Ada dua Tempat Pools Subselular IAA: Sitosol dan Kloroplas Pengangkutan Auksin

J. Ada dua Tempat Pools Subselular IAA: Sitosol dan Kloroplas

Distribusi IAA dalam sel tampaknya diatur terutama oleh pH. Karena IAA- tidak melintasi membran tanpa bantuan, sedangkan IAAH mudah berdifusi melintasi membran,auksin cenderung terakumulasi dalam kompartemen lebih basa dari sel. Distribusi IAA dan metabolitnya telah dipelajari dalam sel tembakau. Sekitar sepertiga dari IAA ditemukan dalam kloroplas, dan sisanya terletak di sitosol. IAA konjugat berlokasi secara eksklusif dalam sitosol. IAA dalam sitosol dimetabolisme baik oleh konjugasi atau katabolisme nondecarboxylative lihat Gambar 19.10. IAA dalam kloroplas dilindungi dari proses ini, tetapi diatur oleh jumlah IAA dalam sitosol, yang mana berada dalam ekuilibrium Sitbon et al. 1993. Faktor-faktor yang mengatur konsentrasi steady-state auksin bebas dalam sel tanaman diagram diringkas dalam Web Topik 19,5. GAMBAR 19.10 Biodegradasi IAA. A peroksidase rute jalur dekarboksilasi memainkan peran yang relatif kecil. B Rute nondecarboxylation dua IAA oksidasi degradasi tive, A dan B, adalah jalur metabolik yang paling umum. Auksin: Hormon Pertumbuhan 16 A Decarboxylation: A minor pathway

K. Pengangkutan Auksin

Sumbu utama tunas dan akar, bersama dengan cabang-cabang mereka, menunjukkan polaritas struktural puncak-dasar, dan polaritas struktural ini berawal pada polaritas transportasi auksin. Segera setelah Pergi mengembangkan tes kelengkungan koleoptil untuk auksin, ditemukan bahwa IAA bergerak terutama dari apikal ke basal akhir basipetally di bagian koleoptil dipotong oat. Jenis transportasi searah disebut transportasi kutub. Auksin adalah satu-satunya hormon pertumbuhan tanaman yang dikenal untuk diangkut polarly. Karena apeks pucuk berfungsi sebagai sumber utama auksin untuk seluruh tanaman, transportasi kutub telah lama diyakini menjadi penyebab utama dari gradien auksin membentang dari ujung akar ke ujung akar. The memanjang gradien auksin dari tunas ke akar mempengaruhi berbagai proses perkembangan, termasuk pemanjangan batang, dominasi apikal, penyembuhan luka, dan penuaan daun. Baru-baru ini telah diakui bahwa sejumlah besar auksin transportasi juga terjadi pada floem, dan floem mungkin adalah rute utama dimana auksin diangkut acropetally yaitu, menuju ujung di root. Dengan demikian, lebih dari satu jalur bertanggung jawab untuk distribusi auksin di tanaman.

