ORGANISMI MULTICELLULARI

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1 GLI ORMONI VEGETALI

2 ORGANISMI MULTICELLULARI Le diverse funzioni fisiologiche (processi metabolici accrescimento etc) necessitano della regolazione e della integrazione delle funzioni dei diversi organi e tessuti comunicazione tra cellule SEGNALI CHIMICI ORMONI

3 ANIMALI Gli ormoni sono sostanze organiche naturali che, a basse concentrazioni, influenzano profondamente i processi fisiologici sono sintetizzati in organi o tessuti specifici (ghiandole endocrine) sono trasportati attraverso il circolo sanguigno verso un tessuto bersaglio (ormoni endocrini) controllano un processo fisiologico in maniera concentrazione-dipendente Ormoni autocrini: agiscono in cellule adiacenti alla fonte di sintesi

4 CLASSI PRINCIPALI PROTEINE PEPTIDI DERIVATI DI AMINOACIDI STEROIDI

5 O + R OR RISPOSTA + RISPOSTA

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8 Recettori citoplasmatici

9 Recettori di membrana RISPOSTA Secondi messaggeri Catena di trasduzione del segnale

10 Secondi messaggeri

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12 Trasduzione del segnale

13 Recettori accoppiati a proteine G eterotrimeriche

14 Recettori seven spanning; proteine G eterotrimeriche

15 Via dell IP3

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17 Recettori con attività catalitica

18 Recettori Tirosina Chinasi Raf (MAPKKK) èuna serina/treoninachinasi che attiva la via delle MAP Chinasi

19 Via delle MAP chinasi

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21 Nei procarioti Sistema a due componenti

22 Sistema per l osmoregolazione di E. coli

23 ORMONI DELLE PIANTE il sito di sintesi non è sempre chiaramente localizzato la dipendenza dalla concentrazione si esplica su una scala molto piùampia ogni ormone regola numerosi processi (pleiotropia) numerosi processi fisiologici sono regolati da diversi ormoni

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25 I fitormoni regolano tutti gli stadi della vita della pianta Maturazione del frutto germinazione embriogenesi dormienza fecondazionee formazionedel frutto Sviluppo del fiore crescitae ramificazione

26 CLASSI PRINCIPALI AUXINE GIBBERELLINE CITOCHININE ETILENE ACIDO ABSCISSICO BRASSINOSTEROIDI ALTRE MOLECOLE SEGNALE ACIDO JASMONICO ACIDO SALICILICO SISTEMINA POLIAMMINE

27 storici Auxin Cytokinin Gibberellin Abscisic Acid Ethylene Brassinosteroid Salicyli c Acid Strigolactone Jasmonic Acid nuovi

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29 MUTANTI BIOSINTETICI AUXINE NO GIBBERELLINE CITOCHININE NO ETILENE ABA SI SI SI

30 ON OFF ON OFF ETILENE ABA GA S ON OFF AUXINE CITOCHININE

31 L AUXINA

32 scoperta la zona di accrescimento è lontana dall apice Segnale trasmissibile

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34 nell apice del coleottileèpresente una sostanza in grado di promuovere la crescita

35 anni 30 (USA, Olanda): scoperta natura chimica auxina auxine naturali

36 auxine sintetiche

37 Auxine sintetiche utilizzate come erbicidi Auxine sintetiche meno efficaci sulle graminacee Infestanti = dicotiledoni

38 metodi dosaggio auxine metodi biologici

39 Dosaggio dell IAA:metodi fisici e chimici HPLC + spettrometriadi massa 1 pg RIA 1 ng

40 Gene reporter DR5::GUS Primordio fogliare di arabidopsis

41 BIOSINTESI IAA avviene nei tessuti in rapida divisione cellulare meristemi apicali germoglio foglie giovani frutti in via di sviluppo

42 Esistono diverse vie biosintetiche Triptofano dipendente: TAM (triptaminna) alternative IPA (A. indolpiruvico) IAN (indolacetonitrile) (brassicaceae) IAM (batteri) Triptofanoindipendente Dall Indol-3-glicerolo fosfato (IGP) (mutanti di mais orp)

43 Vie di Biosintesi dell IAA triptofano dipendenti IAN IAM (batteri patogeni) IPA TAM

44 Triptammina(TAM) A. 3-indol piruvico(ipa) sono vie alternative (comuni solo nel pomodoro)

45 via triptofano-indipendente mutanti di mais orp (orange pericarp) gene triptofano sintasi mutato Colore arancio dovuto ad un eccesso di indolo alti livelli IAA [ 15 N]antranilato [ 15 N]IAA

