Auxinas e tropismos

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Auxinas e tropismos
História - Darwin (1890) estudou fototropismo, movimento em direção a luz 
Darwin, C., and Darwin, F. (1881) The power of movement in plants. Appleton and Co., New York.; Photos courtesy of Dr. R.L. Nielsen
Darwin e colegas estudaram coleóptilos –tecidos que protegem as folhas de monocotiledôneas durante a germinação.
O que controla esse movimento? De onde vem o sinal? Qual a substância? 
Remoção ou cobertura do ápice do coleóptilo interfere na resposta
Esses exprimentos demonstraram que o sinal da luz é precebido no ápice, embora o encurvamento ocorre na base. 
Coleóptilo não tratado se curva
Coleóptilos com ápices protegidos da luz ou removidos não se curvam
Darwin concluiu que o singal move do ápice para a base
 Charles Darwin image courtesy of Patche99z
“Nós devemos por isso concluir que quando plântulas são livremente expostas a uma luz lateral alguma influência é transmitida da parte superior para inferior, causando o encurvamento”. 
Boysen-Jensen (1913) demonstraram que a influência transmitida pode mover-se através de um bloco de gel 
Esquerda-direita:
sólido, manteiga, gel, controle. A base do coleóptilo foi sombreado.
Antes
O sinal não pode mover através de um bloco sólido ou manteiga, demonstrando que ele é um químico solúvel em água.
Depois
Left to right – solid, butter, gelatin, control (no cutting). By shading the base, he ensured that the signal had to move from the site of perception above the cut surface through the butter or block and stimulate bending in the base. 
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Reposicionamento do ápice pode induzir encurvamento em luz uniforme
Antes
Depois
Paal (1919) demonstraram que a remoção do ápice e sua reposição em um lado da base é suficiente para causar o encurvamento. 
Controle
ápice removido
Ápice removido e recolocado
Ápice removido e recolocado em um lado
Fixação assimétrica do ápice causa encurvamento 
Leftmost coleoptile is the uncut control, second is cut coleoptile, third is coleoptile with tip replaced symmetrically, and fourth is coleoptile with tip replace to the side, which initiates bending. Note that these experiments are done in uniform, not unidirectional light. These experiments suggest that the signal from the tip promotes growth and that the light changes its distribution. 
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Em 1930, a auxina foi purificada e sua atividade no crescimento demonstrada
Redrawn from Went, F.W. (1935) Auxin, the plant growth-hormone. Bot. Rev. 1: 162-182.
Frits Went coletou auxina de ápices em blocos de ágar...
...e demonstrou que o material coletado nos blocos de ágar foi a substância que promoveu o crescimento.
Este ensaio de encurvamento promovido pelo efeito da auxina no crescimento foi usado como base para sua purificação . 
O ângulo da curvatura é proporcional a quantidade de auxina no bloco.
Ácido indol-3-acético (AIA)
Quimicamente, uma molécula com atividade auxínica deve apresentar uma cadeia lateral ácida ligada a um anel aromático. Em pH neutro, essas substâncias possuem uma forte carga negativa, resultante da dissociação do próton do grupo carboxílico, separada por uma distância de 0,5 nm, de uma carga positiva fraca proveniente do anel. Essa separação é essencial para a atividade auxínica.
Via de Biossíntese de AIA dependente de triptofano
VIA BACTERIANA
VIA DO ÁCIDO INDOL 3 PIRÚVICO
Triptofano descarboxilase
TRIPTOFANO
Triptofano transaminane
Amina oxidase 
Nitrilase 
Triptofano monooxigenase
AIP descarboxilase 
IAM hidrolase 
Indol 3 acetaldoxima
Indol 3 acetaldeído (IAId)
ÁCIDO INDOL 3 ACÉTICO (AIA)
IAId dehidrogenase 
Via de biossíntese de auxina independente de triptofano
Transporte polar das auxinas foi também revelado na década de 1930
Adapted from Went, F.W. (1935) Auxin, the plant growth-hormone. Bot. Rev. 1: 162-182.
Um segmento cortado de um coleóptilo pode mover auxina do ápice para a base.
Este experimento, conduzido por H.G. Van der Weij revelou que as auxinas no brotos é translocada do ápice para base. 
