Aula5_citocininas

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29/3/2015
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MARCELO C. DORNELAS
dornelas@unicamp.br
BV581 - Fisiologia Vegetal Básica -
Desenvolvimento
¨Citocininas¨
Citocininas:
- Histórico
- Funções biológicas
- Biossíntese e metabolismo
- Mecanismo de ação
Citocininas:
- Histórico
- Funções biológicas
- Biossíntese e metabolismo
- Mecanismo de ação
Descoberta das citocininas
Citocininas foram
descobertas em esforços
para identificar compostos
que aumentassem o 
crescimento de células
vegetais em cultura
Nos anos 1950s, o grupo de
pesquisa de Folke Skoog (Univ. 
Wisconsin, EUA) identificou uma 
citocinina sintética, a cinetina (ou 
kinetina)
Controle Com cinetina
cinetina
Descoberta das citocininas
Citocininas foram
encontradas sob a sua
forma natural em diversas
espécies de plantas
Nos anos 1970s, R. C. Letham
identificou a principal citocinina 
natural, a zeatina em endosperma 
imaturo de milho (Zea mays)
trans-zeatina
Outras citocininas artificiais
Thidiazuron (TDZ)
6-benzilaminopurina (BAP)
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Citocininas:
- Histórico
- Funções biológicas
- Biossíntese e metabolismo
- Mecanismo de ação
Citocininas e auxinas regulam a 
organogênese em culturas de tecidos
+ citocinina
+ auxina
+ auxina
e citocinina
Discos de folha de 
tabaco colocados em 
frascos estéreis com 
meio de cultura 
contendo vários 
hormônios
tempo
Citocininas retardam a 
senescência das folhas
A senescência é 
dramaticamente
reduzida em plantas
tratadas com 
citocininas
Plantas controlePlantas
tratadas com 
citocininas
Citocininas regulam complexidade de 
folhas compostas
Aumento da concentração de 
citocininas nas folhas leva ao 
aumento de complexidade
Redução da 
concentração de 
citocininas nas folhas 
leva à diminuição de 
complexidade
O controle da forma das folhas é dependente do gene Knotted1-like 
homeobox (KNOX1) que regula positivamente a biossíntese de citocininas.
Tomate
Folha6 Folha 6 Folha 6Folíolo Folíolo Folíolo
Damagalska, M. and Leyser, O. (2011) Signal integration in the control of shoot branching. Nature Reviews: Molecular 
Cell Biology 12: 211–221. 
Citocininas podem 
diretamente estimular o 
crescimento de gemas 
laterais, mas auxinas podem 
impedir este crescimento 
reprimindo a biossíntese de 
citocininas no nó. Se as 
plantas forem decaptadas, 
citocininas recém-
sintetizadas podem ser 
transportadas ao nó e 
induzir o crescimento das 
gemas laterais.
Citocininas estimulam o crescimento de 
gemas laterais em interação com auxinas
Auxina
Produção 
de citocinina
Crescimento 
da gema
Ação biológica das citocininas é um proceso
que envolve a planta como um todo
Citocininas regulam:
•Desenvolvimento do 
caule e da raiz
•Senescência foliar
•Absorção e alocação de 
nutrientes
•Vários outros processos...
Síntese CK Transporte Percepção 
(receptor)
ativação/
inativação da 
transcrição
Genes
Alvos
Funções
Biológicas
Catabolismo Conjugação
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Citocininas:
- Histórico
- Funções biológicas
- Biossíntese e metabolismo
- Mecanismo de ação
Estrutura das principais citocininas
Citocininassão
compostos
derivados da
substituiçãodo 
N6 de adeninas.