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47 ESISTONO DIVERSE VIE PER LA DEGRADAZIONE DELL IAA perossidasi: degradano IAA in vitro piante transgenichecon livelli alterati perossidasi: normali livelli IAA

48 Semi e organi di riserva accumulano auxine coniugate IAA myo-inositolo IAA-N-Aspartico IAA-glucani(50-70 unità glucosio) IAA-peptidi IAA-glicoproteine(nei semi di cereali)

49 TRASPORTO DELL IAA Trasporto floematico Trasporto polare unidirezionale Scoperto nei fusti delle graminacee (nei tessuti parenchimaticinon vascolari) In fusti radici e foglie (nelle altre piante nel parenchima vascolare) Richiede energia Èdiretto verso il basso ma non dipende dalla gravità (basipeto nei fusti; acropeto nelle radici) Modello chemiosmotico

50 Le radici crescono nella parte basale di fusti recisi di bambooanche se invertiti

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52 Modello chemiosmotico

53 IAA entra nella cellula sia per diffusione passiva che mediante carrier di influsso (cotrasporto con protone) AUX1 AUX 1 espresso nel tessuto vascolare delle foglie e negli apici radicali Espresso nella parte basale delle cellule del protofloema della radice;scaricamento di IAA dal floema per il trasporto acropeto verso l apice radicale. Espresso in modo apolare nella cuffia:trasporto basipeto

54 Carrierdi efflusso per la forma anionicaiaa - localizzati nella parte basale delle cellule Proteine PIN Proteine PGP Mutante pin 1

55 Le proteine PIN dirigono il flusso di IAA nella pianta

56 Le proteine PIN sono soggette a riciclo endocitotico e vengono rilocalizzate rapidamente in risposta a stimoli Alcuni inibitori del trasporto polare dell IAA interferiscono con il riciclo

57 Inibitori del trasporto dell auxina

58 La concentrazione di IAA nelle cellule è determinata da diversi fattori IAA ripartito tra citosol e cloroplasti

59 EFFETTI FISIOLOGICI

60 Sviluppo embrionale Il trasporto polare dell auxina ènecessario per lo sviluppo embrionale Auxina= morfogeno

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62 Trasporto di IAA in relazione alla formazione del meristema apicale Il meristema apicale del germoglio si forma in una zona a bassa concentrazione di auxina

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64 I primordi fogliari si formano in zone ad alta concentrazione di auxina Inibitori del trasporto di auxina applicati ad apici di pomodoro sopprimono la formazione delle foglie ma il meristema èconservato e il fusto ha crescita normale: si formano germogli a forma di spillo (pin-like)

65 Il mutante pin1 di arabidopsis ha un infiorescenza priva di foglie pin-1 Pin-1 + IAA Studi di immunolocalizzazioneproteine PIN: i primordi fogliari si formano n corrispondenza di zone ad elevata concentrazione di auxina

66 crescita per distensione C IAA

67 La fase di latenza èdi circa 10 min IAA stimola la crescita di fusti e coleottili

68 Lo stimolo è dipendente dalla [IAA] Coleottili, fusti M Radici M Crescita fino a 18 ore 5-10 volte il controllo Inibitori metabolici la arrestano La crescita è stimolata soprattutto nei tessuti esterni (epidermide) Nei fusti delle dicotiledoni o nei coleottilidelle graminacee

69 come si estendono le cellule vegetali? assorbimento osmotico H 2 O estensione parete in risposta alla pressione di turgore velocità di crescita = m(p-y) m = estensibilità parete P = pressione di turgore Y = soglia di cedevolezza l auxina aumenta l estensibiltà della parete (m)

70 CRESCITA ACIDA L IAA aumenta l estrusione protonica nell apoplasto

71 L IAA stimola l attivitào aumenta la quantitàdi H +_ ATPasi di plasmalemma

72 L AUXINA REGOLA I TROPISMI fototropismo risposte di crescita alla luce direzionale

73 fototropismo positivo ripiegamento verso la luce coleottili piccioli foglie fototropismo negativo ripiegamento verso la parte opposta radici

74 La risposta fototropica è indotta dalla luce blu Fotorecettori coinvolti: criptocromo, fototropine

75 nei coleottili il fototropismo è mediato dalla redistribuzione laterale dell auxina anni 20 Cholodny-Went la [IAA] èmaggiore nella parte non illuminata pianta Arabidopsistrasformata con il gene DR5::GUS DR5= promotore gene GH3 modulato da IAA

76 Il trasporto polare dell IAA ne determina la redistribuzione laterale Teoria di Cholodny-Went

77 Attraverso la rilocalizzazione delle proteine PIN

78 gravitropismo risposta di crescita alla gravità gravitropismo negativo gravitropismo positivo