1. Transportasi kutub Membutuhkan Energi dan bebas dari Gravitasi

Untuk mempelajari transportasi kutub, para peneliti telah menggunakan metode blok agar donor-penerima Gambar 19.11: Sebuah blok agar yang mengandung radioisotop-berlabel auksin blok donor ditempatkan pada salah satu ujung segmen jaringan, dan blok penerima ditempatkan pada ujung lainnya. Pergerakan auksin melalui jaringan ke blok penerima dapat ditentukan dari waktu ke waktu dengan pengukuran radioaktivitas di blok penerima. Dari banyak studi tersebut, sifat-sifat umum transportasi IAA kutub telah muncul. Jaringan berbeda dalam derajat polaritas transportasi IAA. Dalam coleoptiles, batang vegetatif, dan tangkai daun, transportasi basipetal mendominasi. Transportasi kutub tidak terpengaruh oleh orientasi jaringan setidaknya selama periode waktu yang singkat, sehingga tidak tergantung pada gravitasi. Sebuah demonstrasi sederhana dari kurangnya efek gravitasi pada transportasi polar ditunjukkan pada Gambar 19.12. Ketika stek batang dalam hal ini bambu yang ditempatkan dalam ruang lembab, akar adventif selalu terbentuk pada akhir basal dari stek, bahkan ketika stek yang terbalik. Karena diferensiasi akar dirangsang oleh Auksin: Hormon Pertumbuhan 17 peningkatan konsentrasi auksin, auksin harus diangkut basipetally di batang bahkan ketika pemotongan yang berorientasi terbalik. Hasil transportasi kutub secara sel-sel, daripada melalui symplast tersebut. Artinya, auksin keluar sel melalui membran plasma, berdifusi melintasi kompleks tengah lamella, dan memasuki sel bawah melalui membran plasma. Hilangnya auksin dari sel disebut auksin penghabisan, masuknya auksin ke dalam sel disebut auksin serapan atau masuknya. Proses keseluruhan membutuhkan energi metabolik, sebagaimana dibuktikan oleh sensitivitas transportasi kutub ke O2 kekurangan dan inhibitor metabolik. Kecepatan transportasi auksin polar adalah 5 sampai 20 cm h-1-lebih cepat dari laju difusi lihat Web Topik 3.2, tapi lebih lambat daripada tingkat translokasi floem lihat Bab 10. Transportasi kutub juga spesifik untuk auksin aktif, baik alam dan sintetis. Baik analog auksin tidak aktif atau metabolit auksin diangkut polarly, menunjukkan bahwa transportasi kutub melibatkan operator protein spesifik pada membran plasma yang dapat mengenali hormon dan analog aktif. Tempat utama basipetal transportasi auksin kutub di batang dan daun adalah jaringan parenkim pembuluh angkut. Coleoptiles tampaknya menjadi pengecualian dalam transportasi kutub basipetal terjadi terutama di jaringan nonvascular. Transportasi kutub Acropetal di root secara khusus terkait dengan xilem parenkim dari prasasti Palme dan Galweiler 1999. Namun, seperti yang akan kita lihat nanti dalam bab ini, sebagian besar auksin yang mencapai ujung akar translokasi melalui floem. Sejumlah kecil transportasi auksin basipetal dari ujung akar juga telah ditunjukkan. Pada akar jagung, misalnya, radiolabeled IAA diterapkan pada ujung akar diangkut basipetally sekitar 2 sampai 8 mm Young dan Evans 1996. Transportasi auksin Basipetal di root terjadi dalam jaringan epidermis dan korteks, dan seperti akan kita lihat, memainkan peran sentral dalam gravitropism. Auksin: Hormon Pertumbuhan 18 GAMBAR 19.11 Metode standar untuk mengukur transportasi auksin polar. Polaritas transportasi adalah independen dari orientasi terhadap gravitasi. GAMBAR 19,12 Akar tumbuh dari ujung basal dari bagian bambu, bahkan ketika mereka terbalik. Bentuk akar di ujung basal karena transportasi auksin polar sekali di dalam jerami adalah independen dari gravitasi. Foto © M. B. Wilkins.

