Ауксины: растительные гормоны роста и развития

Введение

Растительные гормоны.

Ауксины (множественное число от auxin '/ɔː//k//s//ᵻ//n/') – это класс растительных гормонов (или регуляторов роста растений), обладающих некоторыми свойствами, схожими с морфогенами. Ауксины играют ключевую роль в координации многих процессов роста и развития растений на протяжении их жизненного цикла и необходимы для формирования тела растения. Голландский биолог Фриц Вармольт Вент впервые описал ауксины и их роль в росте растений в 1920-х годах. Кеннет В. Тиманн первым выделил один из этих фитогормонов и определил его химическую структуру как индол-3-уксусную кислоту (IAA). Вент и Тиманн совместно написали книгу о растительных гормонах «Фитогормоны» в 1937 году.

Обзор

Ауксины были первыми из основных растительных гормонов, которые были открыты. Они получили свое название от греческого слова αυξειν (auxein – "расти/увеличиваться"). Ауксин присутствует во всех частях растения, хотя и в очень разных концентрациях. Концентрация в каждой точке является критически важной информацией для развития, поэтому она подвергается жесткому регулированию как посредством метаболизма, так и посредством транспорта. В результате ауксин формирует "паттерны" максимумов и минимумов концентрации ауксина в теле растения, которые, в свою очередь, направляют дальнейшее развитие соответствующих клеток и, в конечном итоге, растения в целом. Динамичный и реагирующий на окружающую среду паттерн распределения ауксина внутри растения является ключевым фактором роста растения, его реакции на окружающую среду и, в частности, для развития органов растения, которое генерирует большинство эффектов ауксина в целых растениях и является наиболее мощным природным ауксином. И как природный ауксин, его равновесие контролируется в растениях многими способами, от синтеза, через возможную конъюгацию до деградации его молекул, всегда в соответствии с требованиями ситуации. Пять природных (эндогенных) ауксинов в растениях включают индол-3-уксусную кислоту, 4-хлориндол-3-уксусную кислоту, фенилуксусную кислоту, индол-3-масляную кислоту и индол-3-пропионовую кислоту. Однако большинство знаний, описанных до сих пор в биологии ауксинов и изложенных в следующих разделах, применимы в основном к IAA; остальные три эндогенных ауксина, по-видимому, имеют незначительное значение для целых растений в естественных условиях. Наряду с эндогенными ауксинами, ученые и производители разработали множество синтетических соединений с ауксинной активностью. Синтетические ауксины делятся на четыре класса: закрывая различные части колеоптилей светонепроницаемым непрозрачным колпачком, Дарвины обнаружили, что свет воспринимается кончиком колеоптиля, но изгиб происходит в гипокотиле. Однако саженцы не проявляли признаков развития в направлении света, если кончик был покрыт непрозрачным колпачком или если кончик был удален. Дарвины пришли к выводу, что кончик колеоптиля отвечает за восприятие света, и предположили, что сигнал передается в направлении вниз от кончика колеоптиля, вызывая его изгиб.

Auxins were the first of the major plant hormones to be discovered. They derive their name from the Greek word αυξειν (auxein – "to grow/increase"). Auxin is present in all parts of a plant, although in very different concentrations. The concentration in each position is crucial developmental information, so it is subject to tight regulation through both metabolism and transport. The result is the auxin creates "patterns" of auxin concentration maxima and minima in the plant body, which in turn guide further development of respective cells, and ultimately of the plant as a whole. The (dynamic and environment responsive) pattern of auxin distribution within the plant is a key factor for plant growth, its reaction to its environment, and specifically for development of plant organs which generates the majority of auxin effects in intact plants, and is the most potent native auxin. And as native auxin, its equilibrium is controlled in many ways in plants, from synthesis, through possible conjugation to degradation of its molecules, always according to the requirements of the situation. Five naturally occurring (endogenous) auxins in plants include indole 3 acetic acid, 4 chloroindole 3 acetic acid, phenylacetic acid, indole 3 butyric acid, and indole 3 propionic acid. However, most of the knowledge described so far in auxin biology and as described in the sections which follow, apply basically to IAA; the other three endogenous auxins seems to have marginal importance for intact plants in natural environments. Alongside endogenous auxins, scientists and manufacturers have developed many synthetic compounds with auxinic activity. Synthetic auxins fall into four classes: By covering various parts of the coleoptiles with a light impermeable opaque cap, the Darwins discovered that light is detected by the coleoptile tip, but that bending occurs in the hypocotyl. However the seedlings showed no signs of development towards light if the tip was covered with an opaque cap, or if the tip was removed. The Darwins concluded that the tip of the coleoptile was responsible for sensing light, and proposed that a messenger is transmitted in a downward direction from the tip of the coleoptile, causing it to bend.

