CC BY
31
УДК630*165.51+630*165.53 Доц. Р.Т. Гут, канд. бюл. наук; С.В. Горелов,
О. С. Осьмак - УкрДЛТУ
МОЛЕКУЛЯРН1 МЕХАН1ЗМИ ДП АУКСИН1В У РОСЛИНАХ
Наведено л^ературний огляд мехашзмш дп ауксину на кл^инному piBHi та на ршш цшо! рослини. Ауксинове сигналювання у рослинi зумовлюеться наявнiстю полярного транспорту ауксину за участю специф1чних мембранних переносниюв вщ одно! кл1тини до шшо!. Воно здшснюеться у кл^иш шляхом регульовано!' деградацп бшюв. Вважаеться, що цей сигнальний шлях е центральним в ауксиновому сигналю-ванш, проте, можливо, юнують i 1нш1 шляхи.
R.T. Gout, S.V. Gorelov, O.S. Osmak- USUFWT Molecular mechanisms of action auxin at plants
This review depicts auxin action mechanisms at the cellular level, as well as at the whole plant level. Auxin action in plant is carried out by auxin polar transport by means of specific influx and efflux carriers, in cell-to-cell fashion. Auxin signaling at the cellular level is mediated by the regulated protein degradation. This signaling pathway is thought to be central in auxin signaling, still other signaling pathways may exist.
Вдарил у рослинах на початку ХХ ст. ауксини стали першими вщо-мими гормоноподiбними сполуками. Упродовж довгих ротв вони залишали-ся единими вщомими фгтогормонами. У 1935 р. в лабораторп Ф. Кегля було встановлено, що ауксини представлеш шдолш-три-оцтовою кислотою (1ОК). На сьогодш виявлеш рiзноманiтнi ауксиновi сполуки з подiбними фiзiологiч-ними ефектами [2].
Про вплив ауксинiв на рiст рослин i окремих !х органiв отримано дос-татньо iнформацií. Вiдомо зокрема, що i3 збiльшенням концентрацií 1ОК, у вщповвдних межах, ц стимулюючий вплив на ркт клiтин шляхом розтягу зростае. У плазмалемi ауксини шдукують роботу протонно! помпи, яка здшснюе активний транспорт протонiв водню з цитоплазми [2]. Пiдвищення концентрацп юшв Н+ призводить до послабления водневих зв'язюв мiж мш-рофiбрилами целюлози i ксилоглюканiв, що дозволяе !м ковзати вiдносно один одного при шдвищенш тургорного тиску протопласту. Крш того, пiд час зниження рН активуються кислi гiдролази та iншi ферменти, що модифь кують компоненти клттинно1 стiнки i таким чином спричинюють ii розрих-лення, яке супроводжуеться розтягом клттинно1 стiнки та ростом клгтини. Встановлено також, що викликаний 1ОК вiдтiк протошв з цитоплазми призводить до затримки старшня клiтини [2]. Оскшьки однiею з суттевих причин процеав старiння е закислення цитоплазми, що супроводжуеться активащею протеолiтичних фермеитiв, зумовлений 1ОК вiдтiк протонiв захищае внут-рiшньоклiтиннi структури вiд деградацп.
Ауксини також викликають пiдсиления пролiферацil кттин. Виявле-но, що 1ОК необхщна для шшдаци синтезу ДНК, шд час переходу клiтини iз Gj-фази в S-фазу мiтотичного циклу [1]. Отже, ауксини вiдiграють важливу роль у регуляцц клiтинного циклу. Вщомо, що центральну роль в регуляцп мiтотичного циклу вiдiграють протешкшази (ферменти, ят здайснюють фос-
форилювання бшюв-шшеней). Ауксини iMOBipHO дiють на клиинний цикл, не безпосередньо, а активуючи вiдповiднi протеíнкiнази.
