Auxine: il primo ormone vegetale ad essere scoperto

GLI ORMONI VEGETALI

Gli ormoni sono dei messaggeri chimici prodotti dalle cellule, capaci di modulare i processi cellulari in altre cellule, interagendo con alcune proteine che fungono da recettori. Gli ormoni vegetali, o fitormoni, sono stati scoperti solo di recente, a differenza degli ormoni animali. C’è una differenza tra ormoni animali e fitormoni: i secondi infatti non sono prodotti da ghiandole specializzate a questa funzione, ma da organi non specializzati. Per il resto, anche i fitormoni vengono trasportati nella pianta fino al sito bersaglio, dove possono espletare le loro funzioni, innescando risposte fisiologiche specifiche. Gli ormoni vegetali sono meno di quelli animali, e per questo hanno diverse funzioni e agiscono su più organi. Possiamo quindi vedere gli ormoni vegetali come segnali prodotti dalle piante con funzione regolativa, capaci di innescare una serie di risposte cellulari, responsabili poi di diversi macroprocessi, come l’accrescimento, la morfogenesi o il metabolismo. Tra i fitormoni, le auxine meritano una menzione speciale: furono i primi ormoni vegetali ad essere scoperti. L’auxina è fondamentale per la crescita e per lo sviluppo delle piante, tanto da essere uno dei pochi ormoni ad essere richiesto in modo continuo. Il suo nome, auxina, deriva dal greco auxein, che significa “aumentare” o “crescere”, perché inizialmente fu scoperto come un promotore della crescita. Ma le sue funzioni erano molte di più.

AUXINA: NOME IN CODICE ALCOL INDOL-3-ACETICO

L’auxina principale è l’acido indol-3-acertico (IAA). Ma dove si trovano le auxine nella pianta? Dove vengono prodotte? L’IAA viene sintetizzata principalmente nei meristemi apicali dei germogli e nelle nuove foglie, ma anche i meristemi apicali delle radici sono siti di sintesi. Anche i giovani tessuti in divisione producono l’ormone. A livello strutturale l’IAA è molto simile al triptofano, un aminoacido, e al suo precursore, l’indol-3-glicerolo-fosfato. Queste due molecole sono i principali precursori per la biosintesi dell’IAA. Una riserva di questo ormone è presente anche nei semi e negli organi di riserva, dove viene legato covalentemente a diversi composti a basso peso molecolare, come gli aminoacidi, o alto peso molecolare, come alcune molecole. Queste riserve di auxina possono essere liberate quando necessario. Tuttavia, a volte le concentrazioni dell’ormone superano il livello ottimale, e a quel punto la quantità in eccesso viene degradata. Il catabolismo avviene tramite due vie ossidative. In altri casi persino la luce può degradare l’auxina, un processo noto come fotodistruzione.

IL TRASPORTO DELL’AUXINA: UN PERCORSO RICCO DI “AIUTANTI”

L’auxina si muove dall’apice verso la base, cioè basipetamente. Si tratta quindi di un trasporto unidirezionale, anche definibile traporto polare, e questo tipo di trasporto è unico dell’auxina tra gli ormoni delle piante. Automaticamente, essendo l’apice del germoglio la fonte principale di auxina per la pianta, il trasporto polare contribuisce a creare un gradiente dell’ormone, dal germoglio alla base. Questo gradiente longitudinale agisce poi su molti processi, dall’allungamento del fusto alla dominanza apicale, dalla cicatrizzazione delle ferite alla senescenza delle foglie. I siti entro cui viaggia l’ormone, sono i tessuti parenchimatici vascolari connessi allo xilema. Il suo traporto polare non dipende dalla gravità, e procede da cellula a cellula attraverso il simplasto: perciò l’auxina esce da una cellula ed entra in un’altra cellula, e così facendo si sposta nella pianta. Chiaramente, questo processo di trasporto richiede energia sottoforma di ATP.