Trans-zeatina e 
isopentenil-
adenina são as 
citocininas mais
ativase mais
abundantes
adenina
trans-zeatina (tZ)
Isopentenil-
adenina (iP)
Síntese de citocininas
iPDP/ 
iPTP 
Isopentenil-
transferase
(IPT)
Adenina e isoprenos são os
precursoresdas citocininas
A atividade de CYP735A 
contribui para a abundânica
relativade iP versus tZ
+ADP/ 
ATP 
tZDP/ tZTP
transZeatin (tZ) 
riboside phosphate 
CYP735A
(trans- hidroxilação)
iP tZ
trans-zeatina 
(tZ)
Isopentenil-
adenina (iP)
Síntese de citocininas
iPDP/ 
iPTP 
Isopentenil-
transferase
(IPT)
+ADP/ 
ATP 
tZDP/ tZTP
transZeatin (tZ) 
riboside phosphate 
CYP735A
(trans- hidroxilação)
iP e tZ são
finalmente
produzidaspor
desfosforilação e 
desrribosilação Formas 
AtivasiP tZ
Síntese de citocininas
iPDP/ 
iPTP 
Isopentenil-
transferase
(IPT)
+ADP/ 
ATP 
tZDP/ tZTP
transZeatin (tZ) 
riboside phosphate 
CYP735A
(trans- hidroxilação)
Estes doisúltimos
passossão
realizados por uma
enzima chamada
LONELY GUY Formas 
AtivasiP tZ
LONELY 
GUY
Superexpressão de IPT causa redução da 
dominância apical, redução do crescimento 
da raiz e atraso na senescência foliar
selvagem Superexpressão 
de IPT
Aumento de 
parte aérea, 
redução da raiz 
Maior crescimento
das gemas laterais
Medford, J.I., et al. (1989) Alterations of endogenous 
cytokinins in plants using a chimeric isopentenyl 
transferase gene Plant Cell1: 403-413. 
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Mutantes ipt possuem crescimento caulinar 
reduzido e aumento do crescimento da raiz
WT atipt1;
3;5;7
WT
WT
atipt1;3;5;7
Mutantes ipt com 
perda de função
possuem menos
de 20% do total de 
citocinina do tipo
selvagem
atipt1;
3;5;7
Miyawaki, K., et al. (2006). Roles of ArabidopsisATP/ADP 
isopentenyltransferases and tRNA isopentenyltransferases in 
cytokinin biosynthesis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103: 
16598-16603.
A expressão de genes CYP735A (e, portanto, 
a produção de tZ) é altamente regulada
Os genes CYP735A
são raiz-específicos, 
induzidos por 
citocininas e 
reprimidos por 
auxinas e ABA
Takei, K., Yamaya, T., and Sakakibara, H. (2004). 
Arabidopsis CYP735A1 and CYP735A2 encode cytokinin 
hydroxylases that catalyze the biosynthesis of trans-zeatin. 
J. Biol. Chem. 279: 41866-41872.
Citocininas podem ser inativadas 
por conjugação ou degradação
A
FORMA
ATIVA Genes CKX são 
induzidos por 
citocinina!
DEGRADAÇÃO É 
IRREVERSÍVEL!
LOG
Citocinina 
oxidase 
(CKX)
CONJUGAÇÃO É
REVERSÍVEL!
Sítios de 
glucosilação
O-glicosilação ou 
O-acetilação
adenilação
Adenina 
Fosforribosil 
Transferase 1 
(APT1) 
Os genes CKX são
importantes reguladores
dos níveis de citocininas !
A superexpressão de genes CKX aumentam o 
crescimento da raiz e reduzem o da parte aérea
Werner, T., Motyka, V., Strnad, M., and Schmülling, T. (2001). 
Regulation of plant growth by cytokinin. Proc. Natl. Acad. Sci. 
USA 98: 10487-10492, Copyright 2001 National Academy of 
Sciences, USA.
Estes efeitos são
muito similares aos
de perda de função
de IPT ! 
Variação natural na expressão de CKX
afeta produção de grãos em arroz
Ashikari, M. et al. (2005) Cytokinin oxidase regulates rice grain production. Science 309: 741 – 745
Plantas de arroz que acumulam mais
citocinina produzem mais devido a 
mudanças na arquitetura da parte aérea
A variedade de arroz Koshihikari 
(Ko) possui expressão elevada de 
OsCKX2 , menor nível de citocinina 
e produção reduzida, quando 
comparada com a variedade 
Habataki (Ha, NIL-GN1)
Citocininas são transportadas principalmente 
pelo xilema mas também pelo floema
Floema
Xilema
A seiva do xilema contém majoritariamente tZ
que é sintetizada nas raízes por CYP735A
A seiva do floema 
contém iP e tZ
iP tZCYP735A
Nas raízes
Diferentes citocininas são produzidas e 
transportadas pela planta. Estas formas
diferentes podem ter efeitos diferentes. 
