Auxin

Auxin var det første plantehormonet som ble oppdaget. Auxin spiller en fundamental rolle i alle deler av plantenes vekst og utvikling. Auxiner finnes også hos blågrønnbakterier, grønnalger og brunalger, men hos disse er det mye ukjent om virkningsmekanismer og betydning. Auxiner samvirker med andre plantehormoner som cytokininer, gibberelliner og etylen i et komplekst nettverk.

Historien om auxin

Auxin var det første plantehormonet som ble oppdaget. Selv om Charles Darwin er mest kjent for sin evolusjonsteori var han, sammen med sønnen Francis, den som startet den moderne forskningen om plantehormoner, publisert i boka The power of movement in plants fra 1880. Der beskrev Darwin forsøk hvordan koleoptiler fra etiolerte frøplanter av Phalaris canariensis bøyde seg mot lyset. Med Darwins egne ord:"we must therefore conclude that some influence is transmitted from the tip to the more basal regions of the shoot thereby regulating growth and inducing curvature". "Influence" skulle vise seg å være et auxin. Koleoptilen er en bladskjede som danner en hul sylinder som omslutter det første bladet, og er festet til en knuteformet basis (nodium). Koleoptilen beskytter bladet mot skader når frøplanten vokser igjennom jorda. Koleoptilen er svært følsom for lys. I mørke og ved jevn belysning vokser koleoptilen og bladet rett oppover. Ved lys fra en side vender koleoptilen seg mot lyset, i noen tilfeller vekk fra lyset. Koleoptiler er følsomme for både lys (fototropisme) og tyngekraft (gravitropisme). Når toppen av koleoptilen er dekket til med en lystett folie bøyer den seg ikke. Slike eksperimenter viste at spissen av koleoptilen mottok lyssignalet, mens bøyningen skjedde nedenfor spissen. Et signal måtte derfor bli transportert fra spissen og som deretter ga bøyning litt lengder ned.

Salkowski oppdaget i 1885 indol-3-eddiksyre (IAA - Indol Acetic Acid) i fermenterte vekstmedier. Den danske plantefysiologen P Boysen-Jensen viste i 1913 at det lysinduserte stimulus kunne transporteres gjennom ikkelevende materiale. Han plasserte en blokk med gelatin mellom toppen av koleoptilen og den gjenværende stumpen. Han brukte også en glimmerskive som blokkerte for transporten,  som var mer effektiv enn i Fittings forsøk. Den tyske plantefysiologen Hans Fitting (1877-1970) lagde i 1907 innsnitt i havrekoleoptiler i fuktig miljø, slik at snittflatene ikke tørket ut før de ble presset sammen. En glimmerskive på mørkesiden ga ingen bøyning. Arpad Paál bekreftet Boysen-Jensens resultater i 1918. Strekningen stoppet hvis koleoptilespissen ble fjernet. Ble spissen satt på igjen, men assymmetrisk, ga dette bøyning av koleoptilen i mørke, men også i lys som kom fra alle kanter. Det var den nederlandske plantefysiologistudenten Frits W. Went som i 1928 oppdaget et stoff som påvirker bøyning av havrekoleoptiler. Went utviklet et metode for kvantifisering av plantevekstsstoffet. Koleoptilsespissen produserte et vekststimulerende signal. Spissen av en havrekoleoptile ble plassert på gelatin. Went viste at bøyning skjedde med en gelatin- eller agarblokk som hadde mottatt vekststoffet auxin fra koleoptilespissen. En agarblokk med vekststoff kunne også gi bøyning hvis blokken ble plassert asymmetrisk på avkuttede koleoptilespisser. Bøyningen var innen visse grenser proporsjonal med mengden aktiv substans. Fra Wents eksperimenter ble det mulig å rense å identifisere indol-3-eddiksyre (IAA) som et aktivt auxin, Mye av dagens kunnskap om det vanligst forekommende auxinet indol-3-eddiksyre, kalt IAA, baserer seg på studier av bøyningen av koleoptiler.

F. Kögel og Arie Jan Haagen-Smit fra Holland startet fra 33 gallons med human urin, og under rensingen testet de hvert trinn med bøyningstesten på havrekoleoptiler. De isolerte 40 mg av et stoff de kalte auxin A (auxentriolic acid) . Det inneholdt også et annet auxin, heteroauxin, det som vi nå kjenner som indol-3-eddiksyre og som ble initielt oppdaget av Salkowski i 1885. Det var plantefysiologen og mikrobiologen Kenneth V Thimann (1904-1997) i USA som fant strukturen på indol-3-eddiksyre. Kögel isolerte også indol-3-eddiksyre fra gjær, men det var først i 1946 at den nederlandske kjemikeren Arie Jan Haagen-Smit (1900-1977) og medarbeidere isolerte indol-3-eddiksyre fra endospermen fra umodne maiskorn. Haagen-Smit er mest kjent for sitt arbeid vedrørende luftforurensing og smog. Auxin A, og det seinere auxin B fra urin var ikke noe naturlig auxin.

