BV581 - Fisiologia Vegetal Básica - Desenvolvimento Aula 2: Hormônios Vegetais: Auxinas (Parte I) Prof. Marcelo C. Dornelas Hormônios Vegetais Hormônios vegetais são substâncias orgânicas, produzidas pela própria planta, que regulam o desenvolvimento vegetal. Os hormônios vegetais encontram-se no corpo da planta em baixas concentrações (geralmente abaixo de 1micromolar). O efeito dos hormônios é dose-dependente e concentrações diferentes de um mesmo hormônio podem ter efeitos contrários em um mesmo tecido ou órgão. Da mesma forma, os diversos tecidos e órgãos de uma mesma planta respondem de forma diferente a uma mesma concentração de um dado hormônio. Os hormônios são produzidos por diversos órgãos vegetais (o órgão responsável pela maioria da produção varia de hormônio para hormônio), mas geralmente são transportados para outras partes da planta onde exercerão seus efeitos. Existem 5 principais grupos de hormônios vegetais: - Auxinas -Citocininas -Giberelinas - Etileno - Ácido Abscísico Outros hormônios vegetais foram descobertos, tais como brassinosteróides e jasmonatos, mas seu metabolismo e modo de ação ainda são pouco estudados, se comparados aos hormônios principais citados acima. AUXINAS Histórico A auxina foi descoberta como sendo a substância responsável pelo crescimento diferencial de coleóptilos de aveia durante o processo de fototropismo. O fenômeno de fototropismo dos coleóptilos de aveia foi estudado em detalhes por Charles Darwin e um de seus filhos (1880), bem como por Boysen-Jensen (1913), mas o nome auxina foi cunhado pelo pesquisador Holandês naturalizado americano Fritz Warmolt Went, embora ele mesmo
ainda não soubesse a natureza química desta substância. Foi o pesquisador americano K.V. Thimann, na década de 1930 que identificou o ácido indol-3- acético (AIA) como a primeira molécula natural com ação de auxina a ser descrita. Outras auxinas naturais como o IBA e o ácido cloroindol-3-acético foram posteriormente descritas. Durante a década de 1960 várias auxinas sintéticas já eram produzidas, tais como o NAA (ácido 1-naftaleno acético) e o Dicamba (ácido 3,6 dicloro-2-metoxi benzóico). Os Estados Unidos utilizaram uma mistura de 2,4-D e 2,4,5-T (duas auxinas sintéticas) como um herbicida desfolhante conhecido como agente laranja durante a Guerra do Vietnã. Biossíntese e metabolismo de auxinas A principal via de síntese de auxinas inicia-se em uma molécula de triptofano, apesar de existirem vias de síntese independentes do triptofano. A via que utiliza iaam e hidrolases existe apenas em bactérias. A principal via de síntese de auxinas em plantas tem a participação de flavina-monoxigenases produzidas pelos genes da família YUCCA. Via biossintética do AIA (em plantas e bactérias) YUCCA TRIPTOFANO É geralmente a molécula de origem iaam hidrolase Esta via APENAS em bactérias O aumento da expressão de genes YUCCA em plantas transgênicas induz o aumento da síntese de auxinas. Mutantes dos genes YUCCA praticamente não possuem fenótipo, a menos que sejam combinados entre si, indicando que a atividade destes genes é redundante. A repressão simultânea de pelo menos 4 genes YUCCA causa a má-formação de todas as partes da planta e é letal. Existem 11 genes YUCCA descritos em Arabidopsis e a expressão destes é parcialmente sobreposta. Os genes YUCCA são expressos principalmente no meristema apical caulinar e em primórdios de folhas jovens, indicando que estas são as principais regiões de síntese de auxinas
nas plantas. Auxinas ainda são sintetizadas por sementes e frutos em desenvolvimento. As auxinas naturais existem na planta sob a forma ativa, mas também sob a forma conjugada. A conjugação é o mecanismo pelo qual a planta controla o equilíbrio das concentrações internas de auxinas. A conjugação pode ser reversível quando as auxinas são conjugadas à moléculas de alto peso molecular como peptídeos, glucanos e glicoproteínas. A conjugação reversível é uma forma de a célula estocar auxina para uso posterior. A conjugação é irreversível quando as auxinas são associadas à moléculas de baixo peso molecular como amidas, ésteres, metilas, inositol, etc. A auxina conjugada a uma molécula de baixo peso molecular é uma forma intermediária do processo de degradação. Transporte polar de auxinas Apesar de serem produzidas principalmente pelo meristema apical caulinar e primórdios de folhas, as auxinas são transportadas para outras partes da planta onde não são sintetizadas como, por exemplo, para as raízes. O transporte polar de auxinas obedece ao Modelo Quimiosmótico que sofreu algumas modificações para incorporar o papel das proteínas PIN, descobertas no início dos anos 2000. Transporte polar de auxinas Modelo Quimiosmótico: Permease AUX1 Ápice da planta Membrana plasmática Influxo: - Passivo - mediado por permeases AUX1 Efluxo: - Mediado por proteínas PIN localizadas de forma POLAR Vacúolo Base da planta Parede celular Citosol AUX1 PIN O modelo prevê que as auxinas entram na célula de forma semipassiva, devido ao influxo causado pela diferença de potencial de acidez (ph) entre a parede (relativamente mais ácida) e o interior do citosol (relativamente mais básico). Este influxo é facilitado por permeases, produtos dos genes AUX. A auxina ionizada presente no interior da célula precisa ser carreada para fora da célula, já que o efluxo precisa envolver gasto de energia pois funciona
