Az auxin szállítása (transzportja)

Az auxin lokális koncentrációját metabolizmusa (szintézis, konjugáció, oxidáció) mellett a sejtek, szövetek, szervek közötti transzportja határozza meg. Az auxin transzportnak két fő mechanizmusát különböztetjük meg. Az auxin gyors, hosszú távú szállítása a fiatal szervekből (lásd fentebb) a növény többi részébe a floém áramon keresztül valósul meg. Ez a szállítási mód passzív, nem ad lehetőséget az auxin megoszlás szabályozására. A másik szállítási mód a sejtről-sejtre történő, aktív, irányított transzport. Ez rövid és hosszabb távú auxin szállítást is lehetővé tesz. A hosszútávú irányított transzport az edénynyalábok parenchimatikus sejtjei között megy végbe, sejtről-sejtre.

Az auxinok sejtről-sejtre történő irányított szállítását az auxin gyenge sav karaktere és többféle auxin transzporter fehérje együttesen teszi lehetővé (15). A poláris auxin transzport mechanizmusát az ún.

kemiozmotikus auxin transzport modell alapján (3.2.4. ábra) az alábbiakban foglalhatjuk össze. A

112 növényi sejtek falának tere (az apoplaszt) a plazmamembránban elhelyezkedő protonpumpa (H⁺ -ATPáz) működésének köszönhetően enyhén savas kémhatású (pH kb. 5.0-5.5). Ebben a savas közegben az auxin (indol ecetsav) kb. 20%-a protonált lipofil formában (IES-H) van jelen, ami képes a sejtmembránon passzívan átjutni diffúzióval. Az auxin kb. 80%-a azonban emellett a pH mellett is disszociál auxin anionra (IES^-) és protonra (H⁺). A töltéssel rendelkező auxin anion nem tud passzívan átjutni a sejtmembránon. Az IES^- másodlagos transzporttal, H+/IES^- szimporttal, jut be a sejtbe az AUX1/LAX típusú auxin influx karrierek (permeázok) közvetítésével. A sejt citoplazmájának pH-ja semleges, enyhén lúgos (pH kb. 7.0-7.5). Emellett a pH mellett az auxin teljes mértékben ionos formában van jelen. Mivel a negatív töltésű auxin anion nem tud átjutni a sejtmembránon, így

„csapdázódik” a sejtben. A sejtből csak szabályozott módon tud kijutni. Ezt a folyamatot két transzporter fehérje család tagjai szabályozzák: a P-glikoproteinek (PGP) közé tartozó „ATP-Binding Cassette family B” (ABCB) transzporterek és a PIN-FORMED (PIN) auxin efflux karrierek. Ezek közül az utóbbiak felelősek az auxin transzport irányának meghatározásáért. A PIN fehérjék ugyanis jellemzően polárisan helyezkednek el a sejtmembránban, azaz az auxint a sejtből egy meghatározott irányba juttatják ki. Itt az auxin felhalmozódik a sejtek közötti térben (az apoplasztban) majd a fentebb ismertetett módon bejut a szomszédos sejtekbe, amelyekből viszont szintén irányítottan, jellemzően az ellenkező oldalon, lép majd ki létrehozva az irányított auxin áramlást.

IES-H

-sejtfal pH 5.0-5.5 pH 5.0-5.5 sejtfal

PIN 3.2.4. ábra. Az auxin transzport kemiozmotikus modellje. Magyarázat a szövegben. (Fehér Attila ábrája)

Az ABCB transzporterek elhelyezkedése a sejtmembránban a PIN fehérjékkel szemben jellemzően egyenletes. Az ő szerepük az irányított transzport számára a sejten belül rendelkezésre álló auxin szintjének a kontrollálása, amihez ATP-t használnak (elsődleges transzport). A sejtről sejtre történő irányított auxin szállításhoz mind a PIN mind az ABCB transzporterekre szükség van.

