19. Gibberelline e Citochinine PDF

Preview

Summary

biologia vegetale metaboliti secondari...

Description

GIBERELLINE Ad oggi è noto che nel processo di accrescimento non sono coinvolte solo le auxine, ma sono il risultato dell’azione di numerosi ormoni vegetali, che agiscono sia individualmente che in modo coordinato. Le giberelline (GA) furono il secondo gruppo di ormoni ad essere caratterizzati, alle quali appartengono almeno 136 molecole naturali. Di queste, solo alcune possiedono attività biologica. Molte GA non attive si comportano come precursori biologici di GA bioattive, oppure sono il prodotto di degradazione di GA bioattive. La nomenclatura segue l’ordine cronologico di scoperta. Solitamente, esistono poche GA attive in ogni singola pianta e la loro concentrazione dipende dall’altezza del fusto. Infatti, la loro funzione principale è quella di stimolare l’allungamento del fusto, anche se agiscono anche su altri fenomeni fisiologici come la germinazione o lo sviluppo del polline.

Biosintesi Appartengono alla classe dei diterpeni. Possiedono uno scheletro che deriva dall’ent-caurene (isomero strutturale del caurene, un idrocarburo tetraciclico). Per questo motivo lo scheletro tetraciclico delle GA è definito entgiberellanico (e contiene 20C), oppure 20-nor-ent-giberellanico (e contiene 19C, perché il C20 è stato perso durante il metabolismo). Le GA a 20C sono dette C20-GA, mentre quelle a 19C sono dette C19-GA. La maggior parte delle GA bioattive appartengono al secondo gruppo. Inoltre, la loro attività biologica dipende da alcuni gruppi funzionali che ne influenzano il legame con il recettore. La GA principale si è scoperto essere la GA3, o acido giberellico. La sintesi di GA avviene durante tutto il siclo vitale, in diversi organi in base allo stadio di sviluppo. È stato notato che la concentrazione maggiore si registra nei semi immaturi, ma possono comunque anche essere prodotte in un tessuto e trasportate poi verso l’organo bersaglio.

Metabolismo È volto a mantenere adeguati i livelli di GA bioattive nelle cellule vegetali e nei tessuti durante tutto il ciclo della vita. I meccanismi implicati sono tutti reversibili, tranne il catabolismo, che porta alla perdita irreversibile di GA bioattive. La sintesi può essere promossa da freddo, giorni molto lunghi, ma anche dal controllo retroattivo. La coniugazione con gli zuccheri, reversibile, crea GA non bioattive

Effetti delle giberelline Furono inizialmente scoperte come causa di una malattia che colpiva le piante di riso e ne causava l’allungamento degli internodi del fusto, ma sono coinvolte in moltissimi altri processi fisiologici. 1. Accrescimento del fusto Studi hanno dimostrato che l’applicazione di GA esogena promuove l’allungamento del fusto in mutanti geneticamente nani, tanto da farle somigliare alle piante più alte della stessa specie (es.: piante di mais e mutanti nani). In risposta a queste applicazioni esogene di GA, viene stimolata anche la divisione cellulare: si registra l’aumento della lunghezza e del numero di cellule. Questi eventi che portano all’allungamento cellulare, solitamente, sono dipendenti dall’estensibilità ella parete cellulare, ma anche dall’aumento del tasso di assorbimento di acqua (dovuto all’osmosi). Le giberelline non modulano i parametri osmotici, ma possono essere attive sull’aumento dell’estensibilità meccanica della parete  diminuiscono la soglia di cedimento della parete, ovvero la forma minima necessaria a causare l’estensione della parete. Successivamente, si scoprì che in questo processo auxine e giberelline operano insieme: - Auxine: induce l’allungamento del fusto inducendo l’estensione della parete tramite il meccanismo di distensione acida. Inoltre le giberelline non sono mai state riscontrate in un tessuto in completa assenza di auxine. - Giberelline: diminuiscono la soglia di cedimento della parete cellulare; stimolano la proliferazione cellulare nel meristema intercalare. 2. Regolazione della transizione tra la fase giovane e quella adulta È stato dimostrato che le giberelline stimolano la formazione di coni in conifere giovani, evento che determina il loro passaggio dalla fase giovane a quella adulta. L’applicazione di GA è, quindi, in grado di regolare il cambiamento di fase, ma l’effetto può essere sia di ritardo che di stimolo di questo cambiamento, e ciò dipende dalla specie. 3. Stimolo della fruttificazione Con fruttificazione si intende l’inizio dell’accrescimento del frutto a seguito dell’impollinazione. Normalmente questo processo prevede che l’auxina prodotta dai semi aumenti i livelli di GA a livello del pericarpo, inducendone la crescita. Infatti, l’applicazione di GA può causare la fruttificazione e l’accrescimento di alcuni frutti, ed è stata utilizzata in piante di pero, melo, ciliegio. Nel melo serve per superare il portamento biennale. Tuttavia, la fruttificazione in assenza di impollinazione può comunque avvenire se stimolata da un’applicazione di GA esogene  vengono prodotti frutti senza semi (frutti partenocarpici)

