Auxin je jeden z nejvýznamnějších rostlinných hormonů. Mezinárodní tým vědců nyní zkoumal, jak je řízen jeho transport mezi buňkami.

Badatelé popsali řetězec několika kroků, který vede od změn v membráně na povrchu buňky přes regulační bílkoviny až ke změnám v toku auxinu. Jde o důležitý krok v porozumění tomu, jak tento hormon funguje na molekulární úrovni. Jedním z vedoucích týmu byl český rodák Jiří Friml. Na výzkumu se podíleli také odborníci z Ústavu experimentální botaniky Akademie věd ČR. Výsledky publikoval prestižní vědecký časopis Nature Plants.

Auxin ovlivňuje v rostlinách celou řadu životních pochodů – jejich růst, vznik a vývoj nových orgánů i reakce na podněty z prostředí, například světlo či gravitaci. Je zajímavé, že působení tohoto hormonu závisí na precizním vyladění jeho přenosu mezi buňkami. Ten totiž určuje koncentraci auxinu v jednotlivých místech rostliny a směr i intenzitu jeho transportu na delší vzdálenosti.

Tok auxinu do buněk a ven z nich obstarávají specializované bílkovinné přenašeče. Zásadní roli při transportu z buněk hraje rodina bílkovin nazývaných PIN. Dlouhou a úspěšnou tradici v jejich studiu mají vědci z Ústavu experimentální botaniky Akademie věd ČR (ÚEB). V roce 2006 se podíleli na průkopnické práci, která jako první na světě dokázala, že PIN opravdu fungují jako přenašeče auxinu.

Tým z ÚEB na tomto tématu dlouhodobě spolupracuje s českým rodákem profesorem Jiřím Frimlem, který nyní působí v rakouském vědecko-technickém institutu IST. Profesor Friml dnes patří k nejuznávanějším odborníkům na výzkum auxinu. Za svou práci získal v roce 2019 i prestižní Cenu Neuron za celoživotní přínos vědě.

Jedna ze zkoumaných regulačních bílkovin – kináz – v buněčné kultuře tabáku (zeleně). Převážná část bílkoviny se nachází uvnitř buněk v jejich cytoplazmě. Šipky na obrázku vpravo označují příčné stěny mezi jednotlivými buňkami, které v této kultuře tvoří krátké řetízky. Oba snímky Jan Petrášek.

Bílkoviny PIN usměrňují toky auxinu v rostlině – zajišťují, aby mezi buňkami proudil například nahoru či dolů. Jak ale každá buňka „ví“, kam má auxin přenášet?

To je velké téma současné rostlinné biologie, v němž ještě zůstává mnoho nezodpovězených otázek. Některé se teď rozhodl objasnit tým vědců z několika rakouských a čínských institucí a z ÚEB. Vedli jej Jiří Friml společně s čínským badatelem Hong-Wie Xuem.

Biologové se zaměřili na takzvané kinázy. Jde o regulační bílkoviny, které se běžně vyskytují u všech organismů. Zesilují či tlumí aktivitu dalších bílkovin tím, že chemicky pozměňují jejich molekuly (připojují na ně skupiny obsahující fosfor).

Výzkum probíhal hlavně na pokusné rostlině huseníčku rolním a využil řadu molekulárněbiologických metod i současnou špičkovou mikroskopii. Jak autoři zjistili, činnost auxinových přenašečů PIN řídí dvě kinázy pracující v kaskádě – první kináza aktivuje druhou a ta následně aktivuje bílkoviny PIN.

Dvojice tabákových buněk obarvená třemi různými „svítícími“ fluorescenčními značkami. Zleva doprava jsou označeny jedna ze studovaných kináz (zeleně), membrána na povrchu buňky (červeně) a buněčná stěna (modře). Vpravo pak je obrázek kombinující všechna tři barvení. Foto Jan Petrášek.

První z těchto kináz zřejmě v buňce působí jako „centrální přepínač“ při regulaci mnoha životně důležitých procesů. Kromě rostlin se vyskytuje také u živočichů. Poruchy jejího fungování způsobují u člověka řadu chorob včetně rakoviny nebo cukrovky, což svědčí o velkém významu této molekuly.

Klíčovým objevem rakousko-čínsko-českého výzkumu je, že obě zúčastněné kinázy jsou propojené s biochemickými pochody v membráně na povrchu rostlinné buňky. Jejich aktivitu ovlivňuje chemické složení membrány a také specializované sloučeniny, které zde vznikají při působení různých podnětů a přenášejí informaci o nich dovnitř buňky. Membrány tedy zřejmě hrají mnohem důležitější roli při řízení toku auxinu, než si biologové dosud mysleli.

Českou část vědeckého týmu vedl doktor Jan Petrášek z ÚEB: „Naším úkolem bylo prozkoumat, jak se kináza z huseníčku chová v buněčné kultuře tabáku, která je výborným systémem pro studium auxinových přenašečů. U huseníčku je příslušná kináza částečně uvnitř buňky a částečně na povrchu na buněčné membráně.“

„V tabákových buňkách nás ovšem čekalo překvapení – naprostá většina se držela ve vnitřku buňky. To ukazuje, že umístění kinázy je u různých rostlin řízeno odlišně. Případně můžou mít tabákové membrány jiné složení, jež huseníčková bílkovina neumí adekvátně rozpoznat. Každopádně jde o zajímavé evoluční rozdíly, které by si zasloužily další studium.“

* * *

Odkaz na článek: https://www.nature.com/articles/s41477-020-0648-9 (placený přístup)

Citace: Tan, S., Zhang, X., Kong, W. et al. The lipid code-dependent phosphoswitch PDK1–D6PK activates PIN-mediated auxin efflux in Arabidopsis. Nature Plants (2020). https://doi.org/10.1038/s41477-020-0648-9

Spoluautory článku z ÚEB jsou Jan Petrášek, Zuzana Vondráková a Roberta Filepová.

Text: Jan Kolář, Ústav experimentální botaniky AV ČR.