O bloco de ágar da parte de cima foi carregado com auxina, o segmento translocou para a bloco da parte de baixo. 
Quando o segmento é invertido, ele não é hábil para transportar auxina da base para o ápice.
Transporte polar de Auxinas
Auxina se move por longas distâncias através do floema.
Auxina também se move via proteínas transportadoras. 
Auxina se nove normalmente do ápice de brotos em direção ao ápice radicular. Nos brotos na forma basípeta e no sistema radicular na forma acrópeta. No ápice radicular, as auxinas mudam a direção e se movem por curtas distâncias acima na raíz (basípeto). 
Reprinted with permission from Macmillan Publishers, Ltd. Robert, H.S., and Friml, J. (2009) Auxin and other signals on the move in plants. Nat. Chem. Biol. 5: 325-332. Reprinted from Muday, G.K., and DeLong, A. (2001). Polar auxin transport: Controlling where and how much. Trends Plant Sci. 6: 535–542, with permission from Elsevier. 
Transporte de Auxinas
Transportador influxo de auxin AUX1
Transportador efluxo de auxina PIN
Thimann, K.V. (1938). Hormones and the analysis of growth. Plant Physiol. 13: 437-449.
Concentrações de auxina que promovem alongamento no caule podem ser inibitórias nas raízes. 
Coleóptilos ou brotos movem a auxina para o lado sombreado
Esmon, C.A. et al. (2006) A gradient of auxin and auxin-dependent transcription precedes tropic growth responses. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103: 236–241. Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: Friml, J., Wisniewska, J., Benkova, E., Mendgen, K., and Palme, K. (2002) Lateral relocation of auxin efflux regulator PIN3 mediates tropism in Arabidopsis. Nature 415: 806-809.
Comprimento celular
Concentração de Auxina
DR5::GUS
AIA acumula no lado sombreado de hipocótilos de Brassica oleracea fototrópicos estimulados.
Transcrição do promotor DR5 induzida por auxina é elevada no lado escuro do hipocótilo de arabidopsis estimulado com luz. 
Aumento na concentração de auxina promove alongamento celular no lado sombreado, causando encurvamento em direção a luz,.
O papel da auxina na dominância apical foi também foi conhecido em 1930
Decapitação
Substitução do ápice com bloco de ágar: com ou sem auxina.
A auxina reprime o crescimento de gemas laterais
Thimann, K.V., and Skoog, F. (1934). On the inhibition of bud development and other functions of growth substance in Vicia faba. Proceedings of the Royal Society of London B. 114: 317-339 with permission; Went, F.W. and Thimann, K.V. (1937) Phytohormones. The Macmillan Company, New York.
No auxin
Auxin
Bud Length
AIA em bloco de gel
ALF1
ALF1 – regula o número de raízes laterais – reduz a síntese de AIA ou está envolvido na degradação 
Senso ou resposta
Síntese ou transporte
Propriedades das auxinas que promovem o enraizamento foram conhecidas em 1930
Raízes adventícias são iniciadas de estacas de videira tratadas com auxina 
Thimann, K.V. (1938). Hormones and the analysis of growth. Plant Physiol. 13: 437-449. Kerk, N.M., Jiang, K., and Feldman, L.J. (2000). Auxin metabolism in the root apical meristem. Plant Physiol. 122: 925-932.
Um experimento mais recente em que raízes de rabanete foram mergulhadas em solução de auxina e formaram raízes laterais com frequência proporcional a concentração de auxina utlizada.
µM IAA
Via de sinalização de auxina
Síntese
AIA
Transporte
Percepção (receptor)
TF activação/ inativação
Genes alvo
Funções Biológicas
Catabolismo
Conjugação
O efeito da auxina é dependente de sua síntese, transporte, percepção, sinalição, e respostas de genes alvos. A maioria dessas funções é controlada por vários genes com especificidades para diferentes células. 
Adapted from Kieffer, M., Neve, J., and Kepinski, S. (2010). Defining auxin response contexts in plant development. Current Opinion in Plant Biology 13: 12-20.