4. Promuove la germinazione del seme Il periodo di dormienza di un seme, prima della germinazione, è variabile. Si è scoperto che l’ABA e le GA influenzano il periodo di dormienza in modo antagonisto. Se i semi vengono esposti a trattamenti con la luce, o con il freddo, la quantità di ABA si riduce notevolmente e aumenta la concentrazione di GA bioattive  promozione della germinazione Inoltre, le GA sono in grado di indurre la sintesi di enzimi idrolitici, come amilasi e proteasi dei cereali, che, quando il seme matura, sono in grado di degradare le riserve alimentari accumulate nell’endosperma o nell’embrione e fornire, così, nutrimento ed energia necessari per sostenere la crescita delle pianticelle. Le cariossidi dei cereali sono suddivise in 3 parti: - Embrione (costituito da un organo specializzato nell’assorbimento, lo scutello) - Endosperma (formato uno strato amilaceo centrale e dai granuli di aleurone) - Fusione testa-pericarpo L’endosperma, a livello dei granuli di aleurone, sintetizza e rilascia gli enzimi idrolitici durante la germinazione. Gli enzimi rilasciato sono le α e le β amilasi. La secrezione di questi enzimi dipende dalla presenza dell’embrione, ovviamente. Tuttavia, studi hanno dimostrato che la GA3 può sostituirsi all’embrione e stimolare la degradazione dell’amido  l’embrione durante la germinazione sintetizza e libera nell’endosperma le GA, che stimolano la sintesi e la secrezione delle amilasi da parte dello strato di aleurone.

CITOCHININE Hanno diverse attività biologiche: 1. Inducono la divisione cellulare in calli in presenza di auxina (funzione principale) 2. Promuovono la formazione di gemme/radici da colture di callo, sempre in presenza di auxina 3. Ritardano la senescenza delle foglie 4. Promuovono l’espansione dei cotiledoni nelle dicotiledoni.

Struttura La prima citochinina ad essere scoperta fu la chinetina, un derivato dell’adenina. La chinidina non è un regolatore vegetale di crescita naturale e non è presente come base nel DNA, ma è solo un sottoprodotto della degradazione del DNA. La sua scoperta fu importante, perché si scoprì che, in presenza di auxina, la chinidina poteva stimolare il tessuto parenchimatico del midollo osseo di tabacco a proliferare in coltura  pur essendo un prodotto sintetico, la sua attività suggerì che le molecole con una struttura simile e presenti in natura potessero regolare l’attività della divisione cellulare nella pianta. Tempo dopo, in estratti di endosperma immaturo di mais, fu scoperta la zeatina, una sostanza che aveva lo stesso effetto biologico della chinetina: stimola la divisione di cellule mature della pianta quando aggiunta in un mezzo di coltura che contiene un’auxina. Anche la zeatina è un derivato dell’adenina ed è, in genere, la citochinina prevalente nelle piante superiori. Sono state scoperte anche altre citochinine, tutte derivati dall’adenina e che presentano catene laterali legate all’atomo di N in posizione C6. Possono presentarsi come - Basi libere: sono quelle con maggiore attività biologica - Ribosidi: sono legate ad un ribosio e hanno minore attività biologica, ma il legame è reversibile - Ribotidi: uguali al precedente ma presenta in più 1 gruppo-P - Glicosidi: forma inattiva,

Sintesi 1. L’adenosina viene coniugata con io DMAPP 2. I prodotti di queste reazioni subiscono l’azione di una CYT-P450 monossigenasi e vengono convertite in zeatina Il DMAPP deriva dalla via del mevalonato (principalmente per la cis-zeatina) o dalla via del Metileritritolo-P (principalmente per la trans-zeatina)

Alterazione del metabolismo delle citochinine Dopo ingrandimento e differenziamento, la cellula tipicamente non si divide più Tuttavia, in alcuni casi, le cellule vegetali mature e differenziale della pianta possono ricominciare a dividersi