Транспорт ауксишв по рослиш
Ауксини е единими фиогормонами, що пiддаються полярному транспорту i i'x полярне перемiщення зумовлюе рiзноманiтнi процеси розвит-ку, зокрема формування осi зародку, диференцiацiю судинних тканин та таю реакцл верх1вкового росту, як геотрошзм [3, 7, 12, 23, 25]. У вищих рослин, ауксини утворюються у верх1вках пагошв i транспортуються до кiнчикiв ко-ренiв i3 швидкiстю 10-15 мм/год. Слвд зазначити, що швидкiсть транспорту ауксишв залежить вiд багатьох фактор1в, зокрема вiку та типу тканин, темпе-ратури, природи ауксину.
Полярний транспорт ауксишв здшснюеться вщ клiтини до клiтини за участю спецiальниx транспортних систем. В ашкальну частину клiтини ауксини надходять пасивно, разом з юнами Н+, а в базальнiй частиш активно секретуються через клiтинну мембрану за участю бшюв-переноснитв. Вва-жаеться, що напрямок транспорту ауксинiв визначаеться полярним розташу-ванням специфiчниx переноснитв на плазматичнiй мембранi клiтини. За сприйняття полярних сигнал1в iмовiрно ввдповщае бiлок, що е продуктом не-щодавно видшеного гену МР (MONOPTEROS) [5, 24]. Мутацп цього гену в Arabidopsis призводять до рiзноманiтниx порушень сприйняття полярних сиг-налiв. Це проявляеться такими фенотиповими змшами як: вкороченням су-дин та дефектом формування ос зародка. У вах органах таких рослин клии-ни судинних пучкiв залишаються недостатньо диференцшованими.
Крш гену МР, кнують iншi гени переносникiв, що здайснюють транспорт ауксинiв вiд клiтини до кттини. Це родини генiв PIN1 та A UX1. Ген PIN1 кодуе мембранний бiлок iмпорту ауксинiв, а ген AUX1 - бшок експорту [7, 26]. Показано, що мембранозв'заний бiлок GNOM визначае полярне розмщення бiлка PIN1 [11].
На транспорт аукситв впливають iншi фiтогормони. Так, наприклад, пберелши виявляють стимулюючу даю. Пiд впливом абсцизово!' кислоти i етилену швидккть транспорту ауксинiв знижуеться. Кiнетин, активуючи транспорт ауксишв, iмовiрно призводить до шдсилення синтезу бiлкiв, необ-хщних для транспорту ауксинв.
Молекулярнi мехашзми ди ауксишв на функцiональну актившсть
клiтини
Основними мiшенями дп ауксинв е клiтини, що диференцiюються поблизу рiзниx меристем. Бiоxiмiчнi аспекти мехашзму дй' ауксинiв на щ кль тини дослiджують вже давно. Спершу вважали, що, проникаючи в клггину, 1ОК зв'язуеться з специфiчними бшковими рецепторами i утворений комплекс активуе експресiю певних генiв. Утворенi специфiчнi ферменти мають пiдсилювати фiзiологiчну реакцда клiтини [2]. Проте було встановле-но два факти, що виходили за рамки розглянутого меxанiзму: 1) не були вден-тифiкованi рецептори 1ОК, 2) первинна вiдповiдь на даю 1ОК вiдбуваеться
надто швидко, протягом 10-15 хв. Запропонована авторами схема була занад-то поверхневою i не могла пояснити всх аспектiв молекулярних механiзмiв дп ауксинiв.
Останнi лiтературнi данi дозволяють бшьше деталiзувати i розширити цю схему i пояснити те, що до останнього часу здавалося незрозумшим.
Дослiдження механiзмiв поглинання 1ОК свдаать, що невелика кiлькiсть останньо'' може проходити через мембрану у незв'язаному станi. Частина 1ОК потрапляе у кттину за допомогою активного транспорту, поеднаного з протонами водню. Тому експорт 1ОК призводить до накопичен-ня в клiтиннiй стiнцi позитивних зарядав, що супроводжуеться зниженням рН. Не слвд виключати можливостi кнування цитоплазматичних ауксинових рецепторiв, оскiльки 1ОК може легко проникати всередину клггини. Iмовiрно iснуе одночасно юлька дшянок сприйняття ауксишв, як позаклiтинних, так i цитоплазматичних.