79 il modello Cholodny-Went è applicabile anche al gravitropismo ripiegamento coleottili verso l alto trasporto polare auxina verso la parte inferiore del coleottile [ 15 N ] IAA] RIA gene reporter coleottiliprivati dell apice no gravitropismo

80 nella radice la gravità viene percepita dalla cuffia

81 La gravità viene percepita dagli statoliti amiloplasti(statoliti) presenti negli statociti (a livello della cuffia)

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83 DR5::GFP accumulo asimmetrico di auxina nella parte non in crescita

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88 ALTRI EFFETTI SULLO SVILUPPO: DOMINANZA APICALE L IAA inibisce la crescita delle gemme laterali

89 L IAA DETERMINA LA FILLOTASSI cioèil pattern di emergenza delle foglie dall asse del fusto

90 FILLOTASSI Aumenti localizzati di IAA determinano la formazione dei primordi fogliari (trasporto IAA) pin 1 pin1 + IAA

91 FORMAZIONE DI RADICI LATERALI E AVVENTIZIE IAA C Orticoltura: propagazione per talee

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93 DIFFERENZIAMENTO VASCOLARE L auxina controlla la formazione di xilema e floema Nuovo tessuto vascolare si forma al di sotto di foglie o gemme in fase di sviluppo. La rimozione della foglia previene il differenziamento del tessuto vascolare

94 DIFFERENZIAMENTO VASCOLARE (rigenerazione in seguito a ferita)

95 RITARDO DELL ABSCISSIONE FOGLIARE

96 SVILUPPO DEI FRUTTI IAA sintetizzato nel polline nell embrione e nell endosperma dei semi in via di sviluppo l accrescimento dell ovulo fecondato (fruttificazione) dipende dall auxina prodotta nei semi

97 in alcune specie possono essere prodotti frutti senza semi (PARTENOCARPIA) trattando con IAA fiori non impollinati L auxina èprodotta dall'ovulo fecondato e stimola la crescita del frutto. Lo sviluppo partenocarpicopuò essere ottenuto spruzzando il fiore con auxina, che induce l'allegagionedel frutto in assenza di fecondazione. IaaM C

98 Per costruire piante transgeniche partenocarpiche è necessario introdurre un gene che aumenti il contenuto di auxina negli ovuli. Gene iaam batterico Frutto da fiore autofecondato Frutto da fiore emasculato

99 APPLICAZIONI COMMERCIALI IAA Diserbanti Prevenzione cascola dei frutti e foglie Promozione fioritura (ananas) Radicazione di talee (propagazione vegetale) Partenocarpia

100 MECCANISMO DI AZIONE DELL AUXINA Effetti di membrana (fase iniziale crescita per distensione) Effetti genici (differenziamento e sviluppo)

101 Recettori di membrana di IAA: ABP1

102 ABP1: glicoproteina di 22 KDa localizzata prevalentemente nell ER

103 REGOLAZIONE DELL ESPRESSIONE GENICA La regolazione della trascrizione può avvenire in tempi brevi : geni precoci e geni tardivi auxina gene di risposta primaria (la cui trascrizione è indipendente da sintesi proteica) mrna mrna gene di risposta secondaria

104 5 classi principali di geni precoci la cui trascrizione è indotta da IAA 1. Proteine AUX/IAA 2. Proteine SAUR 3. Proteine GH3 4. Glutatione S-trasferasi 5. ACC sintasi

105 Le proteine AUX/IAA auxin response factors: ARF auxinresponsiveelements: TGTCTC

106 Le AUX/IAA possono formare eterodimericon le ARF inibendone la capacità di legarsi al DNA

107 In Arabidopsis: 23 ARF 28 AUX IAA La maggior parte delle AUX IAA funzionano come repressori della trascrizione di geni indotti da IAA

108 RECETTORI di IAA: TIR1 TIR1: UBIQUITINA LIGASI (E3)

109 E1= enzima attivante l ubiquitina E2= enzima coniugante l ubiquitina E3= ubiquitina-proteina ligasi

110 PROTEASOMA 26 S core 20 S lid 19 S

111 TIR1 èunaproteinaf-box partedel complesso SCF dell ubiquitina ligasi Aux/IAA TIR1 TIR1 Auxin TIR1 Auxin F-box/ TIR1 F-box/ TIR1 Complesso SCF

112 Il legamedell IAAa TIR1 determinala proteolisi delle proteine AUX/IAA Ub F-box/ TIR1 + IAA crescita ARF La degradazione dei repressori consente alle proteine ARF di regolare la trascrizione

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