Generelt om auxin

Navnet auxin kommer fra det greske auxein som betyr å vokse. Auxin medvirker i mange prosesser i planten. Indol-3-eddiksyre er den vanligste av de naturlige auxinene.

Indoleddiksyre

Andre eksempler på naturlig auxiner er 4-klor- indol-3-eddiksyre (4-Cl-IAA) og indol-3-smørsyre (IBA). . Fenyleddiksyre kan også auxineffekt. I tillegg er det laget flere syntetiske auxiner.

Indoleddiksyre lages i aktivt voksende vev som skuddmeristem, knopper, bladprimordier, ekspanderende blad, frukt og frø som utvikler seg, og i pollen. Auxin påvirker celledeling, cellestrekning, fototropisme, gravitropisme, apikal dominans, dannelse av bladprimordier i det skuddapikale meristemet, rotdannelse, etylenproduksjon, fruktutvikling, partenokarpi, kjønnsbestemmelse, og induksjon og aktivering av enzymer f.eks. H+- ATPase. Røtter er mer følsomme for auxin enn skudd. I det skuddapikale er det auxintransport  plasseringen av PIN-proteiner som bestemmer hvor det skal lages bladprimordier, gir fyllotaksis, og auxin avgjør hvor hovedledningsstrengen i bladprimordiet blir plassert. Den svenskfødte amerikanskje plantefysiologen  Folke Karl Skoog (1908-2001) og medarbeidere viste på 1950-tallet av margvev i stengel  fra tobakk (Nicotiana tabacum) kunne gi kallus, skudd eller røtter avhengig av mengdeforholdet mellom auxin og cytokinin. Skoog og Toshio Murashige (1962) laget et vekstmedium (Murashige-Skoog medium) for dyrking av planteceller som er svært mye brukt, selv idag.

Transportretningen av auxin er vesentlig polar og basipetal, dvs. fra skuddspiss til basis. I røtter skjer transporten fra basis til rotspiss. Transporten kan skje fra celle til celle og noe langdistansetransport i floemet fra eldre blad til andre deler av planten. Auxin beveger seg med 5-30 mm per time i skudd og fra 1-2 mm per time i rot. En kjemiosmotisk transport av auxin dominerer.

Måling av auxin

Auxin kan påvises, på lik linje med andre plantehormoner, via bioassay. Bøyning av havrekoleoptiler (Avena koleoptiler) er et mye brukt bioassay for auxin. Forøvrig kan det brukes tynnsjiktkromatografi (TLC), høytrykksvæskekromatografi (HPLC), gasskromatografi (GC), og massespektrometri (MS). Radioimmunoassay baseres på at IAA bindes til et stort protein som injiseres i kanin. Dyret produserer antistoffer mot proteinet. Antistoffene isoleres og renses. Disse kan brukes i radioimmunoassay (RIA) eller ELISA.

Biosyntese av indoleddiksyre

Auxin finnes i fri form i planten eller bundet til andre stoffer. Indoleddiksyre (IAA) kan lagres som bl.a. IAA-glukosid. Mange planter inneholder IAA oksidase som kan bryte ned indoleddiksyre.

Indoleddiksyre lages fra aminosyren tryptofan via flere forskjellige biosynteseveier (biosynteseveien). I tillegg er det en biosyntesevei som ikke går via tryptofan.

Indolpyruvatveien

Indolpyruvatveien er hovedveien til auxin i planter. Det er mulig at indol-3-pyruvat omdannes til indol-3-acetat katalysert av en flavin monooksygenase

1) Først skjer en deaminering av tryptofan katalysert av tryptofan transaminase og produktet er indol-3- pyruvat.

2) Deretter følger en dekarboksylering katalysert av en dekarboksylase som gir indol-3-acetaldehyd.

3) Indol-3-acetaldehyd oksideres til indol-3-eddiksyre katalysert av en dehydrogenase.

Tryptaminveien

1) Tryptofan dekarboksyleres til tryptamin.

2) Enzymet tryptamin oksidase gir indol-3-acetaldehyd.

3) Indol-3-acetaldehyd oksideres til indol-3-eddiksyre katalysert av en indolaldehyd dehydrogenase.

Indol-3-acetonitrilveien (indol-3-acetaldoksiminveien)

1) Tryptofan omdannes først til indol-3-acetaldoxim.

2) Indol-3-acetaldoxim gir videre indol-3-acetonitril.

3) En nitrilase overfører indol-3-acetonitril til indol-3-eddiksyre.

Indol-3-acetamidveien

Dette er biosynteseveien som brukes av sykdomsfremkallende (patogene) bakterier (Pseudomonas og Agrobacterium). I denne synteseveien omdannes tryptofan til indol-3-acetamid katalysert av en monooksygenase. Indol-3-acetamid hydrolase katalyserer neste trinn som gir indol-3-eddiksyre.