Esempi: o Cellule mature del parenchima corticale e/o del floema riprendono a dividersi e formano i meristemi secondari o In caso di ferite le cellule sono indotte a riprendere la divisione nel sito di lesione. Vari studi hanno dimostrato che esiste una differenza di regolazione nella divisione cellulare fra i meristemi della radice e quelli del germoglio. È stato dimostrato, infatti, che le radici di pomodoro possono essere coltivate in un mezzo nutritivo semplice (saccarosio + Sali minerali + vitamine), senza l’aggiunta di ormoni. Prendendo i tessuti isolati dal fusto o i germogli, si notò che la crescita non poteva avvenire in assenza di ormoni senza che prima si fossero formate le radici avventizie. Questo suggerì che alcuni fattori derivanti dalla radice potevano regolare l’accrescimento del germoglio. L’unica eccezione si riscontra quando il batterio del suolo Agrobacterium tumefaciens invade una ferita sulla pianta, causando un tumore definito tumore del colletto. In una situazione normale, la pianta viene ferita e induce divisioni cellulari che, però, cessano dopo pochi giorni. In caso di infezione dal A. tumefaciens le cellule continuano a dividersi  formano la galla, una massa disorganizzata di tessuto tumorale. Se trattiamo la pianta che ha sviluppato tumore del colletto a 42°C, i batteri responsabili della formazione della galla muoiono, e rimane solo la massa tumorale senza batteri. Prendendo questa massa di tessuti, derivanti dal fusto e disorganizzati (callo), e ponendola in coltura senza ormoni, si nota che la massa cresce anche se deriva dal fusto.

Perché? Le cellule del tumore del colletto, anche se private dei batteri, hanno acquisito un gene per la sintesi di citochinine libere e di auxine. Il genere deriva direttamente dal batterio o, meglio, dal una certa quantità di DNA del batterio che contiene un plasmide (Ti). [I plasmidi sono frammenti circolari di DNA extracromosomale].

Il plasmide Ti contiene una porzione (T-DNA) che contiene i geni necessari per la biosintesi delle citochinine e che viene incorporata nel DNA nucleare della cellula ospite. Ecco perché, se questo tessuto derivante dal tumore, ma senza batterio, viene posto in coltura prolifera anche senza l’aggiunta di ormoni.

Altri ruoli biologici 1. Aumento della proliferazione cellulare nel meristema apicale del germoglio del fusto Gli esempi fatti fino ad ora consideravano la divisione cellulare in vitro. Numerosi studi indicano che anche in vivo le citochinine svolgono un ruolo essenziale nella regolazione della divisione cellulare. La maggior parte della divisione cellulare avviene nei meristemi e la citochinina svolge un ruolo positivo nella proliferazione delle cellule nel meristema apicale del fusto.ù o Elevati livelli di citochinine possono provocale fasciazione  aumento della proliferazione del metistema apicale del fusto; crescita di germogli laterali. o Inibizione della citochinina porta ad un ritardo nello sviluppo dei germogli. Questo avviene perché il meristema apicale del germoglio si riduce, causando un arresto della crescita e della produzione dei germogli. 2. Diminuzione della proliferazione cellulare nel meristema apicale del germoglio della radice - L’inibizione della citochinina aumenta la crescita delle radici: si registra un aumento del meristema apicale della radice - L’eliminazione di tutti i recettori per la citochinina porta alla riduzione della divisione cellulare sia nei meristemi apicali della radice che in quelli del fusto 3. Regolazione della morfogenesi Studi hanno evidenziato che il differenziamento dei tessuti di callo coltivati e derivanti da segmenti di modollo di tabacco in radici o germogli dipendeva dal rapporto nel mezzo di coltura fra auxina e citochinina.

4. Modificano la dominanza apicale La dominanza apicale è un fenomeno fisiologico vegetale per cui l’apice vegetativo controlla lo sviluppo delle gemme laterali, regolando quindi la forma della pianta. Piante con elevata dominanza apicale hanno un singolo asse di crescita con pochi rami laterali, mentre piante con bassa dominanza apicale avranno un aspetto cespuglioso. La ramificazione è legata ad una regolazione operata dalla cooperazione tra auxina e citochinine: - Auxina: viene trasportata polarmente dalla gemma apicale e sopprime la crescita delle gemme ascellati - Citochinina: quando viene applicata sulle gemme ascellari ne media la divisione cellulare. 5. Promozione del movimento dei nutrienti Le citochine influenzano il movimento di nutrienti nelle foglie da altre parti della pianta  mobilitazione dei nutrienti indotta dalla chitochinina.

Esperimenti di questo tipo hanno dimostrato che i nutrienti sono trasportati e accumulati nei tessuti trattati con citochinine e si è ipotizzato che sia proprio la citochinina che causa questa mobilitazione, creando un nuovo rapporto sorgente/pozzo. 6. Ritardo della senescenza fogliare La senescenza fogliare è un fenomeno di invecchiamento che porta alla morte. Risulta più rapida al buio rispetto che alla luce ma il trattamento con citochinine ritarda questo processo, anche se non lo previene completamente. Effetto di isola verde: un punto della foglia trattato con citochinina rimane verde anche dopo che i tessuti circostanti sulla stessa foglia iniziano a subire il processo di senescenza....