Полярный транспорт ауксина — это регулируемый транспорт фитогормона ауксина в растениях. Это активный процесс, гормон транспортируется от клетки к клетке, и одной из основных особенностей транспорта является его асимметрия и направленность ( полярность ). Полярный транспорт ауксина функционирует для координации развития растений; следующее пространственное распределение ауксина лежит в основе большинства реакций роста растений на окружающую среду и изменения в росте и развитии растений в целом. Другими словами, поток и относительные концентрации ауксина информируют каждую растительную клетку о том, где она находится и, следовательно, что она должна делать или кем должна стать.
Полярный транспорт ауксина (PAT) — это направленный и активный поток молекул ауксина через ткани растения. Поток молекул ауксина через соседние клетки осуществляется переносчиками ( тип мембранного транспортного белка ) по принципу «от клетки к клетке» (от одной клетки к другой и затем к следующей), а направление потока определяется локализацией переносчиков на плазматической мембране в соответствующих клетках.
Транспорт из клетки в соседнюю достигается посредством относительно сложной комбинации нескольких подпроцессов. Для объяснения механизма, лежащего в основе уникального характера транспорта ауксина через живые клеточные файлы растения, была сформулирована так называемая хемиосмотическая модель . [1] [2] [3] [4] Механизм был впервые предложен в 1970-х годах Руберри и Шелдрейком [1] [5] , и это дальновидное [5] предсказание было окончательно доказано в 21 веке.
Приведенный ниже механизм описывает процесс, при котором ауксин захватывается в клетке так называемой кислотной ловушкой , и как затем он может покинуть клетку только благодаря активности специфических переносчиков, которые контролируют направленность потока из клеток и в целом направление транспорта ауксина по всему организму растения.
Поскольку ауксины являются слабыми кислотами, их протонированное состояние определяется pH среды; сильнокислая среда ингибирует прямую реакцию ( диссоциацию ), тогда как щелочная среда сильно способствует ей (см. уравнение Гендерсона-Гассельбаха ):
Экспорт ауксинов из клеток называется оттоком ауксина , а поступление ауксина в клетки называется притоком ауксина . Первым шагом в полярном транспорте является приток ауксина. Ауксин проникает в клетки растений двумя способами: во-первых, путем пассивной диффузии в виде неионизированной протонированной индолил-3-уксусной кислоты (IAAH) через фосфолипидный бислой , или, во-вторых, путем активного совместного транспорта в анионной форме IAA − . Поскольку IAAH является липофильным, он может легко пересекать липидный бислой.
IAAH⇌ , где = индол-3-уксусная кислота; = ее сопряженное основаниеIAA− + H+IAAHIAA−Внутренняя часть клеток (pH ~ 7) менее кислая, чем внешняя ( апопласт ; pH ~ 5,5). Таким образом, вне клетки значительная часть (17%) [4] молекул ИУК остается недиссоциированной ( связанной с протонами). Эта часть молекул ауксина имеет нейтральный заряд и, следовательно, способна диффундировать через липофильный липидный бислой (липидный бислой, являющийся составной частью клеточной мембраны ) в клетки . [4] Пройдя через бислой в клетке, молекулы подвергаются воздействию более основного pH внутренней части клетки, и там они почти полностью диссоциируют, [4] образуя анионную ИУК − . Эти химически полярные ионы не способны пассивно диффундировать через клеточную мембрану и остаются запертыми внутри клетки. [4]
Попав внутрь клетки, ауксин не может покинуть ее самостоятельно, пересекая липидный бислой. Следовательно, экспорт ауксина из клетки требует активного транспортного компонента в плазматической мембране , то есть некоторого белка мембранного транспорта . Два семейства белков: транспортеры PIN-белков и ABCB ( белки PGP ) функционируют как « переносчики оттока ауксина » и транспортируют анионную форму ауксина из клетки. В то время как переносчики оттока ауксина PGP распределены равномерно, белки PIN обычно сохраняют полярную (то есть асимметричную) локализацию на плазматической мембране. То есть они больше всего сконцентрированы на одной стороне клетки. Более того, асимметричная локализация белков PIN координируется между соседними клетками. В результате белки PIN генерируют направленный поток ауксина в масштабе ткани и органа. Этот поток, генерируемый PIN, называется полярным транспортом ауксина. Например, клетки, расположенные в сосудистой системе (в центре) корня, все показывают белки PIN1 только на своей базальной мембране (т.е. на нижней стороне). В результате в сосудистой системе корня ауксин транспортируется направленно от побега к кончику корня (т.е. вниз).
Ауксин играет центральную роль в установлении полярности белка PIN. Регулирование локализации PIN ауксином создает петлю обратной связи , в которой белки PIN контролируют направленность потоков ауксина, а ауксин, в свою очередь, контролирует локализацию белков PIN. Эти взаимодействия между ауксином и его собственными транспортерами придают системе самоорганизующиеся свойства, что объясняет, например, филлотаксис (регулярное и геометрическое расположение боковых органов вдоль стебля), образование зубцов листьев и образование сосудистых тяжей. Эта положительная обратная регуляция ауксина на его собственном транспорте также играет существенную роль в развитии сосудов, этот процесс называется канализацией.
PIN-белки так названы, потому что мутантные растения, у которых отсутствует член-основатель этого семейства, PIN1, не могут развивать цветки . Формирование цветков запускается регулярно расположенным локальным накоплением ауксина на поверхности апикальной меристемы побега , и для этого требуется PIN1. В результате растения-мутанты pin1 производят «булавкообразные» соцветия, состоящие только из голого стебля. Это подчеркивает важность полярного транспорта ауксина в развитии растений.