Det finnes en mutant av mais (orp - orange pericarp) som mangler enzymet tryptofan syntase og er en tryptofan auxotrof. Til tross for dette inneholder mutanten mye indoleddiksyre. Indoleddiksyre lages da sannsynligvis fra indol eller fra indol-3-glycerolfosfat.

Auxin i bundet form

Mesteparten av IAA i planten finnes i bundet (konjugert) inaktiv form. Det meste av fritt auxin finnes i skuddspissen, men forøvrig finnes auxin i hele planten. IAA finnes både i cytosol, kloroplast og andre kompartementer i cellen. Det kan være som glukoseester katalysert av enzymet uridin-5´-difosfatglukose-indol-3-acetyl-D-glykosyltransferase. IAA kan også være bundet til myo- inositol eller til aminosyren aspartat. IAA kan også bindes til glukaner og glykoproteiner.

Nedbrytning av auxin

Nedbrytning av IAA skjer via oksidering. IAA kan omdannes til 3-metylenoksindol katalysert av en dekarboksylase, med sidekjede som er blitt ett karbonatomatom kortere. Nedbrytning kan også skje via oksindol-3-eddiksyre.

Polar transport av auxin - fra skuddspiss til basis

Indoleddiksyre fraktes ved polar transport basipetalt fra spiss mot basis. PIN-proteiner kodet av PIN-gener er auxin-effluksproteiner som frakter auxin ut av cellene. PIN-proteinene er assymmetrisk plassert i cellene og forklarer den polare transporten. Auxininnfluksproteiner kodet av AUX1-gener frakter auxin inn i celler. I tillegg deltar ABC-proteiner (ATP-bindende kasett) type B som frakter auxin inn og ut av celler. Det er også funnet PIN-lignende proteiner, PILS-proteiner. Skuddspissen er primærkilden for auxin i hele planten. Transporten skjer polart fra celle til celle hvor auxin fraktes inn og ut av celler, dvs. ikke direkte via symplasten. Auxintransporten i rota skjer i stelen mot spissen av rota. Auxin i pericykel stimulerer vekst av siderøtter. Det kan også skje litt basipetal auxintransport fra rotspissen hvor transporten skjer i cortex og eventuelt i epidermis. En kjemiosmotisk modell forklarer polar auxintransport. IAA er en svak syre og er som anion (IAA-) ved nøytral pH i cytoplasma,  og protonisert (IAAH) i mer surt miljø som i celleveggen.  Det er flere forskjellige vevsspesifikke PIN-gener som koder for PIN-proteiner som er lokalisert til forskjellige typer cellevev. PIN1 lages i parenkymceller i xylem, og denne plasseringen forklarer det meste av polartransporten av auxin. PIN2 deltar i gravitropisme i røtter. PIN3 deltar i både fototropisme og gravitropisme. PIN5 og PIN8 er lokalisert til endoplasmatisk retikulum og deltar i den interne auxintransporten i cellen hvor auxin kan flyttes mellom plasmamembranen og endosomer via eksocytose og endocytose.

Polar auxintransport

Indoleddiksyre fraktes inn i cellen drevet av en gradient i ladning (\(\Delta\)E) og pH (\(\Delta\)pH). Frakt ut av cellen er drevet av E (membranpotensialet). Sur cellevegg (ca. pH 5) gjør at indoleddiksyre er i protonsisert form med syregruppen -COOH, og kan derved diffundere gjennom fosfolipiddobbeltlaget i membraner. Inne i cellen er pH høyere og indoleddiksyre finnes der i ioneform og kan ikke derved passere fritt gjennom membranen. PIN-auxinbærerne som frakter indoleddiksyre ut av cellene sitter i den basale delen av cellene.

Det er flere syntetiske stoffer som hemmer den polare transporten av indoleddiksyre. NPA (1-N- naftylftalamsyre) og TIBA (2,3,5-trijodbenzosyre) er eksempler på auxintransporthemmere. En gruppe av auxintransporthemmere er laget av benzosyre bundet til et annet aromatisk ringsystem. Auxintransporthemmere gir forkrøplet vekst, hemmet rotvekst, og tap av fototropisme og gravitropisme f.eks. 1-pyrenoylbenzosyre og NPA. Det har vært stilt spørsmål om det finnes naturlige auxintransporthemmere med curcumin og genistein som mulige kandidater.

Auxin og plantebevegelser - fototropisme og gravitropisme

Plantene står jordfast, men har allikevel mulighet til å flytte på stengler, blad og blomster. Bevegelsene kan skyldes tilvekst. I andre tilfeller er det rene saftspenningsbevegelser (turgorbevegelser) hvor vann vandrer inn og ut av spesielle celler med tynn vegg. Det er ytre stimuli som lys, temperatur, gravitasjon eller mekanisk påvirkning som fremkaller bevegelsene. Vi kan dele bevegelsene inn i tropismer og nastier. Tropismer er bevegelser hvor bevegelsesretningen hos planten er avhengig fra hvilken retning det ytre stimuli kommer. Nastier er bevegelser hvor bevegelsesretningen er uavhengig av retningen på det ytre stimuli og er bare avhengig av plantedelenes konstruksjon. Plantene kan også ha krumningsbevegelser i døde eller levende celler i forbindelse med frøspredning.

