Fototropisms: augšana gaismas virzienā — auxīns un fototropīni

Uzzini, kā fototropisms, auxīns un fototropīni vada augu augšanu gaismas virzienā — skaidrojums par šūnu pagarināšanos, gaismas receptoriem un tropismu mehānismiem.

Fototropisms ir augšana gaismas virzienā. Tas ir plaši izplatīts augu īpašums (retāk — arī citu organismu, piemēram, sēņu, uzvedībā) un nodrošina, ka dzinumi un lapas nonāk labāk apgaismotās vietās, kur var efektīvāk veikt fotosintēzi. Fototropisms parasti izpaužas kā asimetriska šūnu pagarināšanās — šūnas, kas atrodas vistālāk no gaismas, kļūst garākas, tādēļ stublājs vai dzinums izliekas gaismas avota virzienā. Šo procesu saista ar augu augšanas hormonu auxīnu, kas uzkrājas tumšajā pusē un stimulē šūnu pagarināšanos.

Kā darbojas fototropisms — vienkāršota shēma

Procesu var aprakstīt pa soļiem:

• 1) Gaismas uztvere: dzinuma gaismas jutīgie receptori (galvenokārt zilās gaismas receptori — fototropīni) uztver gaismas intensitātes un virziena atšķirības.
• 2) Signāla pārraide: fototropīnu aktivācija izraisa šūnu iekšējus signālus (piem., fototropīnu autofosforilāciju un pievienotas proteīnu kaskādes iesaisti), kas ietekmē auxīna pārvietošanos.
• 3) Auxīna redistribūcija: auxīns pārvietojas uz dzinuma tumšāko pusi, galvenokārt, izmantojot polāro transportu caur auxīna plūsmu transportējošiem transportieriem (piem., PIN proteīniem).
• 4) Diferenciāla augšana: augstāks auxīna līmenis tumšajā pusē stimulē šūnu pagarināšanos (caur šūnsienu mīkstināšanu, protonu pumpju aktivāciju un eksapnzīnu darbību), tādēļ dzinums izliekas gaismas virzienā.

Molekulārās sastāvdaļas

Augu modelorganismā, piemēram, Arabidopsis thaliana, fototropismu vada galvenokārt zilās gaismas receptori — fototropīni (phot1 un phot2). Aktivējot fototropīnus, iesaistās dažādi signāla pārneses proteīni (piem., NPH3, RPT2, PKS), kas regulē auxīna transporta proteīnu (piem., PIN) lokalizāciju membrānā un tādējādi maina auxīna plūsmu pa dzinumu. Auxīns pats ietekmē šūnu augšanu, aktivējot H+-ATPāzes (skābinot šūnsienas) un veicinot šūnsienu mīkstināšanu, kas ļauj šūnām pagarināties.

Atšķirības starp dzinumiem un saknēm

Vispārīgi runājot, dzinumi parasti izrāda pozitīvu fototropismu — tie aug pret gaismas avotu, jo augstāks auxīna līmenis stimulē šūnu pagarināšanos. Savukārt saknēm bieži novēro negatīvu fototropismu (augt prom no gaismas), taču sakņu uzvedībā parasti dominē gravitropisms. Šo atšķirību iemesls ir šūnu jutība pret auxīnu: sakņu šūnas reaģē uz relatīvi lielāku auxīna koncentrāciju ar augšanas inhibīciju, tāpēc auxīna uzkrāšanās vienā saknes pusē var radīt pagriezienu prom no gaismas.

Vēsturisks skatījums un eksperimentālie pierādījumi

Fototropisms tika pētīts jau 19. gadsimta beigās. Klasiskie eksperimenti, piemēram, Darvina ģimenes darbi ar jauniem dzinumu galiem, parādīja, ka gaismas uztveršana notiek dzinuma galā. Vēlākie eksperimenti (piem., Boysen-Jensen, Went) palīdzēja pierādīt, ka signāls par augšanas maiņu ir diffusējams (hormons — auxīns) un ir polarizēta kustība uz tumšo pusi. Šie pētījumi veicināja mūsdienu izpratni par auxīna lomām un polāro transportu.

Atsevišķi piemēri un bioloģiskā nozīme

• Ķīļveidīgi jauni dzinumi un koleoptili bieži izrāda spēcīgu pozitīvu fototropismu, kas palīdz dīgstam ātri sasniegt gaismu.
• Dažu vīnogulāju un rāpojošu augu dzinumu galiem var būt negatīvs fototropisms, kas ļauj tiem meklēt tumšas, cietas virsmas un uz tām kāpt.
• Atsevišķas augu kustības uz gaismu (heliotropisms) var būt arī ātras, ritmiskas pārvietošanās, kas tiek kontrolēta ar locītveida šūnām un cirkadiskajiem ritmiem; tas atšķiras no ilgtermiņa augšanas fototropisma.

Pielietojumi un nozīme cilvēku darbībā

Sapratne par fototropismu ir svarīga lauksaimniecībā un dārzkopībā —, piemēram, optimizējot apgaismojumu siltumnīcās vai plānojot stādījumu izkārtojumu, lai nodrošinātu vienmērīgu gaismas piekļuvi. Bioinženierijas pētījumi izmanto zināšanas par fotoreceptoriem un auxīna transportu, lai ietekmētu augu formas un augšanas raksturus.

Kopsavilkumā: fototropisms ir augu augšanas atbilde uz gaismu, kuru nodrošina gaismas uztvere ar fototropīniem, auxīna redistribūcija un diferenciāla šūnu pagarināšanās. Šis mehānisms ļauj augiem optimizēt apgaismojumu un, līdz ar to, fotosintēzi un izdzīvošanu dažādos apstākļos.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir fototropisms?

J: Kādiem organismiem, izņemot augus, var izpausties fototropisms?

J: Kāds ir augu augšanas hormons, kas izraisa fototropismu?

J: Kas notiek ar šūnām, kas atrodas vistālāk no gaismas, ja augam ir pozitīvs fototropisms?

J: Kāda ir atšķirība starp pozitīvo un negatīvo fototropismu?

J: Kā sauc parādību, kad vīnogulāju dzinumu galotnes aug pret tumšiem, cietiem objektiem?

J: Kuri augu receptori ir atbildīgi par Arabidopsis thaliana fototropisma virzību?

Meklēt pēc burta