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) è una serina/treonina chinasi 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 più ampia 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 fecondazione e formazione del frutto Sviluppo del fiore crescita e 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 GIBBERELLINE CITOCHININE ETILENE ABA NO NO 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 coleottile è presente 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 + spettrometria di 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) Triptofano indipendente Dall Indol-3-glicerolo fosfato (IGP) (mutanti di mais orp)

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

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

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

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

51 Le radici crescono nella parte basale di fusti recisi di bamboo anche se invertiti

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53 Modello chemiosmotico

54 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

55 PROTEINE PIN carrier di efflusso per la forma anionica IAA - localizzati asimmetricamente nelle cellule Mutante pin 1 parte basale

56 LE PROTEINE PIN SI ORIENTANO ASIMMETRICAMENTE ED IN MODI DIVERSI NELLA CELLULA PIN2 si localizza nela parte basale delle cellule del cortex ed in quella apicale delle cellule dell epidermide PIN2 funziona nella redistribuzione dell auxina nel gravitropismo della radice

57 I carrier di efflusso PIN sono codificati da una famiglia multigenica con profili di espressione cellula-specifici PIN

58 Le proteine PIN dirigono il flusso di IAA nella pianta

59 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

60 Inibitori del trasporto dell auxina

61 le proteine PIN possono essere riorientate rapidamente nellecellule stimolo gravitropico

62 La distribuzione delle proteine PIN determina la formazione di gradienti di auxina

63 EFFETTI FISIOLOGICI

64 Sviluppo embrionale Il trasporto polare dell auxina è necessario per lo sviluppo embrionale Auxina= morfogeno

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66 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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68 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 è conservato e il fusto ha crescita normale: si formano germogli a forma di spillo (pin-like)

69 Gene reporter DR5::GUS Primordio fogliare di arabidopsis

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

71 Il meristema apicale della radice si forma in una zona ad alta concentrazione di IAA

72 Trasporto di IAA nella radice Massima concentrazione di IAA nelle iniziali della columella

73 crescita per distensione C IAA

74 La fase di latenza è di circa 10 min IAA stimola la crescita di fusti e coleottili

75 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 coleottili delle graminacee

76 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)

77 CRESCITA ACIDA L IAA aumenta l estrusione protonica nell apoplasto

78 L IAA stimola l attività o aumenta la quantità di H +_ ATPasi di plasmalemma

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

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

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

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

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

84 Attraverso la rilocalizzazione delle proteine PIN

85 gravitropismo risposta di crescita alla gravità gravitropismo negativo gravitropismo positivo

86 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 coleottili privati dell apice no gravitropismo

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88 nella radice la gravità viene percepita dalla cuffia

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

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

93 le proteine PIN possono essere riorientate rapidamente nellecellule stimolo gravitropico

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

97 L IAA DETERMINA LA FILLOTASSI cioè il pattern di emergenza delle foglie dall asse del fusto

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

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

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101 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

102 DIFFERENZIAMENTO VASCOLARE (rigenerazione in seguito a ferita)

103 RITARDO DELL ABSCISSIONE FOGLIARE

104 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

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

106 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

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

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

109 Recettori di membrana di IAA: ABP1

110 ABP1: glicoproteina di 22 KDa localizzata prevalentemente nell ER

111 Crescita per distensione: L IAA stimola l attività o aumenta la quantità di H +_ ATPasi di plasmalemma

112 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

113 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

114 Le proteine AUX/IAA auxin response factors: ARF auxin responsive elements: TGTCTC

115 Le AUX/IAA possono formare eterodimeri con le ARF inibendone la capacità di legarsi al DNA

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

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

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

119 PROTEASOMA 26 S core 20 S lid 19 S

120 TIR1 è una proteina F-Box parte del complesso SCF dell ubiquitina ligasi Aux/IAA TIR1 TIR1 Auxin TIR1 Auxin F-box/ TIR1 F-box/ TIR1 Complesso SCF

121 Il legame dell IAA a TIR1 determina la proteolisi delle proteine AUX/IAA Ub F-box/ TIR1 + IAA crescita ARF Aux/IAA La degradazione dei repressori consente alle proteine ARF di regolare la trascrizione

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