На плазматичнiй мембранi колеоптилш кукурудзи вдалося встановити ауксин-зв'язуючi дшянки, а згодом був виявлений i ауксин-зв'язуючий бiлок - АВР1. Виявлено також i кшька iнших ауксин-зв'язуючих бiлкiв, проте добре описаний лише АВР1. Нещодавш експерименти на трансгенних рослинах тютюну та на клггинних лiнiях кукурудзи шдтверджують його рецепторну функцда [4].
Бшок АВР 1 присутнiй на зовшшнш поверхнi плазматично'' мембрани. Iмовiрно, вiн секретуеться з ендоплазматичного ретикулуму на плазматичну мембрану з дуже низькою швидкiстю. АВР1 е глшопроте'дом, i мiстить вуг-леводневi залишки, що iмовiрно вiдповiдають за вшзнавання i зв'язування 1ОК. Цей глжопроте'д складаеться з двох субодиниць по 23 кДа кожна, якi в кукурудзи кодуються невеликою родиною гешв [4].
1ОК чи комплекс 11 з рецептором не дк безпосередньо на геном клгги-ни, як вважали ранiше [1], а запускае в клiтинi каскад реакцш, завдяки яким ауксиновий сигнал шдсилюеться на кiлька порядкш. П1д дкю 1ОК акти-вуються рiзноманiтнi сигнальш шляхи. Ми розглянемо два з них (рис. 1): а) МАРК-кшазний шлях [5, 18], та б) шлях на основi регульовано'' деградацц бiлкiв [15, 17].
Для дослвдження механiзмiв ауксинового сигналювання проводився аналiз мутант1в ЛтаЫйорьЫ з порушеними реакщями на ауксин [10].
Яким же чином ввдбуваеться передача гормональних сигналiв у клiти-ну? Спершу гормон (1ОК) повинен провзаемод1яти з рецептором, утворивши гормон-рецепторний комплекс, який активуе протеíнкiназний каскад (рис. 1б), суть реакцш якого полягае у такому: одна проте'нкшаза активуе де-кшька iнших протеí'нкiназ шляхом фосфорилювання, i так далi.
МАРК-к1назний шлях запускаеться шляхом зв'язування 1ОК з рецептором на плазматичнш мембранi, який мктить три домени: глiкозильований по-заклiтинний домен, що впiзнае i зв'язуе ауксин; трансмембранний домен бага-тий на гiдрофобнi амiнокислоти, необхщний для закрiплення рецептора на мембранц внутрiшньоклiтинний домен з ферментативною активнктю, який фосфорилюе бiлки-мiшенi. Можливо, що таким рецептором е бшок АВР1.
При взаемодн 1ОК з рецептором вiдбуваeться активацiя внутршньок-лiтинного ферментативного домену, який активуе певш G-бiлки [6]. G-бшки в неактивному cTaHi складаються з трьох субодиниць a, р, g i мiстять зв'яза-ний з a-субодиницею гуанозиндифосфорну кислоту (ГДФ). Активащя G-бш-ка супроводжуеться обмiном зв'язаного ГДФ на ГТФ з наступним вщ'еднан-ням a-субодиницi вiд p/g-субодиниць. Вiльна a-субодиниця спричинюе акти-ващю каскаду за рахунок фосфорилювання: МАРККК (кшаза кiнази МАР ю-нази) ^ МАРКК (кiназа МАР юнази) ^ МАРК (мiтоген активована кшаза) (Рис. 1б).
а)
о°
Q ауксини
)000'
)00оЬоооооооооооооооо7оо0о0000°Оо00л
о
о
8/
,000°оо0 ЮОООО°°Оо°°о
активащя кл1тинного циклу
-иоооооооо^о °°ооо 0000 000°
Рис. 1. Шляхи сигналювання аукситв у рослинмй клШим: а) ауксин-залежний шлях регуляци деградаци бттв; б) МАР-кшазний шлях, G - активний G-бток, МАРККК - ктаза ктази МАР ктази, МАРКК - ктаза МАР ктази, МАРК - мтоген активована кшаза, Siclp - i^i6imop CDK, CDK - протетктаза, що запускае клтинний подт, Sic1p-UBQ - неактивний комплекс, що нездатний iнгiбувати CDK
Активована МАРК транспортуеться у ядро, де фосфорилюе вiдповiднi фактори транскрипцií - бшки, що взаемодають з ДНК, шдсилюючи експресгю гешв, тобто синтез РНК, i, як наслiдок, трансляцию на нiй необхщних для росту клггани бiлкiв. Слiд зазначити, що фосфорилювання здайснюеться i3 затратою енерги, тобто для реакци фосфорилювання необхщна АТФ, яка у хода реакци вщдае один залишок фосфорноí' кислоти i перетворюеться на АДФ.