Il modello chemiosmotico

Secondo il modello chemiosmotico per il traporto polare dell’auxina, la forza proton motrice viene usata per permettere l’ingresso nella cellula dell’ormone, mentre l’efflusso dalla cellula è causato dal potenziale di membrana. Questo ormone può entrare nella cellula vegetale in due modi: con una diffusione passiva nella forma protonata (IAAH) o tramite un trasporto attivo secondario nella forma dissociata (IAA-) tramite un simportatore (AUX1/LAX) che cotrasporta due protoni insieme all’anione auxina. Senza questo tipo di traporto la forma carica negativamente dell’ormone non potrebbe entrare nella cellula. Quando l’auxina è nella cellula, la maggior parte si dissocia nella forma anionica, e poiché la membrana è impermeabile agli anioni, questa si andrà ad accumulare nella cellula. Questo accumulo di anioni sarà responsabile del successivo trasporto dell’auxina fuori dalla cellula. Anche in questo caso intervengono alcune proteine, facenti parti della famiglia PIN: questi carriers sono sempre posti all’estremità opposta rispetto a dove entra l’ormone, perciò tornando al nostro traporto longitudinale, immaginiamo che l’auxina entri dall’alto ed esca dal basso della cellula, grazie a questi carriers. Ma cosa impedisce in seguito all’auxina di entrare nuovamente nella stessa cellula? Per impedire all’auxina di tornare nella cellula, intervengono altre proteine facenti parti di un’altra famiglia definita ATP Binding Cassette (ABC), che grazie al consumo di ATP, impediscono all’auxina di tornare nella cellula.

Le vie di trasduzione delle auxine

L’auxina è un messaggero che ha bisogno di arrivare nel suo punto di destinazione, in modo da attivare determinate risposte nella pianta: possiamo paragonare l’auxina ad una mail, che viene spedita con un messaggio, e che deve arrivare a destinazione. Nel caso dell’auxina, la destinazione è rappresentata da alcuni recettori specifici formati da proteine della famiglia SCF TIR1/AFB e da un membro della famiglia di proteine di repressione trascrizionale AUX/IAA. In assenza di auxina, la proteina di repressione AUX/IAA inibisce la trascrizione di geni indotti dall’auxina legandosi al fattore di trascrizione ARF (fattori di risposta all’auxina), rendendolo inattivo. Cosa succede quando arriva l’auxina? L’auxina agisce come una “colla”: si lega in primis al recettore SCF TIR1/AFB, recluta il repressore AUX/IAA, e in seguito ne promuove la distruzione mediante molecole di ubiquitina. La rimozione del repressore libera l’attivatore trascrizionale ARF, che stimola la trascrizione dei geni indotti dall’auxina. I geni indotti dall’auxina sono di due tipologie: geni di risposta primaria e geni tardivi. Tra i geni precoci troviamo i geni AUX/IAA, i geni SAUR e i geni GH3. I geni SAUR sono stimolati in 2-5 minuti, i geni GH3 in 5 minuti, e hanno ruoli nell’allungamento e nell’accrescimento. Altri geni di risposta primaria hanno il compito di degradare l’auxina impedendo che questa si accumuli in quantità eccessive. I geni tardivi si attivano invece a distanza di 2-4 ore, e sono regolati da alcuni geni precoci. Questi geni sembrano avere un ruolo nell’adattamento allo stress.

LE FUNZIONI DELL’AUXINA NELLE PIANTE

L’auxina fu scoperta inizialmente come l’ormone coinvolto nell’allungamento del fusto e nel ripiegamento verso la luce del coleottile. Questo ripiegamento è dovuto al diverso allungamento della parte in ombra rispetto alla parte esposta alla luce. Perciò, l’auxina ha una prima funzione: regolare la velocità di allungamento cellulare. Oltre a questa funzione, ha un ruolo nei tropismi delle piante. Si distinguono diversi tropismi: fototropismo, o crescita verso la luce, assicura che le foglie ricevano una quantità sufficiente di luce per la fotosintesi; gravitropismo, o crescita in risposta alla gravità, permette alle radici di crescere verso il basso nel suolo e ai fusti di crescere verso l’alto; tigmotropismo, o crescita a seguito di contatto. In tutti questi casi, l’auxina è l’elemento chiave. L’ormone influenza anche lo sviluppo della pianta, regolando molte fasi del ciclo vitale, dalla germinazione alla senescenza, la dominanza apicale, la collocazione delle foglie e la loro caduta, e anche lo sviluppo dei frutti.