Fototropisme

Fototropisme kalles det fenomen når plantene bøyer seg mot eller fra lyset og i denne prosessen deltar auxin. Fototropisme og gravitropisme virker samtidig. Ved bøyning mot lyset vil gravitropisme forsøke å rette opp planten. Den siden av en plante som belyses vokser saktere enn skyggesiden. I de fleste tilfellene bøyer plantene sine blader og blomster mot lyset (positiv fototropisme), enten det er gress på en nysådd gressplen eller blomsterplanter ute eller i vinduskarmen. I noen tilfeller stilles bladets overside vinkelrett mot lyset som hos blomkarse, og bladet følger sola over himmelen som et radioteleskop. Prossen for bøyning mot eller vekk fra lyset er kompleks. Fotofluensen gir respons på bøyning av koleoptilen kan deles inn i først positive mot lyset, første negative vekk fra lyset og andre positive mot lyset igjen. Første og andre positive fase kan kan også være atskilt av en nøytral fase hvor det ikke skjer noen bøyning i det hele tatt. Første positive bøyning følger resiprositetsloven, men det gjør ikke andre andre positive fase.

Cholodny-Wents hypotese for fototropisme er den som best forklarer mottak av lys i skuddspissen og lateral transport av auxin over til skyggesiden. Ved ensidig belysning flyttes auxin raskt over på skyggesiden ved basipetal transport. Det er omdiskutert om det skjer en reell forflytning av auxin eller om auxin brytes ned enzymatisk på lyssiden. På skyggesiden av planten forårsaker auxin økt vekst slik at planten bøyer seg mot lyset. Lys gir ikke fotodestruksjon av auxin på lyssiden. Det har tatt lang tid å vise at hypotesen med assymmetri i auxinkonsentrasjon er korrekt.

Det må dessuten finnes et lysregistrerende system siden lys må fanges opp ved absorbsjon før det skjer en respons. Det lysregistrerende pigmentet har blitt kalt kryptokrom, det skjulte pigment, som deltar når planter bøyer seg mot lyset. Navnet har det fått fordi ingen endelig har klart å beskrive og isolere dette fargestoffet fra plantene. Fargestoffet er gult og absorberer bare blått og fiolett lys, ikke grønt, gult eller rødt. Sammenlignes fargen på det virksomme lyset for fototropisme med aktuelle fargestoffer i planten tyder det på at kryptokrom må være et flavin eller karotenoid. Karotenoidene har en karakteristisk 3-finger aksjonsspektrum og mengden av karotenoidet zeaxanthin er korrelert med fototropisk bøyning, uten at det behøver å være noen sammenheng. Blått lys kan stimulere nedbrytning av stivelse og syntese av zeaxanthin.

Molekylærbiologiske studier med mutanter av Arabidopsis hvor blått lys ikke gir redusert strekning, indikerer imidlertid at kryptokrom har noe å gjøre med et flavoprotein. Sekvensering av involverte gener har sekvenslikhet med fotolyaser, som er fotoreaktiveringsenzymer som reparerer thymindimerer etter UV-skader. Fotolyase er enzymer inneholder blåttlysabsorberende flaviner. NPH1 er en autofosforylerende protein kinase stimulert av blått lys og proteinet selv blir fosforylert i blått lys. NPH1 blir kodet av genet nph1 (nonphototropic hypocotyl). Det er en gradient i fosforylering av NPH1 fra lyssiden til skyggesiden.I blåttlysresponser deltar i tillegg to løselige apoproteiner CRY1 og CRY2 som kan binde flaviner. Genet som koder for disse har sekvenslikhet med en fotolyase. Kinasen virker nedstrøms for proteinene CRY1 og CRY2.

Bladmosaikk - en form for fototropisme

Bladmosaikk er en form for fototropisme hvor planter forsøker å plassere bladene slik at de dekker hverandre minst mulig. Skyldes også anisofylli. Bladmosaikk er vanlig hos lønn, alm og villvin. I områder med meget strek solinnstråling forsøker plantene å plassere bladene parallelt med solstrålene slik at de får minst mulig lys. De sistnevnte kalles for skyggeløse planter.

Gravitropisme - respons på tyngdekraften

Plantene reagerer på gravitasjonskreftene og kan orientere seg i rommet og finne ut hva som er opp og ned (gravitropisme). Det første kritiske fasen ved frøspiring er at rota vokser nedover og skuddet oppover, og gravitasjonskreftene er signalet. Røttene vokser i samme retning som tyngdekraften virker (positivt gravitropiske). Skuddet vokser oppover (negativt gravitropisk). Dette gir en vertikal orientering av planten. I visse tilfeller skjer veksten i en spesiell vinkel i forhold til tyngdekraften, som greinene på et grantre. Veksten kan også være vinkelrett på aksen for tyngdekraftens virkning; som for utløpere hos jordbær, og jordstengler og røtter som vokser bortover like under jordoverflaten. Hos grenene på bartrær lages det ofte mer ved på undersiden (reaksjonsved) av en tung gren slik at grenen skyves i rett stilling. Dannelse av reaksjonsved på greiner er et fenomen hvor tyngdekraften deltar, men hvor forklaringen på hvordan det skjer er ukjent. Hos løvtrærne avsettes mest ved på oversiden av tunge utoverhengende greiner slik at grenen trekkes i rett stilling.

