1.4 Verwendete Phytohormone, Phytotropine und andere physiologisch aktive Substanzen

1.4.1 Auxine

Indol-3-essigsäure (IES) ist die am häufigsten natürlich vorkommende Substanz aus der Klasse der Auxine. Daneben wurde 4-Chlorindol-3-essigsäure (4-Cl-IES), IBA (Indolbuttersäure) und Phenylessigsäure (PES) in Pflanzen gefunden. IES ist chemisch mit der Aminosäure Tryptophan verwandt. Es wird angenommen, dass IES aus dieser synthetisiert wird. Syntheseorte von IES sind meristematische Gewebe, junge Blätter und die Sprossachsenspitze (Apex). Bei Dikotyledonen ist der Apex der wichtigste Bildungsort für IES. Von ihm gehen IES-Pulse aus und erhöhen in subapikalen Regionen das Streckungswachstum (YANG et al., 1993). Die optimale Konzentration für die Elongation von Hypokotylen liegt zwischen 1 und 10 mM. Bei Hypokotylabschnitten, die in einem wässrigen Medium mit Auxin behandelt werden, beträgt die Zeitverzögerung bis zum Einsetzen der Wirkung etwa 10 Minuten. Die Auxinwirkung kann bis zu 20 Stunden anhalten. Werden Hypokotylabschnitte oder Koleoptile in auxinfreie wässrige Lösungen mit niedrigem pH eingebracht, steigt die Wachstumsrate. Dieser Wachstumsschub hält jedoch nur für etwa eine Stunde an.

Stängelsegmente, die der Länge nach halbiert wurden, biegen sich nach außen. Wird dem Medium jedoch Auxin zugegeben, biegen sie sich nach innen. Dies zeigt, dass Auxin das Wachstum von Zellen der Epidermis und des äußeren Kortex fördert. Auch ein lateraler Transport von Auxin zwischen Zellen ist möglich. Die physiologischen Grundlagen des auxinbedingten Streckungswachstums basieren auf einer Lockerung der Zellwand (Säurewachstumshypothese) und wurden von SCHUSTER (1996) zusammengefasst.

Auxin hemmt die Wurzelstreckung. Ursprünglich wurde angenommen, dass Auxin die Synthese von Ethylen steigert und dadurch das Wurzelwachstum gehemmt wird. Neuere Experimente in Gegenwart von Ethyleninhibitoren zeigen jedoch, dass Auxin in Konzentrationen von 0.1 bis 1 nM das Wurzelwachstum fördert, während Konzentrationen von 1mM und darüber hemmend wirken (BRUSSLAN, 1999).

Auxin kann zusammen mit den Assimilaten im Phloem oder polar im Parenchym transportiert werden. Auch der Transport im Transpirationsstrom des Xylems wurde beobachtet. Der polare Auxintransport ist in seiner Richtung unabhängig von Gravitation und Massenfluss. Statt dessen spielt die Verteilung von Carriern in der Plasmamembran eine wichtige Rolle (LOMAX et al., 1995). Nach der chemiosmotischen Hypothese des polaren IES-Transports (RUBERY und SHELDRAKE, 1974; RAVEN, 1975) wird die Zellwand durch ATPasen in der Plasmamembran angesäuert (pH 5,5). In diesem Milieu verschiebt sich das Gleichgewicht von dissoziierter IES- in Richtung undissoziiertes IES-H. Da IES-H die Plasmamembran passieren kann, dringt es auf Grund des Konzentrationsgefälles ins Cytoplasma ein. Unter dem dort herrschenden pH-Wert von 7,0 dissoziiert IES-H wieder zu IES- + H+. Dieses kann die Zelle nur noch über Carrier verlassen. Da die Efflux-Carrier in den Zellen basal angeordnet sind, geschieht der Transport polar und setzt sich über die folgenden Zellen in derselben Art und Weise fort. Für die Regulation des Auxintransports scheint der Efflux-Carrier von entscheidender Bedeutung zu sein. Daneben wird jedoch auch ein Influx-Carrier beschrieben (MUDAY, 2000).