TF indicates transcription factor
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Resposta da via de auxina – regulação “feedback”
Síntese
AIA
Transporte
Percepção (receptor)
TF activação/ inativação
Genes alvo
Funções
Biológicas
Catabolismo
Conjugação
A via é extensivamente auto regulada através de controle positivo e negativo de feedback. 
Adapted from Kieffer, M., Neve, J., and Kepinski, S. (2010). Defining auxin response contexts in plant development. Current Opinion in Plant Biology 13: 12-20. 
Regulation by environmental factors and other hormones
Synthesis
IAA
Transport
Perception (receptor)
TF activation/ inactivation
Target genes
Biological Functions
Catabolism
Conjugation
Gravity, Nutrient status, Ionic environment, Pathogens, 
Light: directionality, intensity, wavelength
Síntese
AIA
Transporte
Percepção (receptor)
TF ativação/ inativação
Genes alvo
Funções 
Biológicas
Catabolismo
Conjugação
Gravidade, estado nutricional, ambiente, patógenos, 
Luz: directionality, intensidade, comprimento de onda
Etileno, brassinosteróides, citocininas, ácido giberélico, ácido jasmônico .... 
Adapted from Kieffer, M., Neve, J., and Kepinski, S. (2010). Defining auxin response contexts in plant development. Current Opinion in Plant Biology 13: 12-20. 
Ação auxínica em todo processo de desenvolimento da planta 
Inibe o desenvolvimento de brotações laterais 
Promove o desenvolvimento de raízes laterais
Promove iniciação de orgãos laterais na região do meristema apical
Manter células tronco no meristema apical
Controle de padronização e desenvolvimento vascular
Resposta a distribuição de nutrientes e abundância 
Integrar vias de sinalização de crescimento
Integra vias de sinalização do crescimento
Alongamento celular
Respostas de luz
Respostas a patógenos
Respostas a simbiose – formação de nódulos
Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: NATURE Wolters, H., and Jürgens, G. (2009). Survival of the flexible: Hormonal growth control and adaptation in plant development. Nat. Rev. Genet. 10: 305–317. Copyright 2009.
Auxina em ação! 
Como a auxina afeta todos esses muitos processos do crescimento e desenvolvimento das plantas? 
Produtos gênicos induzidos por auxinas
Proteínas Aux/IAA
GH3 (auxina conjugação)
ACS (síntese de etileno)
CKX (degradação de citocininas)
Fatores de transcrição
Produtos gênicos repressados por Auxina
Proteínas de parede celular
ARRs (sinalização de citocininas)
Fatores de transcrição
Percepção (receptor)
Genes alvo
Funções biológicas
A resposta não imediatamente óbvia..... 
Alguns genes regulados pela auxina são claramente conectados com funções seguintes, as quais são mais dificéis de interpretar.
Auxinas e citocininas possuem atividade antagonística
aumento [Auxina]
Skoog F, Miller CO (1957) Chemical regulation of growth and organ formation in plant tissue cultured in vitro. Symp Soc Exp Biol XI: 118–131; Figure from Amasino, R. (2005) 1955: Kinetin Arrives. The 50th Anniversary of a newplant hormone. Plant Physiol. 138: 1177 – 1184.
Raízes
brotos
Auxina e citocininas atuam de forma antagonística – auxina tende promover raízes e citocininas brotações.
Auxina
Citocininas
Aumento [Citocininas]
Auxina suprime a síntese de citocininas, e citocininas induzem a expressão de alguns repressores de auxinas (Aux/IAA e PIN).
Investigações em andamento...
Síntese
AIA
Transporte
Percepção (receptor)
TF ativação/ inactivação
Genes alvo
Funções Biológicas
Catabolismo
Conjugação
O que regula a síntese de auxinas? 
Como as proteínas transportadoras funcionam? O que controla sua atividade e distribuição?
Onde a desativação de auxina auxília?
Quais são os genes alvo e o que eles fazem? 
Como eles funcionam? Quais as outras prote envolvidas ? 
Como todos esses passos trabalham juntos para tornar um planta funcional ????
Por que tantos TF ? Onde eles atuam?
Adapted from Kieffer, M., Neve, J., and Kepinski, S. (2010). Defining auxin response contexts in plant development. Current Opinion in Plant Biology 13: 12-20. 
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