Vi vet lite om hvilke prosesser som skjer i andre vinkler enn vertikal orientering.

Legges en plante horisontalt vil etter en tid rota vokse nedover og skuddet oppover. Cholodny- Wents hypotese kan også forklare gravitropisme. For en plante som plasseres horisontalt skjer det en forflytning av auxin ned mot undersiden av stengelen. Dette forårsaker økt vekst på undersiden av skuddet slik at skuddet bøyer seg oppover. I rota er det en kjemisk forbindelse som hemmer veksten produseres i rothetta og forflytter seg på undersiden av rota. Rota responderer annerledes enn skuddet på samme konsentrasjon av auxin. Det er mulig at auxin fra rothetta inhibitoren og høy konsentrasjon av auxin i rota hemmer vekst. Absiscinsyre har også vært foreslått som en mulig vekstinhibitor. Dette gir størst vekst på oversiden av rota som så bøyer seg nedover. I tillegg deltar kalsium (Ca2+) i gravitropisme hos røtter. Det kan muligens finnes strekningsaktiverte Ca2+ kanaler.

Statolitter registrer tyngdekraften

Auxinmolekylene har for liten størrelse til å kunne registrere tyngdekraften direkte. Det er spesielle samlinger stivelseskorn omgitt av membraner (amyloplaster) kalt statolitter som mottar signalet om gravitasjonsretningen. Statolittene i spesielle celler i rothetta og kolumella. I stengelen finnes statolitter i en sone rundt ledningsstrengene i skuddspissen. De spesielle gravitasjonsregistrerende cellene som inneholder statolitter kalles statocyter.

Hos gras er det noe annerledes. Blir et gras liggende horisontalt skjer det tilvekst på undersiden av de øverste knuteaktige leddene (nodiene) på stengelen slik at gresset bøyer seg opp igjen. Det er dette som skjer når kornåkeren etter å ha blitt klappet flat av nedbør (legde) er i stand til delvis å reise seg igjen. Chara alger mangler tilsynelatende statolitter men det er mulig at hele protoplasma virker som statocyt.

Mutanter som ikke responderer på gravitropisme kalles agravitropiske mutanter (axr-mutanter). Scarecrowmutant (scr) av Arabidopsis mangler endodermis og stivelsesskjede. Hos scr-mutanter er både hypokotylen og blomsterstanden agravitropisk.

Apikal dominans - toppskuddet hersker over sideskuddene

Auxin deltar i apikal dominans. Apikal dominans betyr at sideskuddene på en plante hindres å bryte frem så lenge som toppskuddet er intakt. Først når toppskuddet har vokst seg vekk fra sideknoppene blir sideskuddene utviklet. Auxin produsert i toppskuddet hindrer sideskuddene i å vokse frem. Mest ekstremt sees den apikale dominansen hos et grantre. Granskuddet ender i en knoppsamling bestående av endeknopp og 4-5 sideknopper. Om våren vokser endeknoppen rett opp og hindrer sideskuddene i å overta ledelsen. Sideskuddene vokser i en bestemt skråstilling. Andre planter med velutviklet apikal dominans er solsikke og ask.

Fjernes toppen av en plante fjernes også produksjonsstedet for auxin og en rekke sideskudd bryter frem. Vi benytter oss av dette når vi skal ha rikere forgrening på busker, blomster og trær. Tilgang på næring og lys påvirker den apikale dominansen. Lin har sterk apikal dominans hvis det er lite nitrogen og praktspragle (Coleus) i vinduskarmen grener seg mer i sterkt lys.

Kuttes endeknoppen vil det etter en tid bli økt auxinsyntese i snittflaten, men dette er ikke nok til å erstatte den avkuttede spissen. I plantefysiologiske studier av apikal dominans kan auxin løst i lanolin på snittflaten erstatte endeknoppen til en visse grad.

Etter kappingen av et toppskudd øker auxinkonsentrasjonen i sideknoppene slik at det kan ikke være bare auxin i seg selv som direkte hemmer sideknoppene. Det skjer også et samvirke mellom auxin fra skuddspissen og plantehormonet cytokinin fra røttene. Fjernes skuddspissen blir sideknoppene et mer aktivt sluk for auxin. Dessuten finnes abscisinsyre i hvilende sideknopper.