Allungamento cellulare

L’auxina viene sintetizzata nell’apice del germoglio, per essere poi trasportata basipetamente verso il fusto: questo trasporto è fondamentale per promuovere l’allungamento del fusto. Sperimentalmente, si è visto che rimuovendo l’auxina endogena prodotta dalla pianta, la velocità di allungamento rallenta fino ad una bassa velocità di base. Dare auxina in più spruzzandola sulla pianta non aumenta l’allungamento e può persino risultare inibitoria. Infatti la concentrazione ottimale per la crescita è naturalmente presente in condizioni normali. L’effetto inibitorio che si osserva quando l’auxina supera la concentrazione ottimale è attribuibile ad un altro ormone: l’etilene. Proprio l’auxina induce la produzione di questo ormone, che rallenta la velocità di allungamento. Nelle radici è richiesta una concentrazione di auxina minore rispetto al fusto: la quantità di auxina che promuove la crescita del fusto, ha effetti inibitori nelle radici. L’auxina è fondamentale per l’allungamento dei tessuti esterni dei fusti, che senza lo stimolo dell’auxina si allungano in misura molto minore rispetto ai tessuti interni. Per avere questo effetto, quando l’auxina “scende” dal germoglio, deve essere indirizzata verso i tessuti esterni: questo trasporto laterale avviene grazie alle proteine PIN e ai trasportatori ABCB, le stesse proteine che abbiamo visto parlando del trasporto polare. Quando l’auxina arriva e raggiunge le concentrazioni ottimali, in circa 10-12 minuti aumenta la velocità di crescita del fusto. A cosa serve questo tempo così preciso? Serve a preparare il sistema biochimico della cellula per l’aumento della crescita. Passiamo ora a capire in che modo l’auxina riesce ad aumentare la velocità di crescita del fusto. Le cellule vegetali si espandono in diverse fasi: in primis avviene l’assorbimento dell’acqua per osmosi attraverso la membrana plasmatica causato dal gradiente di potenziale idrico; l’acqua aumenta la pressione di turgore interna che spinge la parete cellulare ad espandersi e allungarsi, ma questo accade solo in seguito ad un indebolimento biochimico della parete. L’auxina stimola l’estensione delle cellule vegetale con il modello dell’accrescimento acido: secondo questa teoria, gli ioni idrogeno (H+) sono gli intermediari tra l’azione dell’auxina e l’indebolimento della parete. Infatti l’auxina promuove l’estrusione degli ioni idrogeno, grazie ad una pompa H+-ATPasi. L’ambiente acido che si crea stimola l’accrescimento delle cellule vegetale: un gruppo di proteine, definite espansine, indeboliscono la parete cellulare rompendo i legami a idrogeno presenti, quando il pH è acido. In questo modo, l’auxina indirettamente permette l’allungamento delle cellule vegetali.

Tropismi delle piante

Abbiamo già accennato che nei tropismi delle piante, l’auxina è determinante. Per quanto riguarda il fototropismo, o crescita verso la luce, è l’apice del germoglio a percepire la luce, ma il ripiegamento e la curvatura verso la luce, avviene nel fusto, grazie all’auxina: questa infatti viene redistribuita a seconda della luce, e comporta una maggiore crescita del lato in ombra, che causerà un maggior allungamento di quel lato, e di conseguenza una curvatura del fusto verso la luce. Per ottenere tutto questo, serve sia che l’apice del coleottile percepisca stimoli luminosi, sia che l’auxina venga spostata non più verso il basso, ma lateralmente verso la parte in ombra, durante uno stimolo luminoso. La ricezione della luce, in Arabidopis, avviene grazie a due proteine: le fototropine 1 e 2, dei veri e propri recettori per la luce blu, che inducono il ripiegamento fototropico. Infatti a seguito della fosforilazione di queste proteine, induce il movimento laterale dell’auxina, verso la parte in ombra, dove l’auxina attiva l’allungamento cellulare differenziale, che porterà la pianta a curvarsi verso la luce. Anche l’acidificazione dell’apoplasto ha un ruolo nel fototropismo: infatti, il pH dell’apoplasto nella parte di fusto all’ombra è acido, e la diminuzione del pH aumenta il trasporto di auxina. Adesso una domanda: cosa accade se si mettono in orizzontale delle piantine in una stanza buia? Le piante crescono curvandosi verso l’alto, ma la stanza è buia, quindi non può essere la luce a stimolare questa crescita. È la gravità: e parliamo del gravitropismo. La percezione della gravità nei germogli avviene nella guaina amilifera, uno strato di cellule intorno ai tessuti vascolari. La guaina amilifera contiene le proteine PIN3 e ABCB19, che limitano e indirizzano il trasporto di auxina esclusivamente nel cilindro vascolare. Questa regolazione verso il basso nel trasporto dell’auxina nelle cellule della guaina amilifera, mediato anche dalle proteine PIN1, che ne impedisce il trasporto laterale è fondamentale per il gravitropismo. In questo modo, quando un germoglio viene posto orizzontalmente in una stanza buia, l’auxina verrà ugualmente trasportata lateralmente, verso la parte inferiore, causando una crescita più rapida della parte inferiore rispetto a quella superiore: la pianta crescerà così curvando verso l’alto. Tuttavia, la gravità, a differenza della luce viene percepita da tutte le parti della pianta: responsabili di questa percezione sono degli amiloplasti eccezionalmente densi, gli statoliti, che si posizionano “sul fondo” della cellula. Questi amiloplasti sono presenti in cellule specializzate dette statociti. La percezione della gravità può coinvolgere anche altri due fattori come secondi messageri: pH e ioni calcio (Ca2+). Quando la pianta percepisce che l’asse del fusto viene piegato rispetto al vettore della gravità, i segnali che porteranno poi alla curvatura verso l’alto si attivano tramite dei gradienti di pH e di calcio. Ad esempio, bastano pochi minuti di gravistimolazione per osservare che il pH citoplasmatico delle cellule aumenta, mentre il pH dell’apoplasto diminuisce, grazie al lavoro di alcune pompe H+-ATPasi.

