Auxinas e tropismos

História - Darwin (1890) estudou fototropismo, movimento em direção a luz

Darwin, C., and Darwin, F. (1881) The power of movement in plants. Appleton and Co., New York.; Photos courtesy of Dr. R.L. Nielsen

Darwin e colegas estudaram coleóptilos –tecidos que protegem as folhas de monocotiledôneas durante a germinação.

O que controla esse movimento? De onde vem o sinal? Qual a substância?

Remoção ou cobertura do ápice do coleóptilo interfere na resposta

Esses exprimentos demonstraram que o sinal da luz é precebido no ápice, embora o encurvamento ocorre na base.

Coleóptilo não tratado se curva

Coleóptilos com ápices protegidos da luz ou removidos não se curvam

Darwin concluiu que o singal move do ápice para a base

Charles Darwin image courtesy of Patche99z

“Nós devemos por isso concluir que quando plântulas são livremete expostas a uma luz lateral alguma influência é transmitida da parte superior para inferior, causando o encurvamento”.

Boysen-Jensen (1913) demonstraram que a influência transmitida pode mover-se através de um bloco de gel

Esquerda-direita:sólido, manteiga, gel, controle. A

base do coleóptilo foi sombreado.

Antes

O sinal não pode mover através de um bloco sólido ou manteiga, demonstrando que ele é um químico solúvel em água.

Depois

Reposicionamento do ápice pode induzir encurvamento em luz uniforme

Antes Depois

Paal (1919) demonstraram que a remoção do ápice e sua reposição em um lado da base é suficiente para causar o encurvamento.

Controle

ápice removido

Ápice removido e recolocado

Ápice removido e recolocado em um lado Fixação assimétrica do ápice

causa encurvamento

Em 1930, a auxina foi purificada e sua atividade no crescimento demonstrada

Redrawn from Went, F.W. (1935) Auxin, the plant growth-hormone. Bot. Rev. 1: 162-182.

Frits Went coletou auxina de ápices em blocos de ágar...

...e demonstrou que o material coletado nos blocos de ágar foi a substância que promoveu o crescimento.

Este ensaio de encurvamento promovido pelo efeito da auxina no crescimento foi usado como base para sua purificação .

O ângulo da curvatura é proporcional a quantidade de auxina no bloco.

Ácido indol-3-acético (AIA)

Quimicamente, uma molécula com atividade auxínica deve apresentar uma cadeia lateral ácida ligada a um anel aromático. Em pH neutro, essas substâncias possuem uma forte carga negativa, resultante da dissociação do próton do grupo carboxílico, separada por uma distância de 0,5 nm, de uma carga positiva fraca proveniente do anel. Essa separação é essencial para a atividade auxínica.

Via de Biossíntese de AIA dependente de triptofano

VIA BACTERIANA

VIA DO ÁCIDO INDOL 3 PIRÚVICO

Triptofano descarboxilaseTRIPTOFANO

Triptofano transaminane

Amina oxidase

Nitrilase

Triptofano monooxigenase

AIP descarboxilase

IAM hidrolase

Indol 3 acetaldoxima

Indol 3 acetaldeído (IAId)

ÁCIDO INDOL 3 ACÉTICO (AIA)

IAId dehidrogenase

Via de biossíntese de auxina independente de triptofano

Transporte polar de Auxinas

Auxina se move por longas distâncias através do floema.

Auxina também se move via proteínas transportadoras.

Auxina se nove normalmente do ápice de brotos em direção ao ápice radicular. Nos brotos na forma basípeta e no sistema radicular na forma acrópeta. No ápice radicular, as auxinas mudam a direção e se movem por curtas distâncias acima na raíz (basípeto).

Reprinted with permission from Macmillan Publishers, Ltd. Robert, H.S., and Friml, J. (2009) Auxin and other signals on the move in plants. Nat. Chem. Biol. 5: 325-332. Reprinted from Muday, G.K., and DeLong, A. (2001). Polar auxin transport: Controlling where and how much. Trends Plant Sci. 6: 535–542, with permission from Elsevier.

