Μελέτη του μεταφορέα Κ+ -TRH1 ως μοριακός διαμεσολαβητής στις περιβαλλοντικές καταπονήσεις

Abstract

Η φυτική ορμόνη αυξίνη σχετίζεται με την ανάπτυξη και την απόκριση του φυτού στις καταπονήσεις. Η αυξίνη παράγεται στα υπέργεια τμήματα και μεταφέρεται στη ρίζα μέσω ενός εξειδικευμένου δικτύου πρωτεϊνικών μεταφορέων, στο οποίο συμμετέχουν μεταξύ άλλων οι πρωτεΐνες PIN, AUX/LAX και TRH1. Η αυξίνη απαντάται σε δύο μορφές στο φυτό: Στην πρωτονιομένη IAAH σε όξινα περιβάλλοντα και την ανιονική ΙΑΑ- σε ουδέτερα περιβάλλοντα. Σύμφωνα με τη χημειοωσμωτική θεωρία για τη πολικής μεταφορά της αυξίνης, στο κυτταρόπλασμα το pH είναι ουδέτερο (≈7,0), ενώ διατηρείται όξινο (pH ≈5,5) στον αποπλασματικό χώρο. Έτσι η διαβάθμιση pH που δημιουργείται επιτρέπει στην αυξίνη να εισέλθει στο κύτταρο κυρίως με ενεργή εισροή της μορφής ΙΑΑ- από τους πρωτεϊνικούς μεταφορείς AUX/LAX. Στη συνέχεια η εκροή της αυξίνης γίνεται μόνο μέσω εξειδικευμένων μεταφορέων εκροής PIN και TRH1. Το γονίδιο TRH1 κωδικοποιεί ένα μεταφορέα καλίου. Στα φυτά trh1, η ρίζα δεν αντιλαμβάνεται τον άξονα της βαρύτητας και δεν σχηματίζει ριζικά τριχίδια. Οι φαινοτυπικές αυτές ανωμαλίες σχετίζονται με τη διαταραχή της ομοιόστασης της αυξίνης στο ακρορίζιο. Σκοπός της μελέτης αυτής ήταν να διευκρινιστεί ο ρόλος του μεταφορέα TRH1 στην αντίληψη-απόκριση σε συνθήκες καταπονήσεις ακραίων τιμών pH και τοξικότητας αργιλίου εξετάζοντας ταυτόχρονα την ορθότητα της χημειοωσμωτικής θεωρίας. Αυτό έγινε μέσω καταγραφής της αρχιτεκτονικής απόκρισης του ριζικού συστήματος βάση κύριων μορφολογικών χαρακτηριστικών της ρίζας όπως η στρέψη, το μήκος και η μορφογένεση των ριζικών τριχιδίων. Παράλληλα με τη βοήθεια του βιοδείκτη αυξίνης DR5::GUS εντοπίστηκε η κατανομή της ορμόνης στο ακρορίζιο. Σε αντίθεση με το βασικό pH, σε όξινες συνθήκες παρατηρήθηκε διαταραχή στην ομοιόσταση της αυξίνης, η οποία φαίνεται να επηρεάζει το μήκος της ρίζας, τη στρέψη και την μορφογένεση των τριχιδίων. Τα αποτελέσματα υποστηρίζουν ότι ο μηχανισμός απόκρισης συνδέεται με τη λειτουργία του συστήματος TRH1. Το αργίλιο δεν προκάλεσε δραματικές επιδράσεις όπως το όξινο pH στην αρχιτεκτονική της ρίζας. Συνοπτικά το σύστημα TRH1 αντιλαμβάνεται την ιοντική διαταραχή εξαιτίας της υψηλής συγκέντρωσης Η+ επηρεάζοντας την ομοιόσταση της αυξίνης στο ακρορίζιο.

The plant hormone auxin is involved in plant development and response to stress. Auxin is mainly synthesized in the aerial parts and is transported to the root by an elegant network of protein transporters such as the PIN auxin-efflux carriers, the TRH1 potassium transporter and the AUX/LAX auxin-influx carriers. Auxin exists in two forms, the protonated IAAH in acidic environments and the IAA- anion in neutral environments. According to the chemiosmotic theory of polar auxin transport, cells maintain a neutral pH (≈7) at the cytosol and an acidic pH (≈5.5) at the apoplastic space. In this way a pH gradient is formed, which allows the IAA- form of auxin to enter the cell by active transport by the AUX/LAX transporters. Auxin efflux is performed by active transport of the IAA- form through the PIN and TRH1 transporters. The TRH1 gene encodes a potassium transporter. The root of trh1 plants is agravitropic and produces tiny-root-hairs. These abnormal phenotypes emanate from the auxin imbalance that occurs in the root-tip. The aim of this project was to clarify the role of TRH1 in the perception of/response to stress caused by extreme pH values or toxic aluminum concentrations and to validate the chemiosmoitic theory. This was accomplished by observing the root responses to stress through the recording of main morphological features including root length, gravitropism and morphogenesis of root hairs. In addition, auxin distribution in the root tip was monitored by the use of the auxin biosensor DR5::GUS construct. In contrast to basic pH, in acidic conditions a disturbance in auxin homeostasis was observed affecting root length, gravitropisms and root hair formation. The results support the role of TRH1 system in stress response. Unlike the acidic pH, aluminum had no effect on root architecture. Taken together, the TRH1 system possibly perceives the ionic disturbance caused by high H+ concentration and affects auxin homeostasis in the root tip to control root response to stress.