Питер Бойзен Дженсен

В 1910 году датский ученый Питер Бойсен Дженсен продемонстрировал, что фототропный стимул в овсяном влагалище мог распространяться через разрез. Эти эксперименты были расширены и опубликованы более подробно в 1911 и 1913 годах. Он обнаружил, что верхушку можно отрезать и снова прикрепить, и что последующее одностороннее освещение все еще способно вызывать положительную фототропическую кривизну в базальной части влагалища. Он показал, что передача сигнала может происходить через тонкий слой желатина, разделяющий односторонне освещенную верхушку и затененный стебель. Вставляя кусочек слюды, он мог блокировать передачу на освещенной и неосвещенной сторонах верхушки соответственно, что позволило ему установить, что передача происходила в затененной части верхушки. Таким образом, продольная половина влагалища, демонстрирующая более высокую скорость роста во время фототропической кривизны, была той тканью, которая получала стимул к росту. В 1911 году Бойсен Дженсен, основываясь на результатах своих экспериментов, заключил, что передача фототропного стимула не является физическим эффектом (например, из-за изменения давления), а обусловлена миграцией вещества или ионов.

Восприятие

Наиболее хорошо изученными рецепторами ауксинов являются белки семейства TIR1/AFB, относящиеся к F-box белкам. F-box белки направляют другие белки на деградацию посредством убиквитин-протеасомного пути. При связывании белков TIR1/AFB с ауксином, последний выступает в роли "молекулярного клея", обеспечивая связывание этих белков с их мишенями (см. ниже). Другой белок, связывающий ауксин, ABP1, в настоящее время часто рассматривается как рецептор ауксина (в апопласте), однако считается, что его роль значительно менее существенна, чем роль сигнального пути TIR1/AFB, и о механизмах сигнализации ABP1 известно гораздо меньше.

На клеточном уровне

На клеточном уровне ауксин необходим для роста клеток, влияя как на деление клеток, так и на их расширение. Уровень концентрации ауксина, наряду с другими локальными факторами, способствует дифференциации клеток и определению их судьбы. В зависимости от конкретной ткани, ауксин может стимулировать осевое удлинение (как в побегах), латеральное расширение (как при набухании корней) или изодиаметрическое расширение (как при росте плодов). В некоторых случаях (например, при росте колеоптиля) стимулируемое ауксином расширение клеток происходит без деления клеток. В других случаях стимулируемое ауксином деление и расширение клеток могут тесно следовать друг за другом в одной и той же ткани (инициация образования корней, рост плодов). В живом растении ауксины и другие растительные гормоны почти всегда взаимодействуют, определяя закономерности развития растений.

Образцы органов

Рост и деление растительных клеток в совокупности приводят к росту тканей, а специфический рост тканей способствует развитию органов растений. Рост клеток определяет размер растения, а неравномерно локализованный рост вызывает изгиб, повороты и направленность органов – например, стебли поворачиваются к источникам света (фототропизм), корни растут в ответ на гравитацию (гравитропизм), и другие тропизмы возникают из-за того, что клетки с одной стороны растут быстрее, чем клетки с другой стороны органа. Следовательно, точный контроль распределения ауксинов между различными клетками имеет первостепенное значение для формируемой формы роста и организации растений.