Transporte polar das auxinas foi também revelado na década de 1930

Adapted from Went, F.W. (1935) Auxin, the plant growth-hormone. Bot. Rev. 1: 162-182.

Um segmento cortado de um coleóptilo pode mover auxina do ápice para a base.

Este experimento, conduzido por H.G. Van der Weij revelou que as auxinas no brotos é translocada do ápice para base.

O bloco de ágar da parte de cima foi carregado com auxina, o segmento translocou para a bloco da parte de baixo.

Quando o segmento é invertido, ele não é hábil para transportar auxina da base para o ápice.

Transportador influxo de auxin AUX1

Transportador efluxo de auxina PIN

Thimann, K.V. (1938). Hormones and the analysis of growth. Plant Physiol. 13: 437-449.

Concentrações de auxina que promovem alongamento no caule podem ser inibitórias nas raízes.

Coleóptilos ou brotos movem a auxina para o lado sombreado

Esmon, C.A. et al. (2006) A gradient of auxin and auxin-dependent transcription precedes tropic growth responses. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103: 236–241. Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: Friml, J., Wisniewska, J., Benkova, E., Mendgen, K., and Palme, K. (2002) Lateral relocation of auxin efflux regulator PIN3 mediates tropism in Arabidopsis. Nature 415: 806-809.

Comprimento celular

Concentração de Auxina

DR5::GUS

AIA acumula no lado sombreado de hipocótilos de Brassica oleracea fototrópicos estimulados.

Transcrição do promotor DR5 induzida por auxina é elevada no lado escuro do hipocótilo de arabidopsis estimulado com luz.

Aumento na concentração de auxina promove alongamento celular no lado sombreado, causando encurvamento em direção a luz,.

O papel da auxina na dominância apical foi tamém conhecido em 1930

DecapitaçãoSubstitução do ápice com bloco de ágar: com ou sem auxina.

A auxina reprime o crescimento de gemas laterais

Thimann, K.V., and Skoog, F. (1934). On the inhibition of bud development and other functions of growth substance in Vicia faba. Proceedings of the Royal Society of London B. 114: 317-339 with permission; Went, F.W. and Thimann, K.V. (1937) Phytohormones. The Macmillan Company, New York.

No auxinAuxin

Bud

Leng

th

ALF1ALF1 – regula o número de raízes laterais – reduz a síntese de AIA ou está envolvido na degradação

Senso ou resposta

Síntese ou transporte

Propriedades das auxinas que promovem o enraizamento foram conhecidas em 1930

Raízes adventícias são iniciadas de estacas de

videira tratadas com auxina

Thimann, K.V. (1938). Hormones and the analysis of growth. Plant Physiol. 13: 437-449. Kerk, N.M., Jiang, K., and Feldman, L.J. (2000). Auxin metabolism in the root apical meristem. Plant Physiol. 122: 925-932.

Um experimento mais recente em que raízes de rabanete foram mergulhadas em solução de auxina e formaram raízes laterais com frequência proporcional a concentração de auxina utlizada. µM

IAA

Via de sinalização de auxina

Síntese AIA Transporte Percepção (receptor)

TF activação/ inativação

Genes alvo

Funções Biológicas

Catabolismo Conjugação

O efeito da auxina é dependente de sua síntese, transporte, percepção, sinalição, e respostas de genes alvos. A maioria dessas funções é controlada por vários genes com especificidades para diferentes células.

Adapted from Kieffer, M., Neve, J., and Kepinski, S. (2010). Defining auxin response contexts in plant development. Current Opinion in Plant Biology 13: 12-20.

Resposta da via de auxina – regulação “feedback”

Síntese AIA Transporte Percepção (receptor)

TF activação/ inativação

Genes alvo

FunçõesBiológicas

Catabolismo Conjugação

A via é extensivamente auto regulada através de controle positivo e negativo de feedback.