Auxin, vekst og cellestrekning

Mengden endogent auxin er størst i strekningssonen. Derved får man liten effekt på strekningen av koleoptiler eller stengelsegmenter hvis man tilfører planten auxin fra utsiden. Auxin kan i mørkespirte koleoptiler til og med gi hemming av strekningen. Fjernes derimot spissen av koleoptile eller skudd vil stengelbiten respondere på tilført auxin. Den optimale auxinkonsentrasjonen er fra 10-5 - 10-6 M. Den hemmende effekten av auxin ved større konsentrasjoner skyldes auxinindusert etylensyntese. Strekningen av røtter hemmes imidlertid av auxinkonsentrasjoner som gir strekning i skudd. Det er ingen gode eksperimenter som har vist at auxin gir stimulering av strekningsveksten i røtter. Det er den ytre delen av vevet i stengelen som responderer på auxin ved strekning. Auxin gjør at celleveggstrukturen kan løsne katalysert av proteiner kalt ekspansiner. Turgortrykket i cellen er fra 0.3-1 MPa. Auxin deltar når plantecellene vokser i størrelse. Utskilt H+ i celleveggen gjør veggstrukturen løsere.

Det er mulig å hemme veksten ved tilsetning av buffere som nøytraliserer denne surgjøringen. Når veggstrukturen blir løsere blir trykkpotensialet i cellen mindre positivt. Vannpotensialet blir derved mer negativt og dette gjør at mer vann kan komme inn i cellen som derved vokser i størrelse. Auxin surgjør veggen ved å aktivering eller nysyntese av H+-ATPase i plasmamembranen. Transglukosylase, et enzym som overfører sukker fra et polysakkarid til et annet, gjør at molekylene i celleveggen kan gli langs hverandre. Slike proteiner hører med til en gruppe kalt ekspansiner, som får celleveggen til å løsne ved sur pH ved å svekke hydrogenbindingene mellom molekylene. Ved for lavt turgortrykk stopper celler å vokse. Cykloheximid som er et stoff som hemmer proteinsyntese hemmer også auxinindusert transport av H+ ut i veggen. Sopptoksinet fusicoccin stimulerer protonutskillelse og vekst. Dette skjer ved at fusicoccin aktiverer en H+ATPase.

Hvis koleoptiler splittes på langs og legges i kunstig i en løsning som inneholder indoleddiksyre (auxin) så vil de krølle seg hvis epidermis ikke er fjernet. Et cellelag under epidermis påvirker cellestrekning. Det samme gjelder splitting av internodier fra unge erteplanter på langs. Når disse legges i vann krøller de seg på samme måte som splittede koleoptiler, men tilføres auxin vil cellelag under epidermis utvide seg og de splittede internodiehalvdelene vil krølle seg innover og graden er proporsjonal med auxin konsentrasjonen. Auxin virker bare på de cellene som inneholder auxinbindende proteiner som mottakere. Bindingen av auxin til auxinbindende proteiner setter igang en kaskade effekt som gir økt strekning.

Auxin og fruktutvikling

Auxin produseres i frø og er nødvendig for normal utvikling av frukt. Utvikler bare den ene halvdelen av et eple seg skyldes dette sannsynligvis at det ikke finnes frø i den halvdelen av eplet som ikke vokser. Pollinering gir vekst av fruktknuten og fruktsetting. Frukt kan også utvikle seg uten at frø er tilstede. Fenomenet kalles partenokarpi og er velkjent fra druer, appelsiner og bananer. Behandles fruktknuten i en blomst med auxin eller gibberellin kan den partenokarpe frukten vokse til normal størrelse uten at det har skjedd noen pollinering. Jordbær dannes ved at blomsterbunnen svulmer opp. Oppsvumlingen skyldes bl.a. auxin fra frøene. Fjernes frøene (nøtter) på utsiden av bæret stopper bæret å utvikle seg. Påsmøres bæret et auxin etter at frøene er fjernet vil bæret utvikle seg tilnærmet normalt.

Auxin induserer dannelse av vaskulært vev

Auxin virker som et induksjonssignal for å danne trakeider som transporterer vann og grunnstoffer fra jorda. Om våren er auxin fra unge blad og knopper med på å vekke opp vekstlaget i stammen til ny aktivitet. Auxin bestemmer hvor mye ved som skal lages og gibberellin avgjør mengden silvev. Ved såring av stengel eller stamme blir parenkym i cortex redifferensiert til xylem og floem. Såring gir først flere runder med celldelinger av cortex, og deretter dannes ledningsvev. Auxin kommer fra bladet over såringsstedet. Fjernes disse bladene dannes det ikke noe ledningsvev i sårvevet. Silrørscellene mangler kjerne og kan ikke lage mRNA. Protein til silrørscellene må komme fra følgecellene inn via plasmodesmata.

