Auksiinid

Ülevaade

Auksiinid on esimesed taimedes tuvastatud kasvuhormoonid. Auksiinide nimi on tuletatud kreekakeelsest sõnast "αυξειν" (auxein), mis tähendab "kasvama" või "suurenema". Auksiine esineb kõigis taime osades, seejuures väga erinevates kontsentratsioonides. Sisaldus on kriitiline informatsioon taimeosade arengu jaoks ning seetõttu reguleeritakse seda rangelt nii ainevahetuse kui ka transpordi kaudu. Olulised on tekkivad auksiinide kontsentratsioonide maksimumide ja miinimumide mustrid, mis juhivad vastavate rakkude ja kogu taime arengut. Kõrgetel kontsentrasioonidel on auksiinid toksilised.
Taimede auksiinide jaotumise struktuur on võtmeteguriks taimede kasvule, eelkõige taimeorganite arengule. Auksiinide lokaalset kontsentratsiooni kontrollitakse biosünteesi, ümberpaigutamise, metaboolse lagunemise ja polaarse transpordiga. Auksiinid toimivad kooskõlas teiste taimedele vajalike hormoonidega või nendele vastupidiselt. Näiteks määrab auksiinide ja tsütokiinide suhe teatavates taimekudedes juurte ja pungade initsiatsiooni.
Molekulaarsel tasemel sisaldavad kõik auksiinid aromaatset tsüklit ja karboksüülhappe rühma. Kõige olulisem auksiinide perekonnast on indool-3-äädikhape (lühend: IAA), mis määrab enamiku auksiinide efektidest ja on kõige mõjusam. IAA on keemiliselt sarnane aminohappe trüptofaaniga. Taimedes on kujunenud IAA kaks sünteesirada, millest üks on trüptofaansõltuv ja teine sellest sõltumatu.
Taimed sisaldavad nelja looduslikult esinevat ehk endogeenset auksiini: indool-3-äädikhape, 4-kloroindool-3-äädikhape, fenüüläädikhape, indool-3-võihape. Enim seni kirjeldatud teadmisi auksiinide kohta põhinevad indool-3-äädikhappel (IAA), teised kolm endogeenset auksiini tunduvad olevat marginaalse tähtsusega looduslikes keskkondades. Endogeensete hormoonide kõrval on teadlased välja töötanud paljusid sünteetilisi ühendeid, millel on samuti auksiinne aktiivsus. Sünteetiliste auksiinide analoogid hõlmavad 1-naftaleenäädikhapet, 2,4-diklorofenoksüäädikhapet (2,4-D), 3,6-dikloro-2-toksübensoehapet jpt.
Mõndasid sünteetilisi auksiine, näiteks 2,4-D ja 2,4,5-triklorofenoksüäädikhapet (2,4,5-T), kasutatakse ka herbitsiididena. Seeläbi on tehtud kindlaks, et laialehised taimed on palju vastuvõtlikumad auksiinidele võrreldes kitsaste lehtedega taimedele, näiteks heintaimedele ja teraviljakultuuridele.