2. Model Kemiosmotik Telah Diajukan untuk Jelaskan Transportasi Kutub

Auksin: Hormon Pertumbuhan 19 Penemuan mekanisme kemiosmotik transportasi zat terlarut pada akhir tahun 1960 lihat Bab 6 menyebabkan penerapan model ini untuk transportasi auksin polar. Menurut model kemiosmotik sekarang berlaku umum untuk transportasi auksin polar, auksin serapan didorong oleh proton kekuatan motif AE + APH melintasi membran plasma, sedangkan auksin penghabisan didorong oleh potensial membran, AE. Kekuatan motif Proton dijelaskan secara lebih rinci dalam Web 6.3 dan Topik Bab 7. Sebuah fitur penting dari model transportasi kutub adalah bahwa auksin penghabisan pembawa dilokalisasi di ujung basal sel melakukan Gambar 19.13. Bukti untuk setiap langkah dalam model ini dianggap terpisah dalam pembahasan berikut ini. GAMBAR 19.13 The kemiosmotik model untuk transportasi auksin polar. Ditampilkan di sini adalah salah satu sel dalam kolom sel-auksin mengangkut. Dari Jacobs dan Gilbert 1983. Auksin: Hormon Pertumbuhan 20 Masuknya Auksin . Langkah pertama dalam transportasi kutub adalah auksin masuknya. Menurut model, auksin dapat memasuki sel-sel tumbuhan dari segala arah oleh salah satu dari dua mekanisme: 1. Difusi pasif dari terprotonasi IAAH bentuk di seluruh lapisan ganda fosfolipid 2. Transpor aktif sekunder dipisahkan IAA- bentuk melalui 2H +-IAA-symporter Ganda jalur auksin serapan muncul karena permeabilitas membran pasif untuk auksin sangat tergantung pada pH apoplastic. Bentuk terdisosiasi asam indol-3-asetat, di mana kelompok karboksil terprotonasi, adalah lipofilik dan mudah berdifusi melintasi membran lipid bilayer. Sebaliknya, bentuk dipisahkan dari auksin bermuatan negatif dan karena itu tidak melintasi membran tanpa bantuan. Karena membran plasma H +-ATPase biasanya mempertahankan solusi dinding sel pada sekitar pH 5, sekitar setengah dari auksin pKa = 4,75 di apoplast akan dalam bentuk terdisosiasi dan akan berdifusi pasif melintasi membran plasma menuruni gradien konsentrasi. Dukungan eksperimental untuk tergantung pH, serapan auksin pasif pertama kali diberikan oleh demonstrasi yang IAA serapan oleh sel tanaman meningkat sebagai pH ekstraselular diturunkan dari netral ke nilai lebih asam. Sebuah carrier-mediated, mekanisme serapan aktif sekunder terbukti saturable dan spesifik untuk auksin aktif Lomax 1986. Dalam percobaan di mana APH dan nilai-nilai AE terisolasi membran vesikel dari zucchini Cucurbita pepo hipokotil dimanipulasi artifisial, penyerapan auksin radiolabeled terbukti dirangsang dengan adanya gradien pH, seperti pada serapan pasif, tetapi juga ketika bagian dalam vesikel tersebut bermuatan negatif relatif terhadap luar. Ini dan lainnya percobaan menyarankan bahwa H +-IAA-symporter cotransports dua proton bersama dengan anion auksin. Ini transpor aktif sekunder auksin memungkinkan untuk akumulasi auksin lebih besar daripada difusi sederhana tidak karena didorong melintasi membran oleh kekuatan motif proton. Sebuah permease-jenis auksin pembawa serapan, AUX1, terkait dengan bakteri pembawa asam amino, telah diidentifikasi dalam akar Arabidopsis Bennett et al. 1996. Akar aux1 mutan agravitropic, menunjukkan bahwa auksin masuknya adalah faktor pembatas untuk gravitropism di akar. Seperti yang diperkirakan oleh model kemiosmotik, AUX1 tampaknya merata di sekitar sel dalam jalur transportasi kutub Marchant et al. 1999. Jadi secara umum, polaritas transportasi auksin diatur oleh langkah penghabisan daripada langkah masuknya. Auksin: Hormon Pertumbuhan 21 Auksin penghabisan. Setelah IAA memasuki sitosol, yang memiliki pH sekitar 7,2, hampir semua itu akan memisahkan ke bentuk anionik. Karena membran kurang permeabel terhadap IAA-daripada IAAH, IAA-akan cenderung menumpuk dalam sitosol. Namun, banyak dari auksin yang memasuki sel lolos melalui anion pembawa penghabisan auksin. Menurut model kemiosmotik, transportasi IAA-keluar dari sel didorong oleh bagian dalam potensial membran negatif. Seperti disebutkan sebelumnya, ciri utama dari model kemiosmotik untuk transportasi kutub adalah bahwa IAA-penghabisan berlangsung istimewa pada akhir basal setiap sel. Pengulangan auksin serapan pada akhir apikal pelepasan sel dan preferensial dari dasar setiap sel dalam jalur menimbulkan total efek transportasi kutub. Sebuah keluarga diduga auksin pembawa penghabisan dikenal sebagai protein PIN dinamai perbungaan pin berbentuk dibentuk oleh mutan pin1 dari Arabidopsis, Gambar 19.14A terlokalisasi tepat seperti model akan memprediksi-yaitu, pada ujung basal melakukan sel lihat Gambar 19.14B. GAMBAR 19.14 The pin1 mutan Arabidopsis A dan lokalisasi protein PIN1 pada ujung basal melakukan sel dengan mikroskop immunofluorescence B. Courtesy of L. Galweiler dan K. Palme. Auksin: Hormon Pertumbuhan 22 Protein PIN memiliki 10 sampai 12 transmembran daerah karakteristik dari superfamili utama bakteri dan eukariotik transporter, yang meliputi protein resistensi obat dan gula transporter Gambar 19.15. Meskipun kesamaan topologi untuk transporter lain, studi terbaru menunjukkan bahwa PIN mungkin memerlukan protein lain untuk kegiatan, dan dapat menjadi bagian dari kompleks protein yang lebih besar. GAMBAR 19.15 Topologi dari PIN1 protein dengan sepuluh segmen transmembran dan loop hidrofilik besar di tengah. Setelah Palme dan Galweiler 1999.