Auxin og rotdannelse - hvorfor røttene dannes ved basis

For å kunne formere mange planter er det viktig å få dannet røtter på det avkuttende skuddet. Adventivrøtter derfineres som dannelse av røtter på andre steder enn der de vanlig forekommer. Etter kutting av et planteorgan starter sårhelingen raskt. De ytre cellelagene dør og lager en beskyttende overflate og xylemet plugges igjen for å hindre uttørking og inntrengning av sykdomfremmkallende organismer. Bak dette beskyttende laget deler parenkymceller seg lager kallusvev, som er en såringsperiderm. Dannelse av kallus og røtter er to uavhengige prosesser. Flere steder på planten ligger det latente intitalceller som kan danne røtter. Disse ligger vanligvis i hvile inntil det blir bruk for dem. Adventivrøttene blir dannet like utenfor ledningsstrengene eller fra levende parenkymceller i det sekundræe floemet, men de kan også komme fra margstråler, kambium, floem, lenticeller eller marg. Selje (Salix sp.) danner lett røtter.

Noen planter kan formeres via blad. Saintpaulia lager nye planter fra sekundære meristem, kalt såringsmeristem. Hos Bryophyllum kan det lages planter fra primære meristemer langs bladranden.

Et skudd danner skudd mot skuddspissen og røtter nærmest koblingen skudd/rot. Stikling er en del av en plante som utvikler seg til en ny plante og gir vegetativ formering. Snittflaten settes i et fuktig substrat og det dannes adventivrøtter nær snittflaten. Dannelsen av adventivrøtter på stengelen stimuleres av auxin. Dette skyldes at auxin akkumuleres like over såringsstedet pga. av polar transport. Indolsmørsyre og naftaleneddiksyre er mer effektive til å danne røtter enn indoleddiksyre.

Auxin stimulerer celler i pericykel over rothårssonen til å dele seg. Det dannes en ny rotspiss som vokser ut og danner vanlige siderøtter. Siden auxin transporteres polart fra skuddspiss til basis vil alltid auxinkonsentrasjonen bli høyest ved basis, selv om skuddet snus opp ned.

alf (Aberrant lateral root formation)-mutanten av Arabidopsis gir ekstrem proliferasjon av adventivrøtter og siderøtter.

Agrobacterium rhizogenes er en bakterie som gir ekstrem utvikling av adventivrøtter på planter.

Auxin og felling av blad og frukt

Auxin forsinker vanlig felling (avkasting) av blader på et tidlig utviklingsstadium av bladet. Det er høye konsentrasjoner av auxin i unge blad. Det blir lavere auxinkonsentrasjon i eldre blad og auxin gir økt bladavkasting på et seinere utviklingsstadium og dette skjer via etylen. Bruddet skjer i et avkastingslag (fellingslag) mellom stengel eller grein og stilken til blad eller frukt. Epler og pærer kaster vekk en andel av frukten før den er ferdig utviklet.

Syntetiske auxiner - herostratisk berømmelse

Industrien har laget flere syntetiske auxiner som har praktisk betydning innen landbruk og hagebruk. F.eks. indol-3-smørsyre som brukes til å få røtter på skuddstiklinger. Naftaleneddiksyre har vært brukt til tynning av eplefrukt. Den kjemiske strukturen som gir auxinvirkning har en negativ ladning på en syregruppe på en sidekjede ved nøytral pH, atskilt av en positiv ladning på en ringstruktur ca. 0.5 nm unna.

Strukturformler for noen auxiner og et dioksin

Fenoksyeddiksyrer brukes som bredbladet ugrasmiddel. "Agent orange" var en blanding av fenoksyeddiksyrene 2,4,-D og n-butylester av 2,4,5-T som ble brukt som løvfellingsmiddel i stor skala av amerikanerene under Vietnamkrigen. I ettertid fant man mange skader på befolkningen som skyldes dioksiner som var med som en forurensning i 2,4,5-T. 2,3,8,9-tetraklorodibenzo-para- dioksinin var et biprodukt under syntesen av 2,4,5-T. Brukes auxiner som ugrasmiddel vokser ikke plantene seg til døde. Noen deler av planten vokser raskere slik at stengelen vrir seg. Derformerte blader og stengler etter auxinsprøyting skyldes epinastisk vekst via etylen. Enzymer som styrer vekst blir også ødelagt.

PCIB (a-p-klorfenoksyisosmørsyre) virker som et antiauxin og interferer med bindingen av auxin til en receptor.

Galler, auxin og cytokinin

Auxin induserer celledeling i kallusvev sammen med cytokininer. I cellesyklus uten auxin stopper cellene i enden av G1- eller G2-fase. Auxin kan stimulere syntese av cyklinavhengige protein kinaser. Cykliner regulerer overgangen fra G1 til S-fase og fra G2 til mitose. En mitogenaktivert protein kinase (MAP) aktiveres av auxin og induserer celledeling.

 

Transport DNA (T-DNA) fra det tumorinduserende plasmidet (Ti-plasmid) hos bakterien Agrobacterium tumefasciens som gir krongalle på planter, inneholder to gener iaaH og iaaM som deltar i syntesen av indol-3-eddiksyreIAA fra tryptofan. I tillegg inneholder T-DNA gener for syntesen av cytokinin.

Auxin - fra reseptorbinding til fysiologisk respons

Auxin kan binde seg til auxinbindende proteiner (ABP1) på plasmamembranen, endoplasmatisk retikulum og tonoplasten.