Auksiinide tuvastamine

1880. aastal avaldasid Charles Darwin ja tema poeg Francis töö, kus kirjeldasid eksperimente koleoptüülidega ehk spetsiaalse kileja idupunga ümbritseva kaitsva kihiga. Eksperimendi käigus eksponeeriti koleoptüüle ühest suunast tulenevale valgusele, mille käigus selgus, et need painduvad valguse suunas. Erinevate taimeosade kinnikatmisel läbipaistmatu korgiga tuli ilmsiks, et valgust detekteerib koleoptüüli tipp, kuid paindumine valgusallika suunas toimub hüpokotüülis. Seevastu seemikud ei näidanud mingisugust mõju valguse suhtes, kui nende ots kaeti läbipaistmatu korgiga või eemaldati. Darwinid pakkusid katse tulemustest lähtuvalt välja, et valguse tajumisel on vastutavaks koleoptüüli tipp ning teatud ülekandeaine edastatakse alanevas suunas koleoptüüli tipust, kus toimub lõpuks paindumine.
1913. aastal demonstreeris Taani teadlane Peter Boysen-Jensen, et antud signaal pole liikumatu, vaid mobiilne. Ta eraldas koleoptüüli tipu želatiini kuubikuga, mis takistas rakkude kontakti omavahel, kuid võimaldas kemikaalidel läbi pääseda. Seemikud paindusid nagu alati valguse poole. Seevastu tipu eraldamisel läbipaistmatu ainega varre kaardumist ei toimunud, mis tõestas Darwinite katsete järeldusi.
1928. aastal näitas Hollandi botaanik Frits Warmolt Went, et keemiline ülekandeaine difundeerub koleoptüüli tipust. Katse käigus tuvastati, kuidas kasvu stimuleeriv keemiline aine põhjustab koleoptüüli valguse suunas liikumist. Ta asetas äralõigatud koleoptüülide tipud pimedasse ja kattis mõned nendest agarplokiga, lootes, et need absorbeerivad kasvu stimuleerivat ainet. Kontrollkoleoptüülidele asetas ta kemikaale puuduva ploki. Ülejäänutele paigutas ta kemikaalidega agarplokid, mis paiknesid kas koleoptüüli ülaosas, et jaotada kemikaale ühtlaselt, või nihutatult, et suurendada kontsentratsiooni ühel küljel. Kui kasvu stimuleeriv kemikaal oli jaotatud ühtlaselt, siis koleoptüül kasvas sirgjooneliselt. Vastupidi, kui see oli jagatud ebaühtlaselt, kaardus koleoptüül eemale agarplokiga küljest samamoodi nagu valguse toimel, kuigi katse sooritati pimedas. F.W. Went pakkus hiljem välja, et ülekandeainel on kasvu soodustav hormoon, mis jaotub ebaühtlaselt paindumise regioonis ja mille ta nimetas auksiiniks. Ta jõudis järeldusele, et auksiini kontsentratsioon on suurem varjutatud poolel, mis soodustab rakkude pikenemist ning mille tagajärjeks on paindumine valguse suunas.

Auksiinide transport ja selle ebaühtlane jaotumine

Auksiinid peavad eelistatult olema aktiivsed, tagamaks pidevalt teatud piirkondade kasvu. Lokaalsed auksiinide maksimumid võivad moodustuda aktiivse biosünteesi teel teatud kudede rakkudes, näiteks trüptofaan-sõltuvate radade kaudu. Auksiine ei sünteesita igas rakus, isegi kui rakkudel on säilinud potentsiaalne võime seda teha, vaid üksnes kindlatel tingimustel on nende süntees aktiveeritud. Sel põhjusel peab auksiine ümber paigutama piirkondadesse, kus neid vajatakse.
Auksiinide transport jaguneb kaheks: polaarne ja mittepolaarne transport. Pikemate vahemaade korral toimub auksiinide transport passiivselt floeemis mööda kontsentratsiooni gradienti, mis ei vaja lisaenergiat. Lühemate vahemaade korral rakendatakse unikaalset koordineeritud polaarset transporti otse rakust rakku. Lühikese vahemaaga aktiivses transpordis on mõned morfogeneetilised omadused. Mittepolaarne transport toimub taimeorganismis oluliselt kiiremini kui polaarne auksiinide transport.
Polaarne auksiini transport on kindlasuunaline, väga rangelt reguleeritud ja põhineb auksiinide gradiendil protoneeritud vormi (apoplastis) ja protoneerimata vormi (sümplastis) vahel, mis saavutatakse kindlate plasmamembraanis olevate transporterite abil. Seega on oluline pH erinevus rakukesta ja tsütoplasma vahel. Auksiini protoneeritud vorm difundeerub takistusteta rakku, kuid protoneerimata vorm vajab sisenemiseks kindlaid transportereid. PIN valgud on tähtsad protoneerimata auksiinide transportimisel rakust välja, AUX1 valk on oluline raku sissevoolu kandja. Rakumembraani permeaablus erinevatele vormidele koos polariseeritud sisse- ja väljavoolu transporterite paiknemisele rakus tagavadki polariseeritud auksiinide transpordi. Translokatsioon toimub üle kogu taimeorganismi, käivitatud peamiselt suunaga organi tippudest eemale.
PIN valgu lokaliseerimise reguleerimine rakus määrab auksiinide transpordi suuna rakust ja paljude rakkude ühisel toel tekivad auksiini maksimaalsed piigid (piirkonnad, millel kõrgem auksiinide sisaldus). Organite arenguks on vajalikud auksiinide õigeaegseid ja täpsete kogustega auksiinide maksimume. Ümber auksiinide maksimumidega rakkude asetsevad aine madalama sisaldusega, auksiinide miinimumidega, rakud.