Dominanza apicale, fillotassi e senescenza fogliare

Nelle piante si assiste al fenomeno della dominanza apicale, in cui la gemma apicale inibisce la crescita delle gemme sottostanti laterali. Se viene tagliata la gemma apicale, le gemme laterali si svilupperanno. Tuttavia, l’auxina può continuare ad inibire lo sviluppo delle gemme laterali. Si è quindi ipotizzato che sia proprio grazie a questo ormone che la gemma apicale inibisce lo sviluppo delle altre gemme laterali. Questa ipotesi fu in seguito confermata con degli esperimenti. Alcuni esperimenti con Arabidopsis indicano che una proteina influisce in questo processo: la proteina AXR1, implicata nel meccanismo di percezione dell’ormone. Le auxine influiscono sullo sviluppo delle foglie, e sulla fillotassi, ovvero il pattern di emergenza delle foglie dal fusto. In questo caso, è decisiva la presenza della proteina PIN1: quando manca, il movimento dell’auxina è impedito e non si avvia lo sviluppo delle foglie. Ma parlando ancora di foglie, le auxine hanno un ruolo anche nell’abscissione fogliare, ovvero nella caduta delle foglie. L’abscissione si verifica in un’area definita zona di abscissione, posizionata vicino al picciolo. Prima della caduta, si formano uno strato di cellule particolari, definito strato di abscissione: le cellule che ne fanno parte, durante la senescenza fogliare, digeriscono e degradano la loro parete cellulare, il che le rende deboli. Quello che si è notato, è che le concentrazioni di auxina nelle foglie giovani sono alte, e diminuiscono progressivamente nel tempo. Se si somministra auxina extra, si ritarda la formazione dello strato di abscissione, e quindi si ritarda la caduta della foglia.

Le auxine promuovono lo sviluppo dei frutti

Durante lo sviluppo dei frutti, ci sono molte prove che dimostrano l’importanza dell’auxina. Questa viene infatti prodotta o mobilitata nel polline, e lo stimolo per la crescita del frutto può avvenire quindi proprio con l’impollinazione. In seguito all’impollinazione, avviene l’accrescimento dell’ovulo, momento noto come fruttificazione. Dopo la fecondazione, l’auxina prodotta nei semi può promuovere l’accrescimento del frutto. Un caso interessante riguarda la fragola: l’ormone è prodotto dagli acheni, i veri frutti della fragola, i quali contengono ciascuno un seme. La presenza degli acheni determina la crescita e lo sviluppo del ricettacolo, ovvero della fragola. Infatti, quando si tolgono gli acheni si sviluppa una fragola di dimensioni molto minori. Questo dimostra come l’auxina prodotta dai semi, influenzi lo sviluppo dei frutti. Questo effetto ha portato all’utilizzo di auxine artificiali da parte dell’uomo per promuovere lo sviluppo di frutti senza semi (partenocarpia). Le auxine sono utili anche in agricoltura, dove sono usate come erbicidi: quando somministrate in eccesso inducono un’eccessiva espansione cellulare, che finisce per uccidere la cellula stessa. Viste tutte le funzioni delle auxine, non sorprende che alcuni abbiano cercato di estrarle dalle piante, per poi utilizzarle per altri scopi, ottenendo una sorta di “auxina fai da te”. Il processo è anche abbastanza semplice, basta far germinare alcuni semi, aggiungere acqua e frullare il tutto per ottenere una miscela, da filtrare, ricca di auxine.