Транспорт ауксина и неравномерное распределение ауксина

Чтобы вызвать рост в требуемых доменах, ауксины должны по необходимости быть активны преимущественно в них. Локальные максимумы ауксина могут формироваться в результате активного биосинтеза в определенных клетках тканей, например, посредством триптофан-зависимых путей, но ауксины не синтезируются во всех клетках (даже если клетки сохраняют потенциальную способность к этому, синтез ауксина в них активируется только при определенных условиях). Для этого ауксины должны не только транслоцироваться к местам, где они необходимы, но и обладать установленным механизмом для их обнаружения. Транслокация происходит по всему телу растения, преимущественно от вершин побегов к вершинам корней (сверху вниз). На большие расстояния перемещение осуществляется через поток жидкости в флоэмных сосудах, а для транспорта на короткие расстояния используется уникальная система скоординированного полярного транспорта непосредственно из клетки в клетку. Этот транспорт на короткие расстояния, активный транспорт, проявляет некоторые морфогенетические свойства. Этот процесс, полярный транспорт ауксинов, направлен, строго регулируется и основан на неравномерном распределении эффлюксных переносчиков ауксина на плазменной мембране, которые направляют ауксины в нужном направлении. В то время как белки PIN (PIN-FORMED) играют важную роль в полярном транспорте ауксина, семейство генов AUXIN1/LIKE AUX1 (AUX/LAX) кодирует неполярные инфлюксные переносчики ауксина. Регулирование локализации белков PIN в клетке определяет направление транспорта ауксина из клетки, а согласованные усилия многих клеток создают пики ауксина, или ауксиновые максимумы (области, содержащие клетки с более высоким содержанием ауксина – максимум). Для организации развития органа необходимы правильные и своевременные ауксиновые максимумы в развивающихся корнях и побегах. Белки PIN регулируются множеством путей как на транскрипционном, так и на посттрансляционном уровнях. Белки PIN могут быть фосфорилированы PINOID, что определяет их апикобазальную полярность и, следовательно, направленность ауксиновых потоков. Кроме того, другие AGC-киназы, такие как D6PK, фосфорилируют и активируют транспортеры PIN. AGC-киназы, включая PINOID и D6PK, направляются к плазменной мембране посредством связывания с фосфолипидами. Выше по течению от D6PK, 3'-фосфоинозитол-зависимая протеинкиназа 1 (PDK1) действует как главный регулятор. PDK1 фосфорилирует и активирует D6PK на базальной стороне плазменной мембраны, осуществляя активность PIN-опосредованного полярного транспорта ауксина и последующего развития растения. Вокруг ауксиновых максимумов находятся клетки с низким содержанием ауксина, или ауксиновые минимумы. Например, у Arabidopsis показано, что ауксиновые минимумы важны для развития тканей плода. Ауксин оказывает значительное влияние на пространственную и временную экспрессию генов во время роста апикальных меристем. Эти взаимодействия зависят как от концентрации ауксина, так и от пространственной ориентации при позиционировании примордий. Ауксин полагается на PIN1, который действует как эффлюксный переносчик ауксина. Позиционирование PIN1 на мембранах определяет направленный поток гормона от более высоких к более низким концентрациям. Инициация примордий в апикальных меристемах коррелирует с повышенным уровнем ауксина. Они повышаются посредством инфлюкса ауксина.