Molekulaarsed mehhanismid:

Rakkudes esinevad auksiini molekulid võivad käivitada otsese vastuse läbi geeniklastrite ekspressiooni stimuleerimise ja inhibeerimise kaudu või geeniekspressioonist sõltumatute meetoditega. Auksiin aktiveerib transkriptsionaalselt nelja varajaste geenide perekonda, kuna aktiveerimiseks vajalikud komponendid peavad eksisteerima varem, et saaks toimuda kiire vastus ärritusele. Antud perekonnad on glutatioon S-transferaasid, auksiini homöostaasi valgud nagu GH3 (Gretchen Hagen3), SAUR-geenid (ingl. Small auxin-up RNAs), mille funktsioon pole hetkel teada ja Aux/IAA valgud (ingl. Auxin/Indole-3-Acetic Acid proteins).

Aux/IAA-SCFTIR1 kompleksi auksiini regulatoorne rada

Aux/IAA valgud on üks näide sellest, kuidas auksiin indutseerib geeniekspressioonis muutuseid. See rada sisaldab valkude perekondi TIR1 (ingl. Transport Inhibitor Response 1), ARF (ingl. kl. Auxin Response Factors), Aux/IAA transkriptsiooni repressoreid ja ubikvitiini ligaasi kompleksi, mis on osa ubikvitiin-proteosoom valgu lagundamise rajast. ARF valkudel on DNA-d siduvad domeenid, mis saavad seonduda geenide promootoraladele ja seeläbi aktiveerida või represseerida geeniekspressiooni olenevalt perekonna esindajast. Aux/IAA repressorid saavad seostuda promooteritega ühenduses olevate ARF valkudega ning seeläbi takistavad need ARF valkude tööd.
TIR1 valkudel on kolm domeeni, mis võimaldavad neil seostuda kolme eri ligandiga: SCFᵀᴵᴿ¹ ubikvitiini ligaasi kompleksiga läbi F-box domeeni, auksiinidega (TIR1 seega auksiini retseptor) ja Aux/IAA valkudega läbi konserveerunud dimeriseerumise domeeni. Auksiinide sidumisel TIR1 valgu antud domeeni afiinsus Aux/IAA repressorvalkude suhtes kasvab, mis seostumisel TIR1 ja selle SCF kompleksiga teevad läbi ubikvitineerimise. Sellele järgneb degradatsioon, mida teostab 26S proteosoom. Aux/IAA valkude lagunemine vabastab ARF valgud, mis aktiveerivad või represseerivad neid geene, millele need on seostunud.
Taimes toimub Aux/IAA repressori raja lõplik väljakujunemine TIR1, ARF ja Aux/IAA valguperekondade mitmekesistamise kaudu. Iga perekond võib sisaldada palju valke, mis erinevad üksteisest afiinsusastme poolest kaasvalkudele, sihtgeeni transkriptsiooni aktivatsiooni või represseerimise koguse või ekspressiooni domeeni poolest. Viimane tähistab seda, et taimekudedes võivad toimida erinevad perekondade esindajad või olenevalt stressi põhjustajast aktiveeritakse erinevad esindajaid. Selline töötlus võimaldab taimel kasutada auksiine spetsiifiliselt sõltuvalt koe ja taime vajadustest.

ABP1 regulatoorne rada

Teine valk ABP1 (Auxin Binding Protein 1) on eeldatav retseptor signaalradade jaoks, kuid selle täpne funktsioon on veel ebaselge. Elektrofüsioloogilised katsed protoplastide ja anti-ABP1 antikehadega viitavad ABP1 funktsioonile plasmamembraanis. Seega võib ABP1 toimida retseptorina üksnes juhul, kui see on transporditud plasmamembraani.

Toime

Auksiinid mõjutavad pea igat aspekti taimede kasvu ja arengu juures. Peamiselt reguleerivad auksiinid taimerakkude kasvu ja varre pikenemist. Lisaks omavad need tähtsust tropismide, vaskulaarse diferentseerumise, apikaalse domineerimise, juurte initsieerimise, lehtede morfogeneesi, abstsissiooni ning õite ja viljade arengu juures. Auksiinid reguleerivad taimede väliskuju, kõigi organite kasvu suunda ja tugevust ning nende vastastikust koostoimet. Toime esineb koostöös teiste vajalike taimehormoonidega.