A fent említett auxin transzporter családok mindegyikébe több fehérje tartozik. Az ezeket kódoló gének szerv/szövet specifikus, illetve más hormonok által befolyásolt kifejeződése hozzájárul az auxin transzport szabályozásához. A PIN fehérje család Arabidopsisban nyolc tagú, ebből öt tagnak (PIN1,2,3,4,7) van jelentős szerepe a az irányított auxin transzportban, míg az endoplazmatikus retikulum membránban elhelyezkedő két karrier (PIN5,8) elsősorban a sejten belüli auxin homeosztázis fenntartásában vesz részt, a PIN6 pedig mindkét folyamatban szerepet játszhat.

A hajtásban az auxin fő áramlási iránya a hajtáscsúcstól (apex) a hajtás alsó része felé (bazális régió) mutat (3.2.5. ábra A,B), azaz bazális transzportról beszélünk; a gyökérben a központi szövethengerben

113 a hajtás felőli régiótól (a gyökér bázisa) a gyökércsúcs (apex) felé történik az elsődleges auxin áramlás, azaz a gyökércsúcsba az auxin apikális transzporttal jut el (3.2.5. ábra A,C), ott azonban a kéreg és epidermisz szövetrétegekben megvalósul egy visszirányú bazipetális irányú transzport is (3.2.5. ábra C). A teljes növényre jellemző fő auxin áramlás (hajtás csúcstól a gyökércsúcs felé) mellett, lokálisan szabályozott rövidtávú auxin transzport biztosítja a különböző szervekre, szövetekre, sejtcsoportokra jellemző auxin szintek kialakulását (lásd később).

Az auxin transzport irányát részben meghatározza a PIN fehérje típusa: a PIN1 fehérje alapvetően a gyökércsúcs felé, a PIN2 fehérje a hajtáscsúcs felé történő, míg a PIN3 fehérje elsősorban az oldalirányú transzportért felel (3.2.6. ábra A). A PIN fehérjék poláris elhelyezkedését a membránban fehérje foszforiláció is szabályozza. Pl. a PIN1 fehérje pl. a PINOID kináz általi foszforiláció hatására a bazális membránból átkerülhet az apikális membránba (és fordítva), de ha egy foszfatáz ezt a foszfát csoportot eltávolítja róla akkor visszakerül az eredeti pozíciójába (3.2.5. ábra C). Továbbá, a PIN fehérjék és a sejtmembrán kapcsolata dinamikus. A PIN fehérjék endocitotikus vezikulák révén folyamatosan bekerülnek a sejt belsejébe, majd exocitózissal visszaépülnek a membránba (a folyamat neve:

endocitotikus reciklizáció; 3.2.6. ábra B). Ez lehetővé teszi a PIN fehérjék mennyiségének és egyik membrán doménből a másikba történő átrendeződésének a hatékony szabályozását és így az auxin transzport szintjének és irányának gyors megváltoztatását (15).

apex

3.2.5. ábra Az auxin transzport irányai. A. Az apikális és bazális régiók viszonya a hajtásban és a gyökérben (apex

= csúcs). B. A fő auxin áramlási irányok a hajtáscsúcsban (fent) és a gyökércsúcsban (lent). C. A hajtásban zajló auxintranszport bazipetális jellegének kísérleti igazolása. A – apikális; B –bazális régió. Hajtásdarabokat az apikális régiójukkal lefelé (fent) vagy felfelé (alul) helyezünk el. Ezt követően auxinnal átitatott agar kockát ( ) helyezünk vagy az apikális vagy a bazális régióra. A piros szín mutatja, hogy néhány óra elteltével az auxint a hajtásdarab mely régiójában találhatjuk meg felhalmozódva. Ez minden esetben a bazális régió lesz, azaz az apikális régióra helyezett auxin áttranszportálódott a bazális régióba, míg a bazális régióra helyezett auxin helyben maradt: az auxin transzport a hajtásban túlnyomórészt egyirányú, bazipetális. (Fehér Attila ábrája)