3. Inhibitor Auksin Transportasi Blok Auxin penghabisan

Beberapa senyawa telah disintesis yang dapat bertindak sebagai auksin inhibitor transport ATIS, termasuk NPA 1-Nnaphthylphthalamic asam dan TIBA asam 2,3,5-Triiodobenzoic Gambar 19.16. Inhibitor ini memblokir transportasi kutub dengan mencegah auksin penghabisan. Kita dapat menunjukkan fenomena ini dengan memasukkan NPA atau TIBA menjadi baik donor atau blok penerima dalam percobaan transportasi auksin. Kedua senyawa menghambat auksin penghabisan ke blok penerima, tetapi mereka tidak mempengaruhi penyerapan auksin dari blok donor. Beberapa ATIS, seperti TIBA, yang memiliki aktivitas auksin lemah dan diangkut polarly, dapat menghambat transportasi kutub sebagian oleh bersaing dengan auksin untuk situs mengikat pada operator penghabisan. Lainnya, seperti NPA, tidak diangkut polarly dan diyakini mengganggu transportasi auksin dengan mengikat protein yang terkait dalam kompleks dengan pembawa penghabisan. NPA protein mengikat seperti ini juga ditemukan di ujung basal sel melakukan, konsisten dengan lokalisasi protein PIN Jacobs dan Gilbert 1983. Baru kelas lain dari ATIS telah diidentifikasi yang menghambat serapan pembawa AUX1 Parry et al. 2001. Sebagai contoh, asam 1-naphthoxyacetic 1- Auksin: Hormon Pertumbuhan 23 KKP lihat Gambar 19.16 blok auksin penyerapan ke dalam sel, dan ketika diterapkan pada tanaman Arabidopsis menyebabkan akar agravitropism mirip dengan yang ada pada aux1 mutan. Seperti aux1 mutasi, baik 1NOA maupun dari inhibitor AUX1-spesifik lainnya memblokir transportasi auksin polar. Gambar 19.16 Struktur auksin transportasi penghambat

4. Protein PIN Cepat berputar menuju dan dari Plasma Membran

Lokalisasi dasar auksin penghabisan pembawa melibatkan ditargetkan sekresi vesikel ke ujung basal sel melakukan. Baru-baru ini telah menunjukkan bahwa protein PIN, meskipun stabil, tidak tetap pada membran plasma secara permanen, tetapi cepat bersepeda ke sebuah ruang endosom tak dikenal melalui vesikel endocytotic, dan kemudian didaur ulang kembali ke membran plasma Geldner et al. 2001. Sebelum perlakuan, protein PIN1 terlokalisir di ujung basal atas akar sel parenkim korteks Gambar 19.17A. Pengobatan bibit Arabidopsis dengan brefeldin A BFA, yang menyebabkan vesikel Golgi dan kompartemen endosomal lainnya untuk agregat di dekat inti, menyebabkan PIN menumpuk dalam kompartemen intraseluler yang abnormal lihat Gambar 19.17B. Ketika BFA tersebut dicuci dengan penyangga, lokalisasi yang normal pada membran plasma di dasar sel dipulihkan Auksin: Hormon Pertumbuhan 24 lihat Gambar 19.17C. Tapi ketika cytochalasin D, penghambat polimerisasi aktin, termasuk dalam larutan buffer washout, relocalization normal PIN ke membran plasma dicegah lihat Gambar 19.17D. Hasil ini menunjukkan PIN yang cepat bersepeda antara membran plasma di dasar sel dan endosomal kompartemen tak dikenal dengan mekanisme aktin-dependen. Meskipun mereka mengikat target yang berbeda, baik TIBA dan NPA mengganggu lalu lintas vesikel ke dan dari membran plasma. Cara terbaik untuk menunjukkan fenomena ini adalah untuk menyertakan TIBA dalam larutan washout setelah perawatan BFA. Dengan kondisi tersebut, TIBA mencegah relocalization normal PIN pada membran plasma setelah pengobatan washout lihat Gambar 19.17E Geldner et al. 2001. Efek dari TIBA dan NPA berputar tidak spesifik untuk protein PIN, dan telah diusulkan bahwa ATIS dapat benar-benar mewakili inhibitor umum membran bersepeda Geldner et al. 2001. Di sisi lain, baik TIBA atau NPA saja menyebabkan delokalisasi PIN, meskipun mereka memblokir auksin penghabisan. Oleh karena itu, TIBA dan NPA juga harus mampu secara langsung menghambat aktivitas transportasi kompleks PIN pada membran plasma-dengan mengikat baik ke PIN sebagai TIBA tidak atau untuk satu atau lebih protein regulasi seperti NPA tidak. GAMBAR 19,17 Auksin transportasi inhibitor sekresi blok auksin penghabisan pembawa PIN1 ke membran plasma. A Kontrol, menunjukkan lokalisasi asimetris PIN1. B Setelah pengobatan dengan brefeldin A BFA. C Menyusul penghanyutan dua jam tambahan BFA. D Setelah BFA Auksin: Hormon Pertumbuhan 25 washout dengan cytochalasin D. E Setelah penghanyutan BFA dengan auksin transportasi inhibitor TIBA. Foto courtesy of Klaus Palme 1999. Sebuah disederhanakan model efek TIBA dan NPA di PIN bersepeda dan auksin penghabisan ditunjukkan pada Gambar 19.18. Sebuah model yang lebih lengkap yang menggabungkan banyak temuan baru-baru ini disajikan di Web Essay 19.2. GAMBAR 19.18 aktin tergantung bersepeda PIN antara membran plasma dan sebuah ruang endosom. Auksin transportasi penghambat TIBA dan NPA baik mengganggu relocalization dari PIN1 protein untuk membran plasma basal setelah BFA washout lihat Gambar 19.17. Hal ini menunjukkan bahwa kedua penghambat transportasi auksin mengganggu PIN1 bersepeda. Auksin: Hormon Pertumbuhan 26