Tropismid

Auksiinide ebaühtlane jaotumine keskkonnamõjude tõttu, nagu ühesuunaline valgus või raskusjõud, põhjustab ebaühtlast taimekudede kasvu ja ärritaja toimel kasvuliikumist. Kuigi paljud mehhanismide detailid, mille abil indutseeritakse tropisme, on veel teadmata, siis on määratud kindlaks, et auksiinidel esineb nii gravitropismi kui ka fototropismiga kindel seos. Täpsemalt on tuvastatud auksiini ümberjaotumine taimes raskusjõu ja valgusest stimuleeritud kudede vahel. Kindlaks tõendiks on varem mainitud katsed koleoptüülidega, mille puhul need paindusid auksiinide mõjul valguse suunas.

Venivuskasv

Võrsete tippudes paikneva meristeemkoe keskel asuvad tüvirakud, mis on ümbritsetud lehtede või õite initsieerimist esile kutsuvate rakkudega. Eksperimentaalsed andmed näitavad, et selles tsoonis initsieeriakse organite arengut vastuseks auksiinide maksimumidele, mis tekivad auksiini koordineeritud transpordi tõttu, millega on seotud peamiselt PIN1 valgud.
Raku venivuskasvu tingib auksiinide mõju H⁺-ATPaaside aktiveerimisele rakumembraanis, mis tingib suuremat sekretsiooni väliskeskkonda. Seeläbi muutub rakuseina pH happelisemaks ja omakorda aktiveeruvad rakuseina modifitseerivad ensüümid, mis katkestavad glükosiidsidemed rakuseina polüsahhariidsetes komponentides. Rakusein muutub elastsemaks ning turgorrõhk soodustab rakkude venivuskasvu.

Juurte arenemine

Ka juured peavad perioodiliselt tekitama uusi külgjuuri laienemiseks, mis tingitud kõrgendatud auksiinide kontsentratsioonist, mille eest vastutab AUX1 valk. Kuigi peajuure pikenemine kõrgematel IAA kontsentratsioonidel on pärsitud, siis need kontsentratsioonid soodustavad külgjuurte teket peritsüklist.

Apikaalne domineerimine

Auksiinide toime avaldub apikaalse domineerimise korral ehk neil on külgpungade arengut inhibeeriv toime, mis vastasel juhul konkureeriksid tipupungaga valguse ja toitainete osas. Tipupunga eemaldamisel puhkevad külgpungad, millest üks areneb taas juhtivaks. Auksiinid ei akumuleeru alla surutud kasvuga külgpungade meristeemis, mis viitab toimimisele läbi vahesignaalide. Protsess on üsnagi keerukas, sest võrsetest alla transporditavad auksiinid peavad interakteeruma teiste taimehormoonidega, nagu tsütokiniinide või trigolaktoonidega. Auksiinid inhibeerivad külgpungade kasvu, samal ajal toimivad tsütokiinid neile vastupidiselt.

Lehe abstsissioon

Auksiinid inhibeerivad lehtede ja kaasa arvatud viljade abstsissiooni, etüleeni toime seevastu stimuleerib varisemist. Kui auksiinide tase on liiga madal, võib see pärssida etüleeni moodustumist ja prekursori transporti taimedes. Abstsissioon sõltub abstsissioonikihi mõlemal poolel olevast auksiinide kontsentratsioonide koguste suhtest. Taime vananemisel rakuseinad eraldusvöös nõrgenevad ning lõpuks eemalduvad. Auksiinide puudumine põhjustab leherootsu lähedal eraldumiskihi moodustumise, mis nõrgendab seost taimega ning leht langeb.

Vaskulaarne diferentseerumine

Auksiinid indutseerivad floeemi ja ksüleemi moodustamist ja organiseerimist lehtedes ehk vaskulaarset diferentseerumist. Taimede vaskulaarne areng toimub seni, kuni taim kasvab apikaalsete ja lateraalsete meristeemide toel. Uute vaskulaarsete kudede areng võimaldab taimede taastumist ja kohanemist muutustega. Juhtkoed on indutseeritud ja kontrollitud polaarse auksiinide transpordiga mööda taimeorganismi. Eristada saab kolme erinevat vaskulaarset diferentseerumist: primaarne, mis pärineb esmasest meristeemist, prokambiumi sekundaarne ja regeneratiivne diferentseerumine, mille korral juhtkoed diferentseeruvad parenhüümirakkudest. Seega kui taim on haavatud, võivad auksiinid indutseerida just juhtsoonte kudede diferentseerumist ja regeneratsiooni. Arvatakse, et hormoon on seotud ka varre radiaalselt hajutatud vaskulaarsete kimpude (floeemi) ja sisemise (ksüleemi) piirkonna eristamisega.