ออกซิน (auxin)

ออกซิน (Auxin)

                        ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับออกซินนั้นเกิดขึ้นจากงานของ Charles Darwin ซึ่งศึกษาเรื่อง Phototropism ซึ่งพืชจะโค้งงอเข้าหาแสง   Darwin ทดลองกับต้นกล้าของ Phalaris canariensis     และพบว่าโคลีออพไทล์ของพืชชนิดนี้จะตอบสนองต่อการได้รับแสงเพียงด้านเดียวทำให้เกิดการโค้งเข้าหาแสง   Darwin สรุปว่าเมื่อต้นกล้าได้รับแสงจะทำให้มี   "อิทธิพล" (Influence)  บางอย่างส่งผ่านจากส่วนยอดมายังส่วนล่างของโคลีออพไทล์   ทำให้เกิดการโค้งงอเข้าหาแสง   ซึ่งนักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อมาได้ศึกษาถึง "อิทธิพล" ดังกล่าว

                        ต่อมา Boysen-Jensen  และ Paal     ได้ศึกษาและแสดงให้เห็นว่า "อิทธิพล"       ดังกล่าวนี้มีสภาพเป็นสารเคมี  ซึ่งในสภาพที่โคลีออพไทล์ได้รับแสงเท่ากันทั้งสองด้าน   สารเคมีนี้จะเคลื่อนที่ลงสู่ส่วนล่างของโคลีออพไทล์  ในอัตราเท่ากันทุกด้านและทำหน้าที่เป็นสารกระตุ้นการเจริญเติบโต

                        ในปี  ค.ศ. 1926 Went        ได้ทำงานทดลองและสามารถแยกสารชนิดนี้ออกจากโคลีออพไทล์ได้    โดยตัดส่วนยอดของโคลีออพไทล์ของข้าวโอ๊ตแล้ววางลงบนวุ้นจะทำให้สารเคมีที่กระตุ้นการเจริญเติบโตไหลลงสู่วุ้น  เมื่อนำวุ้นไปวางลงที่ด้านหนึ่งของโคลีออพไทล์ที่ไม่มียอดด้านใดด้านหนึ่งจะทำให้โคลีออพไทล์ดังกล่าวโค้งได้ เขาสรุปว่าสารเคมีได้ซึมลงสู่วุ้นแล้วซึมจากวุ้นลงสู่ส่วนของโคลีออพไทล์   วิธีการดังกล่าวนอกจากเป็นวิธีการแรกที่แยกสารเคมีชนิดนี้ได้แล้ว ยังเป็นวิธีการวัดปริมาณของฮอร์โมนได้ด้วย เป็นวิธีที่เรียกว่า Bioassay

                        สารเคมีดังกล่าวได้รับการตั้งชื่อว่า ออกซิน  ซึ่งในปัจจุบันพบในพืชชั้นสูงทั่วๆ ไป และมีความสำคัญต่อการเจริญเติบโตของพืช      สังเคราะห์ได้จากส่วนเนื้อเยื่อเจริญของลำต้น ปลายราก ใบอ่อน ดอกและผล และพบมากที่บริเวณเนื้อเยื่อเจริญ โคลีออพไทด์และคัพภะ รวมทั้งใบที่กำลังเจริญด้วย

 การสังเคราะห์ออกซิน

                        ในปี   ค.ศ.  1934   ได้พบว่า   ออกซินมีลักษณะทางเคมีเป็นสาร Indole-3-acetic acid หรือ เรียกย่อๆ ว่า IAA ซึ่งในปัจจุบันเชื่อว่าเป็นออกซินส่วนใหญ่ที่พบในพืชและในสภาพธรรมชาติ อยู่ในรูป Indole ทั้งสิ้น โดยที่ IAAเป็นสารที่สำคัญที่สุด  นอกจากนั้นยังพบในรูปของ Indole-3-acetaldehyde หรือ IAAld  Indole-3-Pyruvic acid หรือ IPyA และ Indole-3-acetonitrile หรือ        IAN ซึ่งสารทั้ง 3 ชนิดนี้สามารถเปลี่ยนเป็น IAA ได้ พืชสังเคราะห์ออกซินที่ใบอ่อน จุดกำเนิดของใบและเมล็ดซึ่งกำลังเจริญเติบโต

                        การสังเคราะห์ออกซินนั้น  มีกรดอะมิโน L-Tryptophan  เป็นสารเริ่มต้น (Precursor)   L-Tryptophan เป็นกรดอะมิโนที่มีโครงสร้างของ Indole อยู่ การสังเคราะห์ออกซิน ซึ่งในการสังเคราะห์ IAA นั้น จะมี IAAld และIPyA  เป็นสารที่พบในระหว่างการสังเคราะห์ ในพืชบางชนิด  เช่น  ข้าวโอ๊ต  ยาสูบ    มะเขือเทศ  ทานตะวัน  และข้าวบาร์เลย์  พบว่า Tryptophan  สามารถเปลี่ยนเป็น Tryptamine   ได้     ในพืชตระกูลกะหล่ำ     Tryptamine   อาจจะเปลี่ยนไปเป็น Indoleacetaldoxime แล้วเปลี่ยนไปเป็น IAN แล้วจึงเปลี่ยนเป็น IAA

                        การศึกษาเรื่องการสังเคราะห์ออกซินมักศึกษาจากเนื้อเยื่อปลายรากหรือปลายยอด และพบว่า IAA นี้สังเคราะห์ได้ทั้งในส่วนไซโตซอล (Cytosol) ไมโตคอนเดรีย  และคลอโรพลาสต์ ในการศึกษาในปัจจุบันพบว่าPhenylacetic acid หรือ PAA มีคุณสมบัติของออกซินด้วย และสามารถสังเคราะห์ได้จาก   L-Phenylalanine    โดยพบในคลอโรพลาสต์ และไมโตคอนเดรียของทานตะวัน

                        สารสังเคราะห์ที่มีคุณสมบัติของออกซินมีหลายชนิดที่สำคัญทางการเกษตร เช่น สาร  2,4-dichlorophenoxyacetic acid หรือ  2,4-D  ซึ่งใช้ในการกำจัดวัชพืช IBA หรือ Indole butyric acid ใช้ในการเร่งให้ส่วนที่จะนำไปปักชำเกิดรากเร็วขึ้น และ NAA หรือ Napthalene acetic acid จะช่วยในการติดผลของผลไม้บางชนิด เช่น แอปเปิล

ความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างของโมเลกุลและการมีคุณสมบัติของออกซิน

                                    เนื่องจากมีสารที่เกิดในธรรมชาติและสารสังเคราะห์จำนวนมากมีคุณสมบัติของออกซิน  จึงจำเป็นต้องรู้โครงสร้างของโมเลกุลที่จะก่อให้เกิดคุณสมบัติของออกซินได้ ซึ่งมีการศึกษากันมาก   ในขั้นต้น เข้าใจว่าสารที่จะมีคุณสมบัติของออกซินต้องประกอบด้วยวงแหวนที่ไม่อิ่มตัว มี side chain เป็นกรด ซึ่งต่อมาพบว่าไม่ใช่สาเหตุที่แท้จริง  เพราะมีสารหลายชนิดที่ไม่มีลักษณะ     ดังกล่าว แต่มีคุณสมบัติของออกซิน       จากการศึกษาของ Thimannในปี ค.ศ. 1963 ได้สรุปว่า โครงสร้างของโมเลกุลที่สำคัญของสารที่จะมีคุณสมบัติของออกซินคือ  ต้องประกอบด้วยประจุลบ (Strong Negative Charge)  ซึ่งเกิดจากการแตกตัวของกลุ่มคาร์บอกซิล     และประจุลบจะต้องอยู่ห่างจากประจุบวก     (Weaker Positive Charge)          บนวงแหวนด้วยระยะทางประมาณ 5.5 Angstrom สมมุติฐานของ Thimann   นับว่าใช้อธิบายโครงสร้างโมเลกุลของสารที่มีคุณสมบัติของออกซินได้ครบ

การสลายตัวของ IAA

                        ปริมาณของ  IAA  ในพืชนั้นไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับอัตราการสังเคราะห์เท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับอัตราการสลายตัว ซึ่งการสลายตัวของ IAA นั้น สามารถเกิดขึ้นได้หลายวิธี

                        1. Photo-oxidation    IAA  ที่อยู่ในสภาพสารละลายจะสลายตัวได้เมื่อได้รับแสง การเกิด Photo-oxidation ของ IAA   จะถูกเร่งโดยการปรากฏของรงควัตถุตามธรรมชาติ หรือที่สังเคราะห์ได้ จึงอาจจะเป็นไปได้ว่าการที่รงควัตถุของพืชดูดซับพลังงานจากแสงแล้วทำให้เกิดการออกซิไดซ์  IAA ซึ่งรงควัตถุที่เกี่ยวข้อง คือ    ไรโบฟลาวินและไวโอลาแซนธิน  (Riboflavin และ Violaxanthin)  สารที่เกิดขึ้นเมื่อ IAA     สลายตัวโดยแสงคือ     3-methylene-2-oxindole   และ Indoleacetaldehyde

                        2. การออกซิไดซ์โดยเอนไซม์ (Enzymic Oxidation of  IAA)       พืชหลายชนิดมีเอนไซม์เรียกว่า  IAA-oxidase     ซึ่งจะคะตะไลท์   สลาย  IAA  ได้คาร์บอนไดออกไซด์ และเป็นปฏิกิริยาที่ใช้ออกซิเจน IAA-oxidase                    มีคุณสมบัติคล้ายเอนไซม์ประเภทเพอร์ออกซิเดส  (Peroxidase)  และเป็นเอนไซม์ที่ต้องการแมงกานีสเป็นโค-แฟคเตอร