Нещодавно з клiтин тютюну була видшена МАРККК, що бере участь в активацц МАРК-каскаду. Експреск цiеí' МАРККК спостeрiгаеться в клГти-нах меристеми пiд час швидкого подалу [19].
Те, що ауксини регулюють клггинний цикл, помiтили вже давно [1], проте мeханiзм регуляцп протягом довгого часу залишався неописаним. Як вже зазначалося, ауксини необхщш для початку синтезу ДНК, тобто переходу клггани з 01-фази в S-фазу клiтинного циклу. Яким же чином ауксини ш-дукують цей пeрeхiд?
У клитсн постшно знаходяться ферменти (вГдповГдн протешкшази -CDK), ят активують перехвд клггани у такий стан, при якому починаеться пiдготовка кттини до подалу. В нормГ щ ферменти активуються лише шд час переходу кттини в S-фазу i знаходяться вони шд контролем специфГчних ш-пбиорГв. За ввдсутносп шпбторГв клггина постшно дшиться i перетворюеться у злояккну (ракову), а коли щ шпбтори активн постшно, то клГти-на втрачае здатнкть до подалу. Саме 1ОК регулюе деградацда шпбиорГв CDK. Одним з таких ГнлбггорГв е бшок Sicl p.
Шд дкю 1ОК ввдбуваеться активацк бшку AXR1 [3, 16, 17, 20], що взаемодае з бшком ECR (Рис. 1а). Такий димерний комплекс активуе убГквь тин-подабн бшки - Rub1p [18]. Слад зазначити, що вс призначен для дегра-дацп бшки шдлягають убГквггинуванню. Ця модифшащя здшснюеться шляхом приеднання бшка убшвГтина (UBQ), або шних убшвггин-подГбних бш-кГв, зокрема Rub1p до бшив-мшеней. Таю модифшован бшки вшзнаються пдролГтичними ферментами i розщеплюються. Перенесения Rub1p на шпбь тор (Sic1p) CDK призводить до його руйнування. Вш вже не шпбуе протеш-кшазу CDK, яка запускае перехщ клггани в S-фазу, та синтез ДНК, через пев-ний час шсля цього вщбуваеться клггинний подш.
1ншими можливими мшенями коитрольованоí' ауксинами деградацп е бшки родини Aux/IAA [14, 21, 22]. У Arabidopsis е щонайменше 20 рГзних представнитв цiеí родини. Бшки Aux/IAA локалГзуються в ядрГ i виконують функцгю факторш транскрипцп, тобто зв'язуючись з ДНК регулюють транскрипцда вщповГдних гешв [3, 5, 13, 21].
Фiзiологiчна д1я аукспшв
ФГзюлопчна дГя ауксишв надзвичайно складна. РГзн тканини на дда ауксишв вщповщають по-рГзному.
Було встановлено, що ауксини, ят знаходяться у верхшщ i транспор-туються вниз, пригшчують розвиток латеральних пагошв. Усунення верх1вки призводить до шдсилення росту бГчних пагошв. Якщо на зрГзану верх1вку нанести 1ОК, ркт латеральних пагон1в знову пригшчуеться [2].
Значну роль ауксини ввдграють в рeгуляцií' цвтння, росту, дозрГван-ня, опадання зав'язей, плодГв, листав. Показано, що ауксини беруть участь у зав'язуванш плодГв, вони необхадн для росту пилкових трубок. Показано, що подальший ркт плоду залежить вщ рГвня ауксишв, проте в цьому процес беруть участь також шшГ фГтогормони.