To cause growth in the required domains, auxins must of necessity be active preferentially in them. Local auxin maxima can be formed by active biosynthesis in certain cells of tissues, for example via tryptophan dependent pathways, but auxins are not synthesized in all cells (even if cells retain the potential ability to do so, only under specific conditions will auxin synthesis be activated in them). For that purpose, auxins have to be not only translocated toward those sites where they are needed but also they must have an established mechanism to detect those sites. Translocation is driven throughout the plant body, primarily from peaks of shoots to peaks of roots (from up to down). For long distances, relocation occurs via the stream of fluid in phloem vessels, but, for short distance transport, a unique system of coordinated polar transport directly from cell to cell is exploited. This short distance, active transport exhibits some morphogenetic properties. This process, polar auxin transport, is directional, very strictly regulated, and based in uneven distribution of auxin efflux carriers on the plasma membrane, which send auxins in the proper direction. While PIN FORMED (PIN) proteins are vital in transporting auxin in a polar manner, the family of AUXIN1/LIKE AUX1 (AUX/LAX) genes encodes for non polar auxin influx carriers. The regulation of PIN protein localisation in a cell determines the direction of auxin transport from cell, and concentrated effort of many cells creates peaks of auxin, or auxin maxima (regions having cells with higher auxin – a maximum). Proper and timely auxin maxima within developing roots and shoots are necessary to organise the development of the organ. PINs are regulated by multiple pathways, at both the transcriptional and the post translational levels. PIN proteins can be phosphorylated by PINOID, which determines their apicobasal polarity and thereby the directionality of auxin fluxes. In addition, other AGC kinases, such as D6PK, phosphorylate and activate PIN transporters. AGC kinases, including PINOID and D6PK, target to the plasma membrane via binding to phospholipids. Upstream of D6PK, 3' phosphoinositide dependent protein kinase 1 (PDK1) acts as a master regulator. PDK1 phosphorylates and activates D6PK at the basal side of plasma membrane, executing the activity of PIN mediated polar auxin transport and subsequent plant development. Surrounding auxin maxima are cells with low auxin troughs, or auxin minima. For example, in the Arabidopsis fruit, auxin minima have been shown to be important for its tissue development. Auxin has a significant effect on spatial and temporal gene expressions during the growth of apical meristems. These interactions depend both on the concentration of Auxin as well as the spatial orientation during primordial positioning. Auxin relies on PIN1 which works as an auxin efflux carrier. PIN1 positioning upon membranes determines the directional flow of the hormone from higher to lower concentrations. Initiation of primordia in apical meristems is correlated to heightened auxin levels. They are upregulated via auxin influx.

Рост и развитие корней

Ауксины способствуют инициации корнеобразования. Ауксин стимулирует рост уже существующих корней и их ветвление (образование боковых корней), а также образование придаточных корней. По мере транспорта большего количества эндогенного ауксина вниз по стеблю к корням, стимулируется общее развитие корневой системы. Если источник ауксина удален, например, путем обрезки верхушек стеблей, стимуляция корней соответственно снижается, и вместо этого поддерживается рост стебля. В растениеводстве ауксины, особенно NAA и IBA, широко используются для стимуляции инициации корнеобразования при укоренении черенков. Однако высокие концентрации ауксина подавляют удлинение корней и вместо этого усиливают образование придаточных корней. Удаление кончика корня может привести к ингибированию образования вторичных корней.

Апикальное доминирование

Ауксин вызывает апикальное доминирование побегов; подмышечные почки подавляются ауксином, поскольку высокая концентрация ауксина непосредственно стимулирует синтез этилена в подмышечных почках, что приводит к ингибированию их роста и усилению апикального доминирования. При удалении верхушки растения ингибирующий эффект снимается, и рост боковых почек усиливается. Этот процесс называется детоппированием и обычно применяется на чайных плантациях и при формировании живых изгородей. Ауксин перемещается в часть растения, отвернутую от света, где он стимулирует удлинение клеток, заставляя растение изгибаться в сторону источника света.

Растение и развитие плодов

Ауксин необходим для роста и развития плодов и замедляет старение плодов. Когда семена удаляют из клубники, рост плодов останавливается; экзогенный ауксин стимулирует рост плодов с удаленными семенами. Для плодов с неоплодотворенными семенами экзогенный ауксин вызывает партенокарпию ("девичьего" плода). Плоды приобретают аномальную морфологию при нарушении транспорта ауксина. У плодов Arabidopsis ауксин контролирует высвобождение семян из плода (стручка). Краевые зоны клапанов – это специализированная ткань в стручках, которая регулирует время открытия стручка (раскрытие). Для формирования краевых зон клапанов необходимо удалить ауксин из клеток этих зон. Этот процесс требует модификации ауксиновых транспортеров (PIN-белков).