5. Auksin dapat Diangkut secara Nonpolarly di Floem

Sebagian besar IAA yang disintesis dalam daun dewasa tampaknya diangkut ke seluruh tanaman nonpolarly melalui floem. Auksin, bersama dengan komponen lain dari cairan floem, dapat berpindah dari ini daun atas atau bawah tanaman dengan kecepatan jauh lebih tinggi dibandingkan transportasi kutub lihat Bab 10. Auksin translokasi dalam floem sebagian besar pasif, tidak membutuhkan energi secara langsung. Meskipun pentingnya keseluruhan jalur floem dibandingkan sistem transportasi kutub untuk gerakan jarak jauh dari IAA pada tanaman masih belum terselesaikan, bukti menunjukkan bahwa transportasi auksin jarak jauh dalam floem adalah penting untuk mengendalikan proses seperti sel cambial divisi, akumulasi kalosa atau penghapusan dari unsur-unsur tabung saringan, dan pembentukan akar cabang. Memang, floem muncul untuk mewakili jalur utama untuk jarak jauh auksin translokasi ke akar Aloni 1995;. Swarup et al, 2001. Transportasi kutub dan transportasi floem tidak independen satu sama lain. Penelitian terbaru dengan IAA radiolabeled menunjukkan bahwa dalam kacang, auksin dapat ditransfer dari jalur floem nonpolar dengan jalur transportasi kutub. Transfer ini terjadi terutama di jaringan belum matang dari apeks pucuk. Contoh kedua dari transfer auksin dari jalur floem nonpolar ke sistem transportasi kutub baru-baru ini telah didokumentasikan dalam Arabidopsis. Hal ini menunjukkan bahwa permease AUX1 yang asimetris terlokalisasi pada membran plasma di ujung atas sel protophloem root yaitu, ujung distal dari ujung Gambar 19.19. Telah diusulkan bahwa asimetris berorientasi AUX1 permease mempromosikan gerakan acropetal auksin dari floem ke akar puncak Swarup et al. 2001. Jenis transportasi auksin polar berdasarkan lokalisasi asimetris AUX1 berbeda dari transportasi kutub yang terjadi di wilayah tunas dan akar basal, yang didasarkan pada distribusi asimetris kompleks PIN. Catatan pada Gambar 19.19B yang AUX1 juga sangat dinyatakan dalam sekelompok sel dalam columella dari tutup akar, serta dalam sel akar lateral yang topi yang overlay sel dari zona perpanjangan distal akar. Sel-sel ini membentuk kecil, tapi fisiologis penting, jalur basipetal dimana auksin mencapai columella dialihkan mundur Auksin: Hormon Pertumbuhan 27 menuju jaringan luar dari zona elongasi. Pentingnya jalur ini akan menjadi jelas ketika kita meneliti mekanisme gravitropism root. Auksin: Hormon Pertumbuhan 28 Auksin: Hormon Pertumbuhan 29 GAMBAR 19.19 auksin permease AUX1 secara khusus dinyatakan dalam subset dari columella, lateralis topi akar, dan jaringan bintang. A Diagram jaringan di ujung akar Arabidopsis. B immunolocalization dari AUX1 dalam sel protophloem dari prasasti, sebuah cluster pusat sel dalam columella, dan sel-sel topi akar lateral. C lokalisasi asimetris AUX1 dalam file sel protophloem. Skala bar adalah 2 m di C. Dari Swarup et al. 2001.

L. EFEK FISIOLOGIS AUKSIN: Pemanjangan Sel