Die Geschwindigkeit des basipetalen, polaren Transports von Auxin in Sprossachsen liegt zwischen 5 und 25 mm/h. Dies ist verglichen mit der Transportgeschwindigkeit im Phloem (30 - 150 cm/h) relativ langsam, aber immer noch 10 mal schneller als die Geschwindigkeit, die man bei reiner Diffusion erwarten würde. Neben basipetalem Transport wurde jedoch auch ein acropetaler Transport (von der Basis zur Spitze) beobachtet. JACOBS (1961) fand bei Coleus Stängelabschnitten ein Verhältnis von drei zu eins zwischen basipetalem Transport und acropetalem Transport.

Der Phototropismus basiert auf asymmetrischer Auxinverteilung. Licht wird vornehmlich von der Sprossspitze wahrgenommen und bewirkt einen lateralen Auxintransport zur Schattenseite. Die erhöhte Auxinkonzentration auf der dem Licht abgewandten Seite steigert das Wachstum. Dadurch krümmt sich das Hypokotyl zur Lichtquelle. Die frühere Annahme, dass Auxin auf der lichtzugewandten Seite zerstört würde, hat sich als falsch herausgestellt (BRUSSLAN, 1999).

Auch am Gravitropismus ist Auxin beteiligt. Die gravitrope Reaktionszeit bei Arabidopsis beträgt ca. 45 Minuten. Der Reaktion geht eine Umverteilung von Auxin voraus. Viele auxinresistente Mutanten von Arabidopsis, wie aux1, axr2, axr3, eir1 und dwf sind auch agravitropisch, was ebenfalls darauf hinweist, dass Auxin eine wichtige Rolle beim Gravitropismus spielt.

Ein Großteil des Auxins liegt in Pflanzen in inaktiver, konjugierter Form vor. Kleinere Moleküle, mit denen IES konjugiert, sind Glucose, myo-Inositol und Asparaginsäure. Zu den größeren Konjugaten gehören Glucane and Glycoproteine. Beispielsweise liegt IES als IES-myo-Inositol im Endosperm von Zea mays vor. Als solches wird es durch das Phloem in die wachsende Koleoptile verlagert. Erst hier wird das Konjugat hydrolysiert und entfaltet seine Wirkung.

Der Abbau von IES erfolgt durch biochemische Oxidation zu OxIES (Oxindol-3-essigsäure). Auch unter der Einwirkung von Licht wird IES oxidiert. Die physiologische Bedeutung dieser Photodestruktion ist jedoch unbekannt.

Synthetische Auxine wie 2,4 D (2,4-Dichlorphenoxyessigsäure), 1-NAA (1-Naphthylessigsäure), und IBA (Indolbuttersäure) werden als Herbizide, Bewurzelungsmittel und für andere Zwecke in der Landwirtschaft verwendet. Sie sind langlebiger als IES, was neben ihrer höheren Stabilität auch daran liegt, dass sie im Stoffwechsel nicht abgebaut werden.

1.4.2 Auxin-Transport-Inhibitoren

Die Auxin-Transport-Inhibitoren NPA (1-N-Naphthylphtalaminsäure) und TIBA (2,3,5-Triiodobenzoesäure) hemmen den polaren Auxintransport. Sie werden auch als Antiauxine oder Phytotropine bezeichnet. Beide Substanzen hemmen den basalen Efflux von Auxin, während der apikale Influx bestehen bleibt. Somit sammelt sich Auxin in den Zellen, was die Auxinkonzentration in den behandelten Organteilen erhöht. NPA bindet an den Auxin-Efflux-Carrier (DAVIES und RUBERY, 1978; HERTEL et al., 1983; MORRIS et al., 1991). Es wird dort von spezifischen Aminopeptidasen auf der Plasmamembrane hydrolysiert. Werden diese Aminopeptidasen gehemmt, reichert sich Auxin in den Zellen an. Dies spricht dafür, dass sie den Auxintransport mit regulieren (MURPHY und TAIZ, 1999). Interessanterweise beeinflusst NPA das Wachstum von Arabidopsis-Hypokotylen, die im Dunkeln gezogen werden, nicht. Die Wachstumshemmung durch eine einheitliche Konzentration von NPA variiert von 0% Hemmung in der Dunkelheit bis 75% Hemmung bei Weißlicht (Photonenfluss 50 µmol m-2 s-1) in dosisabhängiger Weise. Die gravitrope Reaktion wird durch NPA jedoch auch im Dunkeln gestört (JENSEN et al., 1998).