contra o potencial de acidez da célula. Este transporte ativo que causa o efluxo de auxina é realizado por proteínas transmembranares da família PIN. Estas proteínas estão geralmente localizadas de forma polarizada (na base ou no ápice) das células e, portanto, geram um transporte polar, ou um fluxo polarizado de auxina no corpo da planta. No interior do caule, as proteínas PIN1 estão localizadas basalmente nas células do parênquima do sistema vascular, induzindo um fluxo basípeto (ou basipetalar, ou seja, em direção à base da planta). Na porção terminal da raiz, as proteínas PIN3 e PIN4 redirecionam o fluxo de auxina vindo da parte aérea para as regiões periféricas, onde as proteínas PIN2, localizadas na porção apical das células, transportam auxina acropetalarmente (ou seja, em direção à parte aérea da planta). Este fluxo polar de auxina serve de informação posicional para todas as células e induz o crescimento da raiz. Assim, a auxina produzida pelo meristema apical é transportada pelo interior da planta em direção à raiz e, posteriormente, transportada de volta ao ápice caulinar pela periferia (tecidos epidérmicos e subepidérmicos). A polaridade da proteína PIN1 é dinâmica em células do meristema apical caulinar. Ou seja, a proteína é realocada polarmente dentro da célula, modificando o fluxo de auxina dentro do meristema caulinar ao longo do tempo. O pico de concentração (ou maximum, plural=maxima) de auxina no meristema apical caulinar, portanto, varia com o tempo e coincide com a indução da formação de novos primórdios pelo meristema. Pico de concentração de auxina Smith R. S. et.al. PNAS 2006;103:1301-1306 Com o crescimento do primórdio produzido pelo meristema apical caulinar, o fluxo de auxina é revertido para a posição correspondente ao pico de menor concentração (ou minimum, plural=minima). Esta oscilação do fluxo de auxina de um maximum para um minimun que o transforma novamente em
um novo maximum, gera o padrão de filotaxia do meristema apical caulinar. Como o meristema possui grosseiramente a forma de uma semi-esfera, os maxima e minima (ou seja, os sítios de formação do primórdio atual e o sítio de formação do próximo primórdio) estão sempre a um ângulo de 137,5 graus entre um e outro, o que gera o padrão de filotaxia espiralado, o mais comum em plantas superiores. A geração de outros padrões filotácticos (como de folhas opostas, verticiladas, alternadas, etc) implica em formatos diferentes do meristema apical caulinar (e.g. algumas plantas com folhas opostas possuem domo meristemático ovalado) ou taxas de transporte de auxina alteradas. Padrão do transporte polar de auxina pelas proteínas PIN em diferentes tecidos Proteínas PIN geram um fluxo de auxina que percorre todo o corpo da planta! Klaartje van Berkel et al. Development 2013;140:2253-2268 No sentido BASÍPETO pelo INTERIOR e ACROPÉTALO pela PERIFERIA da planta!!! Após a indução do primórdio, a auxina acumulada na porção terminal do mesmo é canalizada para o interior do primórdio e é transportada de volta ao interior da planta, induzindo a diferenciação de tecido provascular. Assim, o transporte polar de auxina não apenas é o sinal responsável pela indução da formação do primórdio, mas também é o sinal para a diferenciação vascular (e.g. para a formação das nervuras das folhas) e para a conexão vascular do órgão recém-formado com a vascularização pré-existente do caule.
Depois da iniciação dos primórdios, a distribuição de PIN1 modifica-se, direcionando o fluxo de auxina para o desenvolvimento da nervura central das folhas I 1 P 1 I 1 P 1 I 1 P 1 Poethig, R.S. and Sussex,I.M. (1985) The developmental morphology and growth dynamics of the tobacco leaf. Planta 165: 158-169. Reinhardt D., Pesce, E. -R., Stieger, P., Mandel, T., Baltensperger, K., Bennett, M., Trass, J., Friml, J., Kuhlemeier, C. Regulation of phyllotaxis by polar auxin transport. Nature 426, 255-260; (2003). Algumas moléculas sintéticas como o TIBA (ácido 2,3,5 Triiodobenzóico) e o NPA (ácido N-1-naftil-ftalâmico) agem como inibidores do transporte polar de auxinas. Quando uma solução destas substâncias é pulverizada nas plantas, a formação de novos primórdios é inibida.