Adapted from Kieffer, M., Neve, J., and Kepinski, S. (2010). Defining auxin response contexts in plant development. Current Opinion in Plant Biology 13: 12-20.

Regulation by environmental factors and other hormones

Synthesis IAA Transport Perception (receptor)

TF activation/ inactivation

Target genes

Biological Functions

Catabolism Conjugation

Gravity, Nutrient status, Ionic environment, Pathogens, Light: directionality, intensity, wavelength

Síntese AIA Transporte Percepção (receptor)

TF ativação/ inativação

Genes alvo

Funções Biológicas

Catabolismo Conjugação

Gravidade, estado nutricional, ambiente, patógenos, Luz: directionality, intensidade, comprimento de onda

Etileno, brassinosteróides, citocininas, ácido giberélico, ácido jasmônico ....

Adapted from Kieffer, M., Neve, J., and Kepinski, S. (2010). Defining auxin response contexts in plant development. Current Opinion in Plant Biology 13: 12-20.

Ação auxínica em todo processo de desenvolimento da planta

Inibe o desenvolvimento de brotações laterais

Promove o desenvolvimento de raízes laterais

Promove iniciação de orgãos laterais na região

do meristema apical

Manter células tronco no meristema apical

Controle de padronização e desenvolvimento vascular

Resposta a distribuição de nutrientes e abundância

Integrar vias de sinalização de crescimento

Integra vias de sinalização do crescimento

Alongamento celular

Respostas de luz

Respostas a patógenos

Respostas a simbiose – formação de nódulos

Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: NATURE Wolters, H., and Jürgens, G. (2009). Survival of the flexible: Hormonal growth control and adaptation in plant development. Nat. Rev. Genet. 10: 305–317. Copyright 2009.

Auxina em ação!

Como a auxina afeta todos esses muitos processos do crescimento e desenvolvimento das plantas?

Produtos gênicos induzidos por auxinasProteínas Aux/IAAGH3 (auxina conjugação)ACS (síntese de etileno)CKX (degradação de citocininas)Fatores de transcrição

Produtos gênicos repressados por AuxinaProteínas de parede celularARRs (sinalização de citocininas)Fatores de transcrição

Percepção (receptor)

Genes alvo

Funções biológicas

A resposta não imediatamente óbvia.....

Alguns genes regulados pela auxina são claramente conectados com funções seguintes, as quais são mais dificéis de interpretar.

Auxinas e citocininas possuem atividade antagonística

aumento [Auxina]

Skoog F, Miller CO (1957) Chemical regulation of growth and organ formation in plant tissue cultured in vitro. Symp Soc Exp Biol XI: 118–131; Figure from Amasino, R. (2005) 1955: Kinetin Arrives. The 50th Anniversary of a newplant hormone. Plant Physiol. 138: 1177 – 1184.

Raízes

brotos

Auxina e citocininas atuam de forma antagonística – auxina tende promover raízes e citocininas brotações.

Auxina Citocininas

Aumento [Citocininas]

Auxina suprime a síntese de citocininas, e citocininas induzem a expressão de alguns repressores de auxinas (Aux/IAA e PIN).

Investigações em andamento...

Síntese AIA Transporte Percepção (receptor)

TF ativação/ inactivação

Genes alvo

Funções Biológicas

Catabolismo Conjugação

O que regula a síntese de auxinas?

Como as proteínas transportadoras funcionam? O que controla sua

atividade e distribuição?

Onde a desativação de auxina auxília?

Quais são os genes alvo e o que eles fazem?

Como eles funcionam? Quais as

outras prote envolvidas ?

Como todos esses passos trabalham

juntos para tornar um planta funcional ????

Por que tantos TF ? Onde eles atuam?

Adapted from Kieffer, M., Neve, J., and Kepinski, S. (2010). Defining auxin response contexts in plant development. Current Opinion in Plant Biology 13: 12-20.