Ауксини зумовлюють сезоншсть динамки росту деревних рослин. Ркт дерева у висоту здшснюеться за участю ашкальних меристем, а в товщи-ну - за участю васкулярного камбгю. Ауксини контролюють подш меристе-матичних кттин як при роста у висоту, так i при радиальному ростг Ауксини беруть активну участь у формуванш провiдноí' системи деревних рослин. Це встановлено за допомогою експеримештв на культурах тканин та спостере-жень за Гнтактними рослинами. Показано, що ауксини переважно стиму-люють диференщащю ксилеми [1].
Щкаво зазначити, що в умовах короткого дня, якщо на зрГз точки з видаленою верхГвкою нанести 1ОК, то можна викликати утворення васкуляр-ним камбкм широких трахе1д [2]. Це дозволяе дГйти висновку що: 1) саме 1ОК здшснюе гормональний контроль ширини просвГту трахе1д, 2) шдсилене закладання пiзньоí' деревини в основГ стовбура i менша частка закладення ii у верхнш частин пояснюються тим, що при транспортуванн ауксишв у нап-рямку зверху вниз, у верхнш частин стовбура забезпечення тканин ауксином бшьше, шж у нижнш.
Ауксини регулюють не лише нормальний ркт дерев, але й беруть участь у ввдхиленнях нормального росту, коли напрямок росту пагона змь нюеться i утворюеться так звана реактивна деревина [2]. Реактивна деревина
- вважаеться браком при використанш у будГвництвг Дошки з тако! деревини погано шддаються обробцг В утворенн реактивно! деревини, як було встановлено, дшсно беруть участь ауксини. У лГтературГ е дан про те, що великий вмкт ауксишв виявлено у сосни i тополГ на нижнш сторон горизон-тальних гшок, поршняно з верхньою. Якщо у вертикальш пагони хвойних дерев вводити з одно! сторони 1ОК, то можна викликати утворення реактивно! деревини. Така деревина може утворюватися також i при нестачГ 1ОК. Реактивна деревина в покритонасшних порвд ГмовГрно утворюеться при нестачГ ауксишв, а в голонасшних - при надлишку.
Лiтература
1. Биохимия регуляции онтогенеза растительной клетки (под ред. Калинина Ф.Л.). -К.: Наук. думка, 1983. - 264 с.
2. Лихолат Т.В. Регуляторы роста древесных растений. - М.: Лесная пром-сть, 1983.
- 238 с.
3. Leysser O., Berleth T. A molecular basis for auxin action// Cell and Dev. Biol. - 1999.
- N10, 131-137.
4. Johri M.M., Mitra D. Action of plant hormones// Curr. Sci. - 2001. - 80. - N2,
199-205.
5. Hardtke C.S., Berleth T. The Arabidopsis gene MONOPTEROS encodes a transcription factor mediating embryo axis formation and vascular development// EMBO J. - 1998. - 17. -N5, 1405-1411.
6. Gulweiler L., Guan C., Moller A., Wisman E., Mengen K., Yephremov A., Palme K. Regulation of polar auxin transport by AtPIN1 in Arabidopsis vascular tissue// Science. -1998. - 282. - 2226-2230.
7. Nelson T. Polarity, vascularisation and auxin// Elsevier Sci. - 1998. - 3. - N7, 245-246.
8. Hooley R. Plant hormone perception and action: a role for G-protein signal transduction?// Phil. Trans. R. Soc. Lond. - 1998. - 353. - 1425-1430.
9. Marchant A., Kargul J., May S.T., Muller P., Delbarre A., Perrot-Rechenmann C., Bennett M.J. AUX1 regulates root gravitropism in Arabidopsis by facilitating auxin uptake within root apical tissues// EMBO J. - 1999. - 18. - N8. - 2066-2073.
10. Hooley R. Auxin signalling: homing with targeted genetics// Plant Cell. - 1998. - 10. -1581-1583.
11. Steinmann T., Geldner N., Grebe M., Mangold S., Jackson C.L., Paris S., Gol-weiler L., Palme K., Jurgen G. Coordinated polar localisation of auxin efflux carrier PIN1 by GNOM ARF GEF// Science. - 1999. - 286. - N10, 316-318.