Diferentes citocininas são produzidas e 
transportadas pela planta. Estas formas
diferentes podem ter efeitos diferentes. 
Lomin, S.N., Krivosheev, D.M., Steklov, M.Y., Osolodkin, D.I. and Romanov, G.A. (2012) 
Receptor properties and features of cytokinin signaling. Acta Naturae 3: 31–45. 
Receptores nas folhas 
são mais sensíveis a tZ
Caule
Receptores nas raízes 
são mais sensíveis a iP
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Citocininas:
- Histórico
- Funções biológicas
- Biossíntese e metabolismo
- Mecanismo de ação
Sinalização de citocininas é mediada
por receptores transmembranares
do tipo histidina-kinase
Cytokinin receptor (AHK2)
Cytokinin receptor (AHK3)
Receptores de 
citocinina possuem 
domínio CHASE que 
se liga à citocinina
Proteínas similares 
incluem o receptor de 
etileno, ETR1
Receptores de citocinina
Histidina-kinases relacionadas
membrana
= 1 molécula de
CRE1
(receptor ativo é um
DÍMERO= 2 moléculas)
Domínio CHASEque 
se liga a citocinina
(extracelular)
Domínio 
transmembranar
Domínio
Histidina kinase
Receptores
funcionais são 
dímeros que seencontram
na membrana
plasmática
da célula
CRE1 funcional
(dímero)
MONÔMERO DE CRE1 (ou AHK2, AHK3)
H H
DD
D=AspartatoH=Histidina
H
D
membrana
Na ausência de 
citocinina,
os receptores 
estão 
inativos. 
CRE1
H H
DD
membrana
Na presença de 
citocinina, há o 
início de uma 
cascata de 
fosforilação
CRE1
H H
DD
CK
membrana
O receptor 
transfere fosfato 
para uma 
histidina 
fosfotransferase 
(Há 5 em 
Arabidopsis, 
AHP1 a AHP5)
CRE1
H H
DD
CK
AHP
(inativa)
AHP
(ativa)
H
H
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membrana
A AHP ativa vai 
para o núcleo 
onde transfere o 
fosfato para um 
regulador de 
resposta (RR).
Há 23 RRs em 
Arabidopsis, 
denominados 
ARR 
CRE1
H H
DD
CK
AHP
H
núcleo
D
ARR
Há dois tipos de reguladores de 
resposta responsivos a citocinina
D
D
Arabidopsis: 10 ARRS tipo A
Arabidopsis: 11 ARRs tipo B
Domínio de
ligação a DNA
Domínio 
receptor
Domínio 
receptor
Arabidopsis possui ainda 2 ARRs do tipo C, 
mas estes não são responsivos a 
citocininas
Regulador 
NEGATIVO
Regulador 
POSITIVO
membrana
ARRs do tipo B 
podem funcionar 
como ativadores 
transcricionais e 
ativar genes 
induzidos por 
citocininas
CRE1
H H
DD
CK
AHP
H
núcleo
D
Transcrição de genes 
induzidos por citocininas
ARR tipo B
membrana
ARRs do tipo A
reprimem a ação 
dos ARRS do tipo 
B e possuem 
outras ações 
induzidas por 
citocininas 
CRE1
H H
DD
CK
AHP
H
núcleo
D
Transcrição de genes 
induzidos por citocininas
D
XXARR tipo B
ARR tipo A
Superexpressão de um ARR do tipo A inibe a 
iniciação de parte aérea em cultura in vitro de 
arroz
Hirose, N., Makita, N., Kojima, M., Kamada-Nobusada, T., and Sakakibara, H. (2007). Overexpression of a type-A 
response regulator alters rice morphology and cytokinin metabolism. Plant Cell Physiol. 48: 523-539.
Controle Superexpressão de ARR 
do tipo A de arroz
Como ARRs do tipo A interferem com a sinalização de citocininas? 
Há duas 
possibilidades não-
exclusivas
ARRs do tipo A 
competem com os 
do tipo B por grupos 
fosfato
ARRs do tipo A 
interferem com a 
ação de transcrição 
dos ARRs do tipo B
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