Цветение

Ауксин также играет небольшую роль в инициации цветения и развитии репродуктивных органов. В низких концентрациях он может замедлять старение цветков. Описано несколько мутаций растений, влияющих на цветение и характеризующихся дефицитом либо в синтезе, либо в транспорте ауксина. В кукурузе одним из примеров является мутация bif2 – бесплодный колос2.

Биосинтез этилена

В низких концентрациях ауксин способен подавлять образование этилена и транспорт его предшественников в растениях; однако, высокие концентрации могут стимулировать синтез этилена. Следовательно, высокая концентрация может индуцировать развитие женских цветков у некоторых видов. Ауксин ингибирует опадание до формирования слоя отторжения, и тем самым замедляет старение листьев.

Синтетические ауксины

В ходе исследований биологии ауксинов было синтезировано множество соединений, обладающих выраженной ауксинной активностью. Многие из них оказались экономически перспективными для управляемого человеком роста и развития растений в агрономии. Ауксины токсичны для растений в высоких концентрациях, особенно для двудольных, и менее токсичны для однодольных. Благодаря этому свойству были разработаны и применяются синтетические ауксинные гербициды, такие как 2,4-дихлорофеноксиуксусная кислота (2,4-D) и 2,4,5-трихлорофеноксиуксусная кислота (2,4,5-T) для борьбы с сорняками. Однако некоторые экзогенно синтезированные ауксины, в частности 1-нафтилуксусная кислота (NAA) и индол-3-масляная кислота (IBA), также широко используются для стимуляции корнеобразования при размножении растений черенками или в различных сельскохозяйственных целях, например, для предотвращения опадания плодов в садах. При применении в высоких дозах ауксин стимулирует выработку этилена, также естественного гормона растений. Избыток этилена может замедлять рост побегов, вызывать опадение листьев (абсциссию) и даже приводить к гибели растения. Некоторые синтетические ауксины, такие как 2,4-D и 2,4,5-T, также продаются как гербициды. Двудольные растения, например, одуванчики, гораздо более чувствительны к ауксинам, чем однодольные, такие как злаки и зерновые культуры. Поэтому эти синтетические ауксины представляют ценность как синтетические гербициды. 2,4-D был первым широко используемым гербицидом и до сих пор применяется. Впервые 2,4-D был коммерциализирован компанией Sherwin Williams в конце 1940-х годов. Он прост и дешев в производстве. Триклопир (3,5,6-ТХА), хотя и известен как гербицид, также способен увеличивать размер плодов у растений. При повышенных концентрациях гормон может быть смертельным. Подбор оптимальной концентрации изменяет пути фотосинтеза. Это препятствие вызывает реакцию, которая увеличивает выработку углеводов, что приводит к увеличению размера плодов.

Производство гербицидов

Синтетические ауксины используются как гербициды, и передозировка ауксинов нарушает рост растений, приводя к их гибели. Дефолиант "Агент Оранж", широко использовавшийся британскими войсками во время Малайской чрезвычайной ситуации и американскими войсками во Вьетнамской войне, представлял собой смесь 2,4-D и 2,4,5-T. Соединение 2,4-D до сих пор используется и считается безопасным, однако 2,4,5-T был практически запрещен Агентством по охране окружающей среды США в 1979 году. Диоксин TCDD является неизбежным загрязнителем, образующимся в процессе производства 2,4,5-T. Вследствие загрязнения диоксином, использование продуктов на основе 2,4,5-T связывают с лейкемией, выкидышами, врожденными пороками развития, повреждением печени и другими заболеваниями.