Другие внешние и внутренние сигналы (например, синий свет, механическое напряжение, гравитация или цитокинины ) могут влиять на полярность белка PIN и, следовательно, на направленность полярного транспорта ауксина. Поскольку ауксин контролирует деление и удлинение клеток, изменение локализации белков PIN и последующее изменение распределения ауксина часто приводят к изменению характера роста.
Например, регуляция полярного транспорта ауксина является центральной в таком процессе, как гравитропизм . Этот процесс, который обеспечивает рост корня вниз, зависит от перераспределения ауксина клетками колумеллы (клетки, расположенные на самом кончике корня). Эти клетки реагируют на гравитацию с помощью специальных органелл, статолитов , которые перераспределяют ауксин из сосудистой системы в эпидермис корня и боковой корневой чехлик . Эти ткани (которые образуют внешние клеточные слои корня) транспортируют ауксин обратно в зону удлинения, где он регулирует удлинение клеток. Когда гравитационный градиент не совпадает с осью клеток колумеллы (потому что корень не вертикальный), белки PIN перемещаются в сторону клеточной мембраны, которая гравитационно ниже всего. Это заставляет больше ауксина течь в нижнюю сторону корня. Попав в зону удлинения, дополнительный ауксин подавляет удлинение клеток и заставляет корень переориентироваться вниз.
Похожие механизмы встречаются и в других тропических реакциях, таких как фототропизм . [6] Механизмы были впервые описаны моделью Холодного-Вента , предложенной в 1920-х годах Н. Холодным и Фрицем Вармолтом Вентом . [7]
Полярный транспорт ауксина необходим для создания градиентов ауксина по всему телу растения. [5] [8] Эти градиенты имеют значение для развития, сходное с градиентами морфогенов в телах животных. Они необходимы для развития, роста и реакции любого органа растения [8] (например, семядоли , листья , корни , цветы или плоды ) и реакции растения на стимулы окружающей среды, известные как тропизмы . [6]
Хотя детальный молекулярный механизм установления полярности белков PIN еще предстоит выяснить, были охарактеризованы многие эндогенные и экзогенные регуляторы локализации белков PIN.
Самое важное, что локализация белков PIN на плазматической мембране контролируется ауксином. Несколько математических моделей, делающих различные предположения о том, как ауксин влияет на локализацию PIN, объясняют различные наблюдения. Некоторые модели предполагают, что белки PIN поляризуются в направлении соседней клетки, содержащей самую высокую концентрацию цитозольного ауксина. Эти модели называются моделями «вверх по градиенту» и объясняют, например, филлотаксис. Другие модели предполагают, что белки PIN локализуются на той стороне клетки, где отток ауксина самый высокий. Эти модели называются моделями «с потоком» и объясняют образование сосудистых тяжей в листьях.
Молекулярный механизм, отвечающий за эти различные поведения системы (с потоком и вверх по градиенту), пока не полностью изучен. Примечательно, что белок рецептора ауксина, называемый ABP1, как полагают, играет потенциально важную роль в контроле полярности белков PIN ауксином.
Для регулирования полярности ПИН-кода были предложены механические сигналы.
Было показано, что асимметричная локализация белка-переносчика оттока PIN на плазматической мембране связана с локализованным нацеливанием везикул и локальной регуляцией эндоцитоза. В последнем участвует актиновый цитоскелет .
В исследованиях в качестве специфических ингибиторов оттока ауксина используются 1-N-нафтилфталамовая кислота (NPA) и 2,3,5-трийодобензойная кислота (TIBA). [9]
Кверцетин ( флавонол ) и генистеин являются естественными ингибиторами транспорта ауксина. [9]
9-Гидроксифлуорен-9-карбоновая кислота (HFCA), TIBA и транскоричная кислота (TCA) также являются примерами полярных ингибиторов транспорта ауксина. Они предотвращают развитие двустороннего роста зародыша растения на стадии шаровидной формы. Все 3 ингибитора вызывают образование сросшихся семядолей в зародыше шаровидной формы, но не в форме сердца. [ необходима цитата ]
Полярный транспорт ауксина может регулироваться обратимым фосфорилированием белка ; протеинкиназы и протеинфосфатазы опосредуют фосфорилирование и дефосфорилирование соответственно. Исследование предполагает, что ингибирование фосфатазы может изменять активность акропетального и базипетального транспорта ауксина. За десятилетия исследований было обнаружено, что несколько киназ фосфорилируют белки PIN, включая PINOID, D6PK, PAX, MPK6 и CRK5; и фосфорилированные белки PIN могут быть противоположно дефосфорилированы протеинфосфатазой 2A (PP2A), протеинфосфатазой 1 (PP1) и PP6. Семейство киназ AGC играет важную роль в катализе фосфорилирования PIN и в регуляции функции PIN. 3'-фосфоинозитидзависимая протеинкиназа 1 (PDK1), также из семейства AGC, является критическим активатором киназ AGC и, таким образом, также участвует в регуляции PIN-опосредованного транспорта ауксина. [10] [11] PINOID и D6PK разделяют по крайней мере три фосфосайта (P-сайта) в цитоплазматической петле (также называемой гидрофильной петлей) длинных белков PIN, но их функции не все одинаковы. обе из двух киназ могут увеличивать активность PIN посредством фосфорилирования. Однако PINOID (неполярное)-опосредованное фосфорилирование также определяет апикально-базальное полярное нацеливание белков PIN, т. е. больше фосфорилирования, больше апикального. D6PK и его гомологи локализуются на базальной стороне плазматической мембраны, модулируя потоки ауксина в направлении корней и последующие процессы развития.