114

PO₄ PO₄PO₄ PO₄

PIN1 PIN1

PIN1

PIN1 PIN1

PIN1 PIN1 PIN1

PIN1PIN1

degradáció

endocitikusreciklizáció endocitózis exocitózis

PO₄ endocitikusreciklizáció

A

PIN3

PIN2 PIN1

hajtás

B

gyökér

3.2.6. ábra A PIN fehérjék és az auxin transzport iránya. A. Adott PIN fehérje alapvetően egy adott irányú auxin transzportban vesz részt és az ennek megfelelő membrán régióban helyezkedik el. B. Egy adott PIN fehérje esetében is megváltozhat, hogy mely membránrégióban helyezkedik el. A PIN fehérjék folyamatosan leválnak, majd visszaépülnek a sejtmembránba (endociklikus reciklizáció). Ez lehetővé teszi mennyiségük (degradáció) illetve a membránok közötti átrendeződésük dinamikus szabályozását, melyben specifikus fehérje kinázok/foszfatázok által katalizált foszforilációjuk/defoszforilációjuk játszik fontos szerepet. (Fehér Attila ábrája) Az auxin pozitívan szabályozza saját transzportját. Egyrészt fokozza a PIN fehérjét kódoló gének expresszióját, másrészt stabilizálja a PIN fehérjék sejtmembránba épülését (csökkenti az endocitikus reciklizációt). Ez azt eredményezi, hogy az auxint transzportáló sejt egyre hatékonyabban pumpálja ki magából az auxint, ezzel a belső auxin koncentrációja lecsökken, így hatékonyabban vesz fel auxint a környezetéből. Így a környező sejtek apoplasztjából is elvonja az auxint, vagyis kialakul a szomszédos sejtek felől az auxint hatékonyan transzportáló sejt felé egy őnerősítő auxin áramlás. Az auxin transzport irányítottsága miatt ez azt jelenti, hogy az auxin áramlás fokozatosan egy vagy néhány sejtrétegre korlátozódik („auxin kanalizációs elmélet”; (16)). Eredményeként sejtrétegek, szövetek közötti auxin grádiensek, illetve néhány sejtre korlátozódó auxin maximumok alakulnak ki. Az auxin kanalizációja, és ennek köszönhető magas lokális koncentrációja, szabja meg többek között a prokambium és így az edénynyalábok differenciálódásának, illetve a szervkezdemények kialakulásának a helyét. Az auxin egyenlőtlen megoszlása a növények morfogenezisét (méretét, alakját, szerveinek helyét, számát stb.) alapvetően meghatározza.

A poláris auxin transzportot lehet gátolni. A leggyakrabban használt auxin transzport inhibitorok a trijódbenzoesav (TIBA) illetve a naftiltálsav (NPA). Mindkét molekula az auxin effluxot gátolja, így a transzportáló sejtekben az auxin anionnak a felhalmozódását eredményezi.

115

auxin grádiens auxin

maximum auxin

minimum

auxin csatorna

auxin csatorna

auxin maximum

epidermisz

alapszövet

3.2.7. ábra Az auxin kanalizáció modellje. Az auxin transzport önerősítő jellege auxin grádiensek illetve auxinban gazdag sejtcsoportok (csatornák, maximumok) kialakulását eredményezi. A csatornák prokambiummá (majd edénynyalábokká), az auxinban gazdag sejtcsoportok szervkezdeményekké (majd szervekké, pl. levél vagy oldalgyökér) fejlődhetnek. A kanalizáció miatt a csatornák, ill. auxin maximumok között alacsony auxin tartalmú zónák alakulnak ki. A zöld szín a sejtfalak terét (apoplaszt) jelzi, a sejteket kitöltő piros szín erőssége az auxin szintet, a piros nyilak az auxin áramlás irányát, méretük az erősségét jelzik. A PIN fehérjék elhelyezkedése egybeesik a nyilak által mutatott iránnyal. Az auxin az auxint hatékonyan transzportáló sejtek felé áramlik, amelyeknek ennek következtében tovább fokozódik az auxin transzportáló képessége (pozitív visszacsatolás).

(Fehér Attila ábrája)