Chính xác như thế nào statocytes cảm statoliths rơi của họ vẫn chưa được hiểu

rõ Theo một giả thuyết, liên lạc hoặc áp lực từ việc amyloplast nghỉ ngơi trên lưới nội chất ở phía dưới của tế bào gây nên các phản ứng (xem hình 19.30C) Các mạng lưới nội chất của tế bào Columella là cấu trúc độc đáo, bao gồm 5-7 tấm

thô-ER gắn vào một thanh nút trung tâm trong một lọn, giống như cánh hoa trên một bông hoa Điều này đặc biệt "ER nút" khác với cisternae ER vỏ ống hơn và có thể được tham gia vào các phản ứng trọng lực (Zheng và Staehelin 2001)

Các giả thuyết tinh bột statolith của nhận thức lực hấp dẫn trong rễ được hỗ trợ bởi một số dòng bằng chứng Amyloplasts là bào quan chỉ mà luôn bùn đất trong các tế bào Columella của các loài thực vật khác nhau, và tỷ lệ trầm tích tương quan chặt chẽ với thời gian cần thiết để nhận thức kích thích hấp dẫn Các câu trả lời

gravitropic của đột biến tinh bột thiếu nói chung là chậm hơn nhiều so với các loại cây dại Tuy nhiên, đột biến starchless triển lãm một số tính hướng động, cho thấy rằng mặc dù tinh bột là cần thiết cho một phản ứng gravitropic bình thường, cơ chế nhận thức trọng lực tinh bột độc lập cũng có thể tồn tại

Bào quan khác, chẳng hạn như hạt nhân, có thể là dày đặc, đủ để hoạt động như statoliths Nó thậm chí có thể không cần thiết cho một statolith đến phần còn lại ở dưới cùng của các tế bào Các mạng cytoskeletal có thể phát hiện sự dịch chuyển dọc một phần của một bào quan

Hình 19.30 Nhận thức của lực hấp dẫn bởi statocytes của Arabidopsis (A)

Electron ảnh chụp hiển vi của đầu rễ, cho thấy đỉnh mô phân sinh (M), Columella (C), và thiết bị ngoại vi Tế bào (P) (B) xem phóng to, một tế bào Columella, cho thấy amyloplasts đặt nằm trên lưới nội chất ở dưới cùng của các tế bào (C) Sơ đồ những thay đổi xảy ra trong quá trình định hướng từ dọc sang ngang Chức vụ (A,

B biếu không của Tiến sĩ John Kiss, C dựa trên Sievers et al 1996 và Volkmann và Sievers 1979.)

Gần đây Andrew Staehelin và các đồng nghiệp đã đề xuất một mô hình mới cho tính hướng động, được gọi là mô hình tensegrity (Yoder et al 2001).Tensegrity là một hạn một kiến trúc co của căng toàn vẹn được đặt ra bởi các kiến trúc sư sáng tạo R Buckminster Fuller Về bản chất, tensegrity đề cập đến tính toàn vẹn cấu trúc được tạo ra bởi sự căng thẳng tương tác giữa các thành phần cấu trúc Trong trường hợp này, các thành phần cấu trúc bao gồm các meshwork của microfilaments actin

tạo thành một phần của khung tế bào của các tế bào Columella trung tâm của nắp gốc Các mạng actin được giả định được neo thụ căng-kích hoạt trên màng sinh chất Thụ Stretch trong các tế bào động vật thường là các kênh ion nhạy cảm cơ học, và các kênh canxi căng-kích hoạt đã được chứng minh trong thực vật

Theo mô hình tensegrity, lắng của statoliths qua cytosol địa phương phá vỡ

meshwork actin, thay đổi sự phân bố của căng thẳng truyền tới các kênh canxi trên màng tế bào, do đó làm thay đổi hoạt động của họ Yoder và các cộng sự (2001) đã

đề xuất thêm rằng ER nút, mà còn được kết nối với các kênh truyền hình qua

microfilaments actin, có thể bảo vệ

các khung tế bào khỏi bị phá vỡ bởi các statoliths trong

khu vực cụ thể, do đó cung cấp một tín hiệu cho sự định hướng của các kích thích Nhận thức của lực hấp dẫn mà không statoliths? Một cơ chế khác của nhận thức lực hấp dẫn mà không liên quan đến statoliths đã được đề xuất cho tảo nước ngọt khổng lồ bào Chara Xem Web Topic 19.8 để biết chi tiết

Auxin là tái phân phối sang hai bên trong chóp rễ

Ngoài chức năng bảo vệ các tế bào nhạy cảm của mô phân sinh đỉnh như đầu thâm nhập vào đất, nắp gốc là trang web của nhận thức trọng lực Bởi vì nắp là một khoảng cách xa khu vực kéo dài nơi uốn xảy ra, một sứ giả hóa học được cho là tham gia vào các giao tiếp giữa nắp và vùng kéo dài Thí nghiệm vi phẫu trong đó một nửa nắp đã được gỡ bỏ cho thấy nắp sản xuất một chất ức chế sinh trưởng của

rễ (Hình 19,31) Phát hiện này cho thấy rằng nắp cung cấp một chất ức chế để phía dưới của gốc trong uốn gravitropic

Mặc dù mũ rễ có chứa một lượng nhỏ của IAA và acid abscisic (ABA) (xem

Chương 23), IAA là ức chế hơn để nhổ tận gốc tăng trưởng so với ABA khi áp dụng trực tiếp đến khu vực kéo dài, cho thấy rằng IAA là chất ức chế nắp gốc Phù hợp với kết luận này, ABA thiếu Đột biến Arabidopsis có tính hướng động gốc bình thường, trong khi gốc rễ của đột biến khiếm khuyết trong vận chuyển auxin, như AUX1 và agr1, là agravitropic (Palme và Gälweiler 1999) Các đột biến agr thiếu một tàu sân bay ra ngoài này auxin liên quan đến các protein PIN (Chen et al

1998; Müller et al 1998; Utsuno et al 1998) Các protein AGR1 được bản địa hoá tại cơ sở (xa) kết thúc của các tế bào vỏ não gần đầu rễ cây Arabidopsis

Làm thế nào để chúng ta hòa giải thực tế là chụp mô phân sinh đỉnh là nguồn chính của auxin vào thư mục gốc với vai trò của nắp gốc là nguồn gốc của các auxin ức chế trong tính hướng động? Như đã thảo luận ở chương trước, auxin từ buổi chụp được translocated từ bia cho các đầu rễ qua tế bào Protophloem Không đối xứng cục permeases AUX1 trên các tế bào nhu mô Protophloem chỉ đạo việc vận chuyển acropetal auxin từ vỏ cây để một nhóm tế bào trong Columella của nắp Sau đó auxin được vận chuyển xuyên tâm đến các tế bào gốc nắp bên, nơi AUX1 cũng được thể hiện mạnh mẽ (xem Hình 19,19)