Abbildung 1-1 NPA

TIBA ist ein schwaches Auxin. Man nimmt an, dass es mit IES um den Efflux-Carrier konkurriert. Anders als NPA, welches nicht transportiert wird, unterliegt TIBA einem gewissen basipetalen Transport.

Abbildung 1-2 TIBA

1.4.3 Gibberelline

Gibberelline werden in den Spitzen von Trieben und Wurzeln sowie in Embryos, Kotyledonen, Früchten und Knollen synthetisiert. Sie wurden zuerst aus dem Pilz Gibberella fugikuroi isoliert, der bei infizierten Reispflanzen zu Riesenwuchs führt. Gibberelline kommen in verschiedenen Formen in Geweben vor und nur einige von ihnen sind biologisch aktiv. GA3 ist das am weitesten verbreitete Gibberellin.

Gibberelline besitzen unter anderem folgende physiologischen Effekte:
· Zellstreckung: Manche Zwergmutanten erreichen bei Applikation von Gibberellinen die normale Größe des Wildtyps
· Zellteilung: Gibberelline fördern zusammen mit IES die Zellteilung
· Fruchtreife: Förderung von Fruchtansatz, Fruchtwachstum und Fruchtreife

1.4.4 Cycloheximid

Das heterozyklische Antibiotikum Cycloheximid blockiert reversibel die Proteinsynthese, indem es die Transkription in zytosolisch lokalisierten Ribosomen von Eukaryonten hemmt. Dies geschieht durch Blockieren der Peptidbindung nach Ankopplung einer neuen Aminosäure an der tRNA (ALBERTS et al., 1994).

Abbildung 1-3 Cycloheximid

1.4.5 Jasmonsäure

Jasmonsäure und ihr Methylester Methyljasmonat sind Pflanzenhormone, die unter anderem auch auf die Zellstreckung wirken (SEMBDNER und PARTHIER, 1993). Sie scheinen dabei die Struktur der Zellwand und die Orientierung kortikaler Mikrotubuli zu beeinflussen (CREELMAN und MULLET, 1997). Über Protonenpumpen wirken diese Hormone auch auf den pH (LESHEM et al. 1994; RAGHAVENDRA und REDDY, 1987). Die circadiane Blütenblattbewegung von Kalanchoe wird durch Methyljasmonat gedämpft und die Periodenlänge der Schwingung verkürzt. Das Hormon scheint auf den circadianen Oszillator zu wirken (ENGELMANN et al., 1997). Wegen seiner Wirkung auf Zellstreckung und auf die circadiane Uhr wurde Jasmonsäure benutzt, um zu untersuchen, ob es auch Zellstreckung und Circumnutation von Hypokotylen beeinflusst.

Abbildung 1.4 Jasmonsäure

1.4.6 Expansin

Circumnutationen des Hypokotyls treten nur auf, wenn sich die Zellen strecken. Dazu muss die Primärwand sich dehnen. Sie besteht aus einem polymeren Netzwerk kristalliner Zellulose-Mikrofibrillen, die in einer hydrophoben Matrix von Hemizellulose und Pektinen eingebettet sind. Das Strecken wird durch den Turgor der Vakuole und durch besondere Vorgänge in der Zellwand ermöglicht, bei denen die Zellulose-Mikrofibrillen neu verknüpft werden. Dazu dienen Expansine, die bei niedrigem pH arbeiten (McQUEEN-MASON et al., 1992). Zu neueren Ergebnissen siehe den Übersichtsartikel von COSGROVE (2000), aber auch den von KUTSCHERA (2001). Deshalb wurde versucht, die Circumnutation des Hypokotyls von Arabidopsis thaliana durch extern appliziertes Expansin zu beeinflussen.