12. Liu C., Xu Z., Chua N. Auxin polar transport is essential for the establishment of bilateral symmetry during early plant embryogenesis// Plant Cell. - 1993. - 5. - 621-630.
13. Abel S., Theologis A. Early genes and auxin action// Plant Physiol. - 1996. - 111. - 9-17.
14. Kim J., Harter K., Theologis A. Protein-protein interactions among the Aux/IAA proteins// Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. - 1997. - 94. - 11786-11791.
15. Ciechanover A., Schawrtz A.L. The ubiquitin-pro-teasome pathway: the complexity and myriad functions of protein death// Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. - 1998. - 95. - 2727-2730.
16. Lammer D., Mathias N., Laplaza J.M., Jiang W., Liu Y., Callis J., Goebl M., Estelle M. Modification of yeast Cdc53p by the ubiquitin-related protein Rublp affects function of the SCFcdc4 complex// Genes Dev. - 1998. - 12. - 914-926.
17. Liakopoulos D., Doenges G., Matuschewski K., Jentsch S. A novel protein modification pathway related to the ubiquitin system// EMBO J. - 1998. - 17. - 2208-2214.
18. del Pozo J.C., Timpte C., Tan S., Callis J., Estelle M. The ubiquitin-related protein RUB1 and auxin response in Arabidopsis// Science. - 1998. - 280. - 1760-1763.
19. Kovtun Y., Chiu W.L., Zeng W., Sheen J. Suppression of auxin signal transduction by a MAPK cascade in higher plants// Nature. - 1998. - 395. - 716-720.
20. Cernac A., Lincoln C., Lammer D., Estelle M. The SARI gene of Arabidopsis acts downstream of the AXR1 gene in auxin response// Development. - 1997. - 124. - 1583-1591.
21. Rouse D., Mackay P., Stirnberg P., Estelle M., Leyser O. Changes in auxin response from mutations in an Aux/IAA gene// Science. - 1998. - 279. - 1371-1373.
22. Ulmasov T., Murfett J., Hagen G., Guilfoyle T. Aux/IAA proteins repress expression of reporter genes containing natural and highly active synthetic auxin response elements// Plant Cell. - 1997. - 9. - 1963-1971.
23. Bennett M.J., Marchant A., May S.T., Swarup R. Going the distance with auxin: unravelling the molecular basis of auxin transport// Phil. Trans. R. Soc. Lond. - 353. - 1511-1515.
24. Przemeck G.K. H., Mattsson J., Hardtke C.S., Sung R.Z., Berleth T. Studies on the role of the Arabidopsis gene MONOPTEROS in vascular development and plant cell axialization// Planta. - 1998. - 200. - 229-237.
25. Muller A., Guan C., Galweiler L., Tanzler P., Huijser P., Marchant A., Parry G., Bennett M., Wisman E., Palme K. AtPIN2 defines a locus of Arabidopsis for root gravitropism control// EMBO J. - 1998. - 17. - 6903-6911.
26. Bennett M.J., Marchant A., Green H.G., May S.T., Ward S.P., Millner P.A., Walker A.R., Schulz B., Feldmann F.A. Arabidopsis AUX1 gene: a permease-like regulator of root gravitropism// Science
УДК630*182.21 (471.82) П.Т. Ященко1, В.В. Турич2
ПРО ПРИРОДНЕ ПОНОВЛЕННЯ СОСНИ НА ЗГАРИЩАХ У Л1САХ ШАЦЬКОГО НАЩОНАЛЬНОГО ПРИРОДНОГО ПАРКУ
Вщображено роль вогню як вагомого еколопчного фактора i його вплив на функщонування люових екосистем. Охарактеризован особливост заростання зга-рищ та природного поновлення сосни звичайно! на горшьниках у соснових люах Шацького нащонального природного парку.
1 1нститут екологп Карпат НАН Украши
2 Шацький нацюнальний природний парк