Auxinbindende protein ABP1 som er et hydrofilt glykoprotein. Proteinet lages på endoplasmatisk retikulum og fraktes inn i lumen. Proteinet beholdes der pga. en KDEL-sekvens som gir et signal om av ABP1 ikke skal fraktes ut av lumen. ABP1 påvirker membranpotensialet, cytoskjelettet og formen av celler, samt deltar i clathrinavhengig resirkulering av PIN-proteiner. TIR1-protein (TRANSPORT INHIBITOR RESPONSE1) er et F-boksprotein og eksempel på en auxin-reseptor. Når auxin festes til TIR1 binder TIR1 seg til et Aux/IAA repressorprotein som blir ubiquitinert og nedbrutt via proteasomer.

Fra dyr kjenner man til en signalvei bestående av G-protein, fosfolipase C, inositol-3-fosfat (IP3) som resulterer i åpning av Ca2+ kanaler og økt konsentrasjon av Ca2+ i cytosol. Fettsyrene blir frigitt fra fosfolipidene via enzymet fosfolipase A2 som er første trinn i syntesen av jasmonat. Hos dyr via eicosanoidveien som fører frem til syntesen av prostaglandiner. Fra dyr kjenner man til prostaglandinstimulert celledeling av prostaglandinavhengig adenylylcyklase som lager cAMP.

Hos planter skjer det en økning av konsentrasjonen av syklisk AMP (cAMP) i S-fasen av cellesyklus, men syklisk GMP (cGMP) har en viktigere funksjon i planter enn cAMP.Auxin kan gi virkning ved å påvirke syntesen av mRNA. Kloning av cDNA sekvenser som aktiveres av auxin gir kloner som kan brukes til å lage radioaktive cDNA prober. Man kan derved gjøre studier av hybridisering av radioaktive cDNA prober til totalmengden mRNA etter forskjellig tid etter at auxin er tilsatt.Et slikt eksperiment går ut på å isolere mRNA fra auxinbehandlet vev og kontrollvev. Deretter lages cDNA fra mRNA. cDNA settes inn en kloningsvektor (plasmid /lambdafag vektor) som overføres til en bakterie. Videre lages cDNA bibliotek på agarskåler. Noe av bakteriekoloniene overføres til nitrocellulosepapir som kan hybridiseres med 32P-cDNA fra vev som er behandlet med auxin eller ikke. Etter autoradiografi kan man plukke ut positive kloner.

Slike forsøk viser at auxin påvirker genekspresjon. Genteknologifirmaet Affymetrix® har laget genomarray (genchips, genbrikke) for for flere tusen gener hos Arabidopsis thaliana som bl.a. kan brukes til å studere virkningen av hormoner på genuttrykk.

Primære responsgener (tidlige gener) aktiveres av allerede eksisterende transkripsjonsfaktorer. Noen gener koder for proteiner som regulerer transkripsjonen av sekundære responsgener kalt seinere gener. Gener som man vet kan induseres av auxin er genfamilien SAUR (small auxin upregulated RNAs) som deltar i fototropisme og gravitropisme.

Andre auxininduserbare gener er glutathion S-transferase og ACC syntase, samt GH3 som er et 70 kDa protein.

In vitro translasjon kan også brukes for å studere hvilke proteiner som lages i nærvær av auxin. Først isoleres polyA mRNA. Isolert mRNA sammen med et cellefritt proteinsyntesesystem fra hvetekim som inneholder ribosomer, tRNA, 20 aminosyrer, 35S-methionin og ATP brukes til å lage protein. Ved hjelp av 2-dimensjonal separering av proteiner ut fra molekylvekt og ved isoelektrisk fokusering kan man bestemme hvilke proteiner som påvirkes av plantehormonet.

Auxinresponderende domener i DNA kan studeres ved at promoteren til auxingener settes foran et reportergen f.eks. luciferase (LUC), b-glukuronidase (GUS) eller grønt fluorescerende protein.

Cykloheximid stimulering av genekspresjon har vært brukt som tegn på at det lages kortlevet repressorprotein.

Auxin kan også indusere ubiquitinering av kjerneproteiner.

Arabidopsis aux1 mutant har røtter som er ufølsomme for auxin og er agravitropisk.

Auxin responselement (AuxRE) er en promoter i DNA-sekvensen som binder auxinrespons transkripsjonsfaktorer og derved påvirker genekspresjon.

Auxinresponsfaktorer (ARF) er proteiner med DNA-bindende domene som regulerer transkripsjonen av spesifikke gener som deltar i auxinresponsen. De kan bli hemmet av auxin repressorproteiner som blir nedbrutt i nærvær av auxin, ofte nedbrutt via ubiquitinering og degradering i proteosomer.

Litteratur

Taiz, L, Zeiger, E, Møller I M, & Murphy A: Plant physiology and development (7 ed), Sainauer Assoc., Inc.2015

Wikipedia

Av Halvor Aarnes
Publisert 3. feb. 2011 14:43 - Sist endret 11. apr. 2018 14:13