Buchlovské preludium

Na okraji Chřibských hor se nad úrod-ným údolím řeky Moravy tyčí středověkýhrad Buchlov. Místní legenda vypráví, žer. 1581 byl na základě loveckého právaodsouzen k trestu smrti za spoluúčast napytláctví osobní zbrojnoš hradního pána.Přestože zbrojnoš neochvějně trval na svénevině, byl nakonec loveckým tribunálemna zámecké terase odsouzen. Po vyslech-nutí ortelu mladý odsouzenec vytrhl opo-dál rostoucí mladou lipku a zasadil ji dozemě kořeny vzhůru. „Nespáchal jsem ten-to zločin a až se tento strom do roka zaze-lená, poznáte, že jste odsoudili nevinného!“prohlásil ke shromážděným soudcům. Tise rozhodli tedy s popravou posečkat a sku-tečně! Příštího roku z mladého stromkuvyrazily zelené lístky a zbrojnoš byl osvo-bozen. Buchlovská lípa neviny na hraděBuchlově stále roste a je živoucím svědec-tvím nejenom této romantické legendy, alepředevším toho, jak zásadně se rostlinyzpůsobem svého života liší od živočichů.

Pro rostliny, na rozdíl od živočichů, jetypická jejich neobyčejná schopnost při-způsobit svůj individuální vývoj neustále seměnícím podmínkám okolí. Ačkoli rostlinykontrolují svou reprodukci, metabolismusa ostatní buněčné funkce na základě stej-ných obecných principů jako živočichové,jejich přisedlý a autotrofní způsob existen-ce je donutil, aby vyvinuly své vlastní vývo-jové mechanismy, které jim umožní přežít.Kde většina živočichů reaguje na podnětyokolí převážně změnou svého chování(např. bojem nebo útěkem), tam jsou rost-liny nuceny mnohdy velmi dramaticky při-způsobit svou velikost, rychlost a směrrůstu, počet orgánů, dobu kvetení a mnohéjiné aspekty vývoje. Tyto rozdílné životnístrategie rostlin a živočichů se projevují jižv raných stadiích vývoje. Rostliny i živoči-chové začínají svůj život jako jednobuněč-né zygoty, které v obou případech vznikajísplynutím samčí a samičí pohlavní buňky.Avšak zatímco většina evolučně pokročilej-ších živočichů se vyvíjí v průběhu embryo-geneze v organismy s pevně stanovenýmtvarem, velikostí a počtem orgánů, je u rost-lin výsledkem embryogeneze modulárnístruktura, která umožňuje mnohdy drama-tické postembryonální zásahy do vývojového

plánu. Rostliny zcela jistě nemají legislativ-ní problém s kmenovými buňkami, neboťstálé populace těchto neustále se dělícíchnediferencovaných buněk (tzv. meristémy)je provázejí po celou dobu jejich života.Rostliny si také v daleko větší míře než živo-čichové uchovávají schopnost změnit vý-vojový osud některých již diferencovanýchbuněk a znovu aktivovat buněčné dělení,případně spustit nový vývojový program.Těmito mechanismy rostliny regulují inten-zitu a směr svého růstu, vytvářejí i v dospě-losti nové orgány a dosahují výtečné schop-nosti regenerace, kdy v extrémním případěje celá rostlina schopna zregenerovat z jed-né jediné vegetativní buňky a vytvořit nor-málního jedince bez nutnosti projít em-bryonálním vývojem. Takto jsou rostlinystejného druhu schopny až k nepoznánízměnit svůj vzhled v závislosti na vnějšíchpodmínkách, ve kterých rostou.

Tato vývojová plasticita, kterou rostlinydovedly k dokonalosti, je jedním ze stěžej-ních témat rostlinného výzkumu. Přestobyly donedávna naše znalosti o tom, jak jírostliny dosahují, pouze zlomkovité. Víme,že rostliny přijímají signály z vnějšího pro-středí a takto jsou schopny vnímat různéaspekty svého okolí, jako např. teplotu,intenzitu a kvalitu světla, zemskou tíži, vlh-kost, obsah živin v půdě, napadení parazitya mnohé další. Tyto signály pak musí být naúrovni celé rostliny zpracovány, integrová-ny a přeloženy do odpovídající vývojovéodpovědi; přesné mechanismy, jak se toděje, však zůstávají stále ještě do značnémíry zahaleny tajemstvím. Je ovšem zná-mo, že zásadní roli v řízení těchto procesůhrají různé rostlinám vlastní signální mole-kuly, které byly nazvány po vzoru svýchživočišných protějšků rostlinnými hormo-ny (fytohormony). K propagátorům a prů-kopníkům studia rostlinných hormonů pa-třil také významný český rostlinný fyziologa buněčný biolog Bohumil Němec, kterýv rámci své mnohostranné vědecké kariérypřispěl mimo jiné i k pochopení fyziologic-ké podstaty procesů, jako je regeneracerostlin, a především k porozumění tomu,jak rostlinné buňky vnímají různé fyzikálnípodněty z vnějšího prostředí. Zásadní jsoupředevším jeho práce objasňující mecha-nismus, jakým rostliny vnímají zemskou tíži— tedy pomocí sedimentace specializova-ných buněčných organel (statolitů).

Na počátku byl auxin

Již v 19. stol. předpovídali někteří bada-telé existenci signálních látek, které ovlivňu-jí koordinovaný růst rostlin. Vedle B. Němceto byl především jeho předchůdce, zakla-datel rostlinné fyziologie Julius Sachs, kterýpůsobil na počátku své vědecké kariéryv Praze. Přibližně ve stejné době CharlesDarwin se svým synem Francisem ukázali,že při pohybu rostlin za světlem (fototropis-mu) je část rostliny, která světlo vnímá(vrcholová část), fyzicky oddělena od části,která na něj reaguje změnou svého růstu;musí tedy existovat nějaký signál transpor-tovaný mezi rostlinnými pletivy či orgány.Později Frits Went potvrdil existenci tétotransportovatelné a růst podporující sub-stance a ukázal, že účinkuje v závislosti nasvé koncentraci a že její rozmístění v rostli-ně se děje na základě směru dopadajícíhosvětla, případně vektoru zemské tíže. Fyzio-logické účinky této látky vedly později k ná-zvu auxin (podle řeckého auxaneo — rostuči prodlužuji se). Chemická povaha tétotajuplné substance se ukázala být překvapi-vě jednoduchá — jde o indol–3–octovoukyselinu (IAA), látku chemicky blízkou ami-nokyselině tryptofanu. Navzdory jednodu-chosti své chemické struktury auxin v žád-ném případě neomezuje své účinky pouzena regulaci tropismů. Ve skutečnosti je ja-kýkoli výčet fyziologických účinků auxinuneúplný; k dalším hlavním vývojovým pro-cesům ovlivněným či přímo regulovanýmauxinem patří apikální dominance (Živa2001, 6: 249–251), tvorba nadzemních orgá-nů, zakládání a diferenciace kořenů, tvorbaa regenerace vodivých pletiv, stárnutí listůa zrání plodů atd. Později byly identifiková-ny i jiné rostlinné hormony (Živa 2001, 3:105–106), jako např. cytokininy, etylen,gibereliny, kyselina abscisová a jasmonováči brassinosteroidy, avšak žádná z těchtolátek nemá tak široké spektrum účinkůjako auxin. Tato univerzální důležitost auxi-nu byla do jisté míry i jeho prokletím, ne-boť celá desetiletí si nikdo nedokázal vysvět-lit, či vůbec představit, jak může mít takováchemicky jednoduchá sloučenina tak velkémnožství zdánlivě nesouvisejících a častoprotichůdných účinků.

Posel dobrých zpráv: auxinové gradienty

Zdá se, že klíčem k pochopení, jak auxinfunguje, je jeho nerovnoměrné rozloženív rostlinných pletivech. Již v raných do-bách auxinového výzkumu ve 30. letech20. stol. předpokládala hypotéza N. Cholod-ného a F. Wenta, že zvýšená akumulaceauxinu pouze na jedné straně orgánu sti-muluje (v případě prýtu) nebo inhibuje(v případě kořene) jeho růst a že taktodochází k jeho ohybu např. při fototropnínebo gravitropní odpovědi. Tyto tzv. au-xinové gradienty byly nedávno popsányi v mnohých jiných částech rostliny, jakonapř. v embryích, meristémech, vyvíjejícíchse orgánových primordiích, zrajících plo-dech, tvořících se vodivých pletivech,zkrátka všude, kde se z vývojového hledis-ka něco děje. Auxin se na těchto místechhromadí s překvapivou tvrdošíjností, a topřesně v těch buňkách, které v průběhudaného vývojového procesu mění svůjvývojový program. K názorným příkladůmpatří buňka embrya, která se později stanezákladem kořenového meristému, či nená-

Auxin — univerzální vývojový signál v životě rostlin

Jiří Friml

CCCC MMMM YYYY KKKK

8 živa 1/2007www.cas.cz/ziva

V posledních letech došlo k nebývalému nárůstu našich poznatků o buněčnýcha molekulárních mechanismech, které regulují vývojové procesy v rostlinách a pře-devším schopnost rostlin přizpůsobit svůj vývoj měnícím se podmínkám prostředí.Ukázalo se, že zásadní úlohu v těchto procesech hrají rostlinám vlastní signálnímolekuly — především rostlinný hormon auxin. Tyto moderní poznatky vývojo-vé a buněčné biologie rostlin navázaly na průkopnické práce významného české-ho rostlinného fyziologa a buněčného biologa Bohumila Němce, který svými vize-mi o vývojových rolích rostlinných hormonů a studiemi mechanismů vnímánípodnětů prostředí (především zemské tíže) předběhl svou dobu o celá desetiletí.

„Objev hormonů nám pomohl pochopit jednotu živého těla složeného z miliard buněk...“

(Život rostlin 1942)

padná buňka kořene, z níž se vytvoří pri-mordium vedlejšího kořene, nebo jednaz buněk vrcholového meristému, která dávzniknout listu či květu.

Zdá se tedy, že hromadění auxinu v buň-ce je signálem ke změně vývojového pro-gramu, ke změně, kterou mají různé typybuněk různě „předprogramovanou“. Sku-tečně, malá kapka auxinu aplikovaná rukouobratného experimentátora na správnémísto postačuje k tvorbě nového kořene,květu, listu, stonku nebo k iniciaci ohybuorgánů. Nejde tedy o to, že by auxin bylschopen regulovat tolik různých vývojovýchprocesů, ale spíše o to, že funguje jako uni-verzální „agitátor“, který buňku přesvěd-čuje, že je „vyvolena k vyšším cílům“. Jakovšem taková buňka auxinový signál inter-pretuje, záleží na tom, o jaký buněčný typjde a jaké další signály dostane. Je takémožné, že — podle známé zásady čeho je

moc, toho je příliš — může mít auxin růz-né účinky v závislosti na tom, kolik se hov dané buňce nahromadí.

Auxin by tedy nejenom instruoval buňky,že mají něco dělat, ale navíc by — v závis-losti na své koncentraci v dané buňce —„vybíral“ z několika různých vývojovýchprogramů. V takovém případě by se auxinsvými vlastnostmi blížil spíše tzv. morfoge-nům než klasickým hormonům. Morfogenyjsou signální látky známé z živočišných sy-stémů, kde se vyskytují v gradientech a dá-vají buňkám pokyny v závislosti na své vnit-robuněčné koncentraci. Ovšem ať už auxinzařadíme do kterékoli z obou pomyslnýchkategorií, z nedávných studií jasně vyplývá,že nerovnoměrné hromadění auxinu v urči-tých buňkách je jedním z hlavních mecha-nismů v regulaci a koordinaci vývoje celérostliny.

Poučení z plevele: auxinová signální dráha

Přestože se fyziologické výzkumy u rost-lin včetně výzkumu auxinu prováděly namnoha různých rostlinách od ovsa, hrachu,cuket a tabáku až po řasy a mechy, progenetické výzkumy se bezkonkurečně pro-sadil malý nenápadný huseníček rolní (Ara-bidopsis thaliana), který se postupně stalhlavní modelovou rostlinou (viz také člá-nek J. Řepkové na str. 5–7). Huseníček sedostal na výsluní slávy především díkysvému malému genomu (125 milionů párůbazí na pěti párech chromozomů), krátkégenerační době (6–8 týdnů) a velkémumnožství semen produkovaných jednourostlinou (až několik tisíc). Tyto vlastnostiumožnily jednoduchou a ve velkém měřít-ku proveditelnou mutagenezi a následnouizolaci zajímavých mutantů, mimo jiné i ta-kových, které vykazovaly změněnou odpo-

věď na auxin. S postupujícím rozvojemmolekulárně genetických metod a sekvena-cí celého genomu huseníčku bylo stále jed-nodušší přesně určit gen a následně i pro-tein, jehož poškození je odpovědné zapozorovaný fenotypový projev mutanta.Především molekulární genetice u huseníč-ku vděčíme za objasnění mechanismu,jakým buňky auxin vnímají a překládají dopříslušné vývojové změny.

Auxinová signální dráha se ukázala býtaž nečekaně jednoduchá. K příjmu auxino-vého signálu nedochází překvapivě jenomna plazmatické membráně, jak se dlouhopředpokládalo, nýbrž především v buněč-ném jádře, kde se auxin váže na svůj recep-tor TIR1 (Transport Inhibitor Response).Tímto se spouští celá kaskáda událostí kon-čící zapnutím a vypnutím různých genů,jejichž produkty pak odpovídajícím způso-bem ovlivní chování buňky. TIR1 byl iden-tifikován jako jeden z prvních proteinů,který by se mohl podílet na přenosu auxi-nového signálu, trvalo ovšem takřka celédesetiletí, než badatelé pochopili, že jdeo dlouho hledaný receptor. Důvodem bylo,že protein TIR1 nevypadá jako klasickýreceptor, nýbrž patří do rodiny tzv. F–boxproteinů. Ty jsou známy z jiných organis-mů jako důležité regulátory, které značkují(vazbou malého proteinu ubikvitinu) jinéproteiny v buňce pro jejich řízené odbou-

Příklady auxinových gradientů. Rozmístěníauxinu v pletivech huseníčku rolního (Arabido-psis thaliana) je nepřímo monitorováno aktivi-tou syntetického promotoru DR5, který odpoví-dá na buněčnou hladinu auxinu: A) květnípupen — zvýšená aktivita DR5 ve špičkáchvyvíjejících se primordií různých květních orgá-nů, B) vrcholový meristém prýtu — aktivitaDR5 ve špičkách vyvíjejících se listových pri-mordií a v místě založení nového listu, C) koře-nová špička po gravitropní stimulaci — zvýšenáaktivita DR5 v centrálním kořenovém meristé-mu a na spodní straně kořene, D) vyvíjející seembryo — zvýšená aktivita DR5 v buňkáchbudoucího kořenového meristému, E) fototrop-ně stimulovaný hypokotyl — zvýšená aktivitaDR5 na straně odvrácené od zdroje světla, F)vyvíjející se postranní kořen — zvýšená aktivi-ta DR5 ve špičce primordia. Převzato z pracíBenkové a kol. 2003 (A, B, F), Frimla a kol.2002 (E), Frimla a kol. 2003 (D)

Transport auxinu v rostlině. Auxin je v rostlinětransportován apolárně floémem (tedy lýkovoučástí vodivých svazků). Naproti tomu mezibu-něčný polární tok auxinu probíhá předevšímjednosměrně z vrcholových částí rostliny směremke kořenové špičce. V kořenové čepičce je tentotok auxinu rovnoměrně přesměrován do strana probíhá vnějšími vrstvami zpět do prodlužo-vací zóny kořene. Znázorněno na příkladu hu-seníčku rolního. Upraveno podle Jonese (1998)

CCCC MMMM YYYY KKKK

9živa 1/2007 www.cas.cz/ziva

Auxi

nový

tran

spor

t flo

émem Ba

zipet

ální a

late

rální

trans

port

prýtu

Toky

aux

inu

v koř

enov

é šp

ičce

rávání — tedy nic, co by na první pohledsvědčilo o spojení s hormonálními signální-mi drahami. Teprve izolace a molekulárníanalýza dalších mutantů vykazujících nej-různější vývojové defekty spojené s auxinemobjasnila důležitost řízeného odbouráváníproteinů. Tyto studie vedly k identifikacidalších dvou genových rodin, které hrajídůležitou úlohu v auxinové signální dráze.Jedna velká skupina genů (23 u huseníčku)kóduje tzv. proteiny ARF (Auxin ResponseFactor), které se v jádře vážou na DNAa regulují tak přepis celé řady genů. Partne-ry proteinů ARF jsou tzv. proteiny Aux/IAA(29 u huseníčku), které vazbou na proteinyARF inhibují jejich funkci. A tady přicházíke slovu již výše zmíněný TIR1. ProteinyAux/IAA jsou totiž v buňce v závislosti nakoncentraci auxinu velmi rychle odbourá-vány a TIR1 jim dává již zmíněný ubikviti-nový cejch pro rychlou smrt. Auxin se tedyváže na TIR1, tím dochází k interakci meziTIR1 a proteinem Aux/IAA, Aux/IAA jeoznačkován a následně odbourán. ARFproteiny se tak zbaví svých nepohodlnýchAux/IAA přívažků, navážou se na DNA a re-gulují přepis genů. Dílo je dokonáno, buň-ka nastoupila novou životní dráhu a ve vět-šině případů je její další osud nezvratnězměněn.

Vpřed, jen vpřed: auxinový transport

Jednou ze zásadních otázek v modeluauxinových gradientů a v jejich přečtenísignální dráhou TIR1 je, jakým způsobemdochází k hromadění auxinu v daných buň-kách. Zdá se, že auxin se do správných bu-něk dostává řízeným mezibuněčným trans-portem. Nutnost čilého transportu auxinuv rostlině vyplynula již z prostého rozporumezi lokální produkcí auxinu (k syntéze

dochází především v apikálních částechstonku, mladých listech a ve vyvíjejících sesemenech) a jeho globální potřebou v pod-statě v každém rostlinném pletivu. Pomocíexperimentů s radioaktivně značeným au-xinem byly jeho cesty v rostlině docelapřesně zmapovány. Auxin je v poměrně vel-kém množství transportován spolu s ostat-ními asimiláty lýkovou částí vodivých pletiv— floémem, ale zdá se, že pro regulaci rost-linného vývoje je významnější řízený a zdán-livě méně efektivní polární transport, kterývyžaduje export auxinu z buňky do mezibu-něčného prostředí a jeho import do buňkynásledující. Hlavní a unikátní vlastnostítohoto způsobu přenosu je jeho přísně jed-nosměrný (polární) charakter. Polární tran-sport probíhá asi desetkrát pomaleji nežtransport floémový a přenáší auxin jak nadlouhé vzdálenosti (z apikálních částí rostli-ny ke kořenové špičce), tak především míst-ně v méně diferencovaných částech rostli-ny, jako jsou embrya, meristémy a vyvíjejícíse orgány — zkrátka všude tam, kde dochá-zí k tvorbě již zmíněných auxinových gra-dientů.

Polární transport auxinu je citlivý k tzv.inhibitorům auxinového transportu. Tytolátky různé chemické povahy mají jednuspolečnou vlastnost — blokují export auxi-nu z buněk a tím v rostlině efektivně potla-čují polární auxinový transport jako takový.Účinek inhibitorů na růst rostliny je drama-tický a velmi dobře ukazuje, jakou má auxi-nový transport pro vývoj a růst rostlin důle-žitost. Po inhibici rostou stonky a kořenyv náhodných směrech, nedochází ke správ-né tvorbě listové žilnatiny, zastavuje setvorba laterálních orgánů a rostlina vytvářípouze nahý stonek připomínající pletacíjehlici. Pokud se tyto inhibitory aplikují navyvíjející se rostlinná embrya, dochází čas-to ke srůstu či k tvorbě nesprávného počtu

děložních lístků, k zastavení tvorby kořenea v extrémních případech se embryo vyvi-ne bez rozlišitelných orgánů a os praktickyv homogenní kouli.

Jak ovšem tento pro rostlinu tak důležitýauxinový transport funguje a jak je zajištěna řízen jeho jednosměrný charakter? Řadanejrůznějších fyziologických experimentůukázala, že polární transport auxinu probí-há přenosem z buňky do buňky, že limitu-jícím krokem je jeho export z buněk a žejde o saturovatelný proces, který závisí naenergii a syntéze proteinů. Na základě těch-to poznatků byla v 70. letech 20. stol. for-mulována tzv. chemiosmotická hypotéza,která předpověděla existenci specifickýchauxinových přenašečů, jejichž úkolem jetransportovat auxin z buňky ven (tzv. vyna-šeče). O něco později byla experimentálněprokázána i existence tzv. vnášečů, kterétransportují auxin dovnitř buněk a napo-máhají tak neregulované a málo efektivnípasivní difuzi.

Chemiosmotická hypotéza také navrhla,jakým způsobem je dosaženo přísně jedno-směrného charakteru auxinového toku:auxinové vynašeče jsou v řadě pod sebouumístěných buněk lokalizovány asymetric-ky, a to vždy na stejné straně (např. pouzena straně přivrácené ke kořenové špičce).Na základě tohoto modelu polarita jednot-livých buněk vlastně určuje polaritu auxi-nového proudu a ten zase polaritu vývojecelých orgánů, případně celé rostliny. Che-miosmotická hypotéza takto shrnula vý-sledky fyziologických experimentů a uspo-kojivě vysvětlila hlavní vlastnosti auxinovéhotransportu. Její formulací byl odstartován„hon“ na auxinové přenašeče, neboť sezdálo jasné, že jde o proteiny se zásadnímvýznamem pro regulaci rostlinného vývoje.Biochemické přístupy, které se je snažilyidentifikovat na základě jejich schopnostialespoň přechodně vázat auxin, byly neús-pěšné, a tak na další poznatky bylo nutnopočkat do nástupu genetických a přede-vším molekulárně genetických metod v 90.letech 20. stol.

Říkali mu pin: molekulární komponenty auxinového transportu

Studiem huseníčku rolního metodamimolekulární genetiky tedy nebyla objasně-na pouze auxinová signální dráha, ale bylytaké identifikovány geny kódující přenaše-

Auxinový transport a auxinová signální dráha.Auxin (IAAH) se do buňky dostává v nedisocio-vané formě difuzí nebo aktivním transportempomocí vnášeče — proteinu AUX1. V zásaditěj-ším vnitrobuněčném prostředí část IAAH disociu-je a vzniklý anion IAA– se dostává ven z buněkpomocí vynašečů PIN. Ty jsou v buňce umístěnypolárně na plazmatické membráně a ve váčcích,které se neustále přemisťují mezi plazmatickoumembránou a endozomy. V buněčném jádře seauxin váže na receptor TIR1, podjednotku tzv.komplexu SCF, jehož aktivita je velmi přesněregulována a jehož úkolem je značkovat protei-ny ubikvitinem. Takto označené proteiny jsourozeznány proteazomem a následně odbourány.Vazba auxinu na TIR1 podporuje interakcimezi TIR1 a proteinem Aux/IAA, který za nor-málních okolností inhibuje akci transkripčníchfaktorů ARF. Aux/IAA je označen ubikvitinema odbourán. Tím se proteiny ARF vymaní z in-hibice a mohou regulovat genovou expresi.Upraveno podle Paciorka a Frimla (2006), blížev textu

CCCC MMMM YYYY KKKK

10 živa 1/2007www.cas.cz/ziva

plazmatická membránabuněčnástěna pH 5,5cytoplazmapH 7,0 AUX 1 jádro

proteazom

žádná genová exprese

genová exprese

PIN vynašeč

endozom

PIN

IAAH IAA– + H+

AXR1ECR1

RCE1

RUB1

RBX1CUL1ASK1

TIR1

5

E1

ARFAUX/IAA

IAA–

IAA–

+H+CH2COOH

NH

IAAH

317 8 4

2

6

E2

SCFTIR

CSN

vnášeč

?

če auxinu, jejichž existenci předpovědělachemiosmotická teorie. Charakteristickýma dlouho známým mutantem v různýchrostlinách včetně huseníčku je tzv. mutantpin, který místo přirozeně rozvětvenéhostonku nesoucího listy vykazuje nahoustrukturu podobnou pletací jehlici, a taktovelmi nápadně připomíná rostliny vysta-vené účinkům inhibitorů auxinového tran-sportu. Ukázalo se, že v normální nemu-tované rostlině kóduje dosud neznámýmembránový protein (nazvaný PIN1) a žetento protein se vyskytuje pouze v rostli-nách. Bylo také prokázáno, že v buňkách jePIN1 často lokalizován polárně. Velké nad-šení vyvolalo zjištění, že se nachází naspodních stranách buněk xylémového pa-renchymu v prýtu přesně tak, jak předpo-věděla chemiosmotická teorie pro auxino-vé vynašeče, které se účastní toku auxinuz apikálních částí rostliny ke kořenovéšpičce. Téměř současně několik vědeckýchtýmů nezávisle na sobě popsalo další pro-tein ze stejné rodiny — PIN2, který je důle-žitý pro gravitropní růst kořene a je lokali-zován opět polárně, tentokrát na svrchníchstranách epidermálních buněk kořene, tak-

též v přesném souladu s předpověďmi proauxinový vynašeč v těchto pletivech.

Analýza dalších proteinů PIN u huseníč-ku potvrdila jejich zásadní úlohu v regulaciauxinového toku a v utváření auxinovýchgradientů v různých částech rostliny. Taknapř. PIN3 se účastní laterálního transpor-tu auxinu na boční straně endodermálníchbuněk stonku a reguluje tak jeho prodlužo-vací, fototropní i gravitropní růst. PIN4v kořenové špičce kontroluje utváření lo-kálního auxinového gradientu a odpovídátak za správnou funkci kořenového meris-tému, a PIN7 reguluje auxinové toky v ra-ném embryonálním vývoji a instruuje mladéembryo, kde bude mít hlavu a patu (tedybudoucí růstový vrchol a kořen). Genomhuseníčku kóduje celkem 8 různých pro-teinů PIN a podobné proteiny rovněž s po-lární lokalizací byly nalezeny v celé rostlinnéříši počínaje mechorosty. Přestože všechnyvýsledky molekulárně genetických a fyzio-logických studií jasně ukazovaly, že pro-teiny PIN hrají nezastupitelnou úlohu v po-lárním transportu auxinu, trvalo téměřdesetiletí střídavých úspěchů a zklamání,než se vědcům z Ústavu experimentálníbotaniky v Praze podařilo prokázat, že pro-teiny PIN skutečně představují ony dlouhohledané auxinové vynašeče. Dokonce i po-kud jsou výlučně rostlinné geny pin vnese-ny do kvasinkových nebo savčích buněk,přepisované proteiny jsou i v těchto evoluč-ně vzdálených organismech schopny trans-portovat auxin z buněk ven. Kromě toho,že v rostlinách vynášejí proteiny PIN auxin

z buněk, jejich polární buněčná lokalizaceskutečně rozhoduje o směru mezibuněč-ného toku auxinu. Tyto poznatky tak pře-svědčivým způsobem potvrdily předpovědichemiosmotické hypotézy a etablovaly pro-teiny PIN jako jedny z hlavních komponentv polárním transportu auxinu a ve vytváře-ní auxinových gradientů.

Hrouda k zemi víže: mechanismus gravitropismu kořene

Po desetiletích výzkumů začínáme ko-nečně v hrubých rysech rozumět mecha-nismům, jak auxin reguluje vývoj rostliny— auxin je polárně transportován rostlin-

CCCC MMMM YYYY KKKK

11živa 1/2007 www.cas.cz/ziva

Směry auxinového toku a lokalizace proteinůPIN v kořenové špičce. Schematické zobrazeníkořenové špičky huseníčku rolního (Arabidopsisthaliana). Různé buněčné typy jsou barevněodlišeny. Šipkami jsou vyznačeny toky auxinus odpovídajícími proteiny PIN. Dále jsou zobra-zeny příklady detekce proteinů PIN pomocí spe-cifických protilátek

Gravitropní odpověď kořene. Schematické zo-brazení kořenové špičky huseníčku rolního. Šip-kami jsou vyznačeny toky auxinu s odpovídají-cími transportními proteiny PIN. Hromaděníauxinu v buňkách znázorňují různé odstínyzelené. Statolity — specializované orgány obsa-hující škrobová zrna — v buňkách vnitřníkořenové čepičky jsou vyznačeny hnědě se šipka-mi znázorňujícími směr sedimentace: A) nesti-mulovaná kořenová špička — PIN3 je umístěnsymetricky na plazmatické membráně a auxinje rovnoměrně transportován do stran, B) gra-vitropně stimulovaná kořenová špička — stato-lity sedimentují v buňkách kořenové čepičky vesměru zemské tíže, PIN3 je v týchž buňkáchpřemístěn na „novou“ spodní stranu, auxinovýtok je přesměrován a auxin se přednostně hro-madí na spodní straně kořene; zde inhibuje růsta tak dochází k ohybu. Orig. J. Frimla

Směr

tíže

Zvětšené buňkykořenové čepičkyse statolitya směrem jejich sedimentace

EpidermisKortexEndodermisStéléKlidové centrumVnitřní a vnějšíkořenová čepička

A

B

Ekologie jedle a jedlin

Ekologii jedle byly věnovány příspěvkyv minulém ročníku Živy (2006: 3, 108–110;5: 205–206), proto se na úvod omezíme jenna nejdůležitější informace. Jedle bělokoráje schopna v mládí dlouhodobě snášet stínpod dospělými porosty. Proto se podílí napřirozené klimaxové vegetaci středoevrop-ských pahorkatin, vrchovin a hor. V nižšíchpolohách České republiky by byla vtrouše-na do smíšených listnatých lesů, výše sepodílí na skladbě bučin, jedlových bučina smrkojedlových bučin. V jedlových buči-nách — zhruba v rozmezí nadmořskýchvýšek 650 až 900 m — nachází jedle, dřevi-na náročná na vzdušnou a půdní vlhkost,své růstové optimum (viz obr.) a dosahujevýšky až 60 m. Se stoupající nadmořskouvýškou podíl jedle klesá a její horní výskytobvykle končí v bukových smrčinách, tedykolem 1 200 m n. m. Na základě výzkumůpřirozených lesů Ukrajiny se však v posled-ní době ukazuje, že je schopna stoupat vestromové formě až na horní klimatickouhranici lesa do poloh kolem 1 500 m (Žárníka Holuša 2005). Na stanovištích neovlivně-ných vysokou hladinou podzemní vody jed-le přirozeně nevytváří dlouhotrvající poros-ty, v nichž by převládala, ale v lesích, kteréjsou považovány za přirozené, se za tako-vých podmínek vyskytuje jako vtroušenánebo přimíšená dřevina. Výjimkou mohoubýt stanoviště trvale podmáčená (s půdnímtypem glej), kde lze očekávat její vysokézastoupení až dominanci; přirozené poros-ty tohoto charakteru se však na našemúzemí nezachovaly.

Zajímavým fenoménem, o kterém sev odborných geobotanických kruzích častovedou spory, je výskyt porostů s dominant-ním zastoupením jedle na stanovištích, kde

CCCC MMMM YYYY KKKK

12 živa 1/2007www.cas.cz/ziva

Jedlové lesy v České republice

Karel Boublík

Bývalý selský les na Holém vrchu u Polné naŠumavě (Vojenský újezd Boletice). Smíšený po-rost jedle, smrku a borovice je výškově a věkověbohatě diferencovaný a patří ke společenstvukvětnatých jedlin se svízelem okrouhlolistým(Galio rotundifolii–Abietetum)

nými pletivy pomocí polárně lokalizova-ných vynašečů PIN. Takto dochází k tvorběauxinových gradientů — auxin se hromadív určitých buňkách a pomocí TIR1–signál-ní kaskády tyto buňky přiměje ke změněvývojového programu. Jak ale do tohotomodelu zapadá vývojová odpověď rostlinna změny vnějších podmínek? Jakým způ-sobem jsou signály z vnějšího prostředíintegrovány do změny auxinového rozlože-ní a tak do přeprogramování růstu rostliny?To jsou zásadní otázky, které zatím zůstávajíotevřené.

Možným klíčem k pochopení obecnéhoprincipu těchto jevů je již zmíněný objevprof. Bohumila Němce, že v průběhu gravi-tropní odpovědi vnímají rostliny zemskoutíži sedimentací specializovaných orgánů— statolitů, které obsahují škrobová zrna.Prof. Němec tento objev učinil současně sesvým německým kolegou G. Haberlandtemv rámci teorie dráždivosti. Moderní poznat-ky ukazují, že tato „statolitová“ představagravitropismu a v té době konkurenčnípředstava „hormonální“ jsou dva nepostra-datelné elementy téhož procesu, kdy sedi-mentace statolitů je přeložena do gravitrop-

ní růstové odpovědi prostřednictvím říze-ného toku auxinu.

V kořenové špičce se statolity nalézajív buňkách vnitřní kořenové čepičky, kterése tím stávají orgánem vnímání gravitace.Ve stejných buňkách se nachází také auxi-nový vynašeč PIN3, který je za normálníchpodmínek lokalizován symetricky v plaz-matické membráně a navíc v malých mem-bránových váčcích, které protein PIN3v buňce nepřetržitě transportují podél bu-něčné kostry — aktinového cytoskeletu.V momentě tzv. gravitropní stimulace, kdyvnější podmínky způsobí změnu orientacekořene vzhledem ke směru zemské tíže, setěžké statolity přesypou na „novou“ spod-ní stranu buněk. Jelikož statolity jsou na-pojeny na aktinová vlákna, dojde k reorga-nizaci aktinového cytoskeletu v buňce a tímke změně transportních drah váčků obsa-hujících PIN3. Takto se původně symetric-ky rozmístěný PIN3 přednostně přesouváve směru působení gravitace na „novou“spodní stranu buněk kořenové čepičkya auxinový tok je přesměrován na spodnístranu kořene. Hromadění auxinu na spod-ní straně kořene zde inhibuje prodlužovací

růst, kořen roste asymetricky a ohýbá seve směru působení gravitace — docházík tzv. gravitropní odpovědi. Tento mecha-nismus umožňuje rostlině velmi rychlereagovat na změny vektoru zemské tíže, té-měř okamžitě přesměrovat auxinový trans-port a dosáhnout takto adaptační vývojovézměny.

Zdá se, že i ostatní rostlinné vývojovéprocesy, ve kterých auxin figuruje jakokoordinační signál, používají obdobný me-chanismus, kdy změna buněčné polarityproteinů PIN vede k přesměrování tokuauxinu. Takové experimentální indicie bylyzískány kromě gravitropismu také pro foto-tropismus (asymetrický růst orgánů vedou-cí k ohybu za světlem), embryonální vývoj,zakládání a vývoj orgánových primordií,fylotaktické uspořádávání květů a listů,nebo pro tvorbu a regeneraci vodivýchpletiv. Je tedy možné, že integrace vnějšícha vnitřních signálů na úrovni mezibuněč-ného polárního transportu auxinu je jed-ním z hlavních principů, na jehož základěrostliny koordinují svůj růst a vývoj a získá-vají tak své nevídané adaptační schop-nosti.

V přirozených podmínkách by listnaté opadavé lesy pokrývaly většinu našehoúzemí (viz též článek J. Fanty na str. 18). Výskyt jehličnatých lesů se předpokládána místech nevhodných pro listnaté dřeviny — ve vyšších polohách pohraničníchhor (smrčiny) a na stanovištích příliš suchých nebo mokrých (skalní bory, rašelin-né bory, podmáčené jedlové smrčiny). Porosty s dominantní jedlí bělokorou(Abies alba) zaujímají zvláštní postavení — vyskytují se jak v rámci rozšíření list-natých lesů, tak i na stanovištích pro listnáče méně vhodných. Pojďme si tedy při-blížit jejich ekologii a vegetační variabilitu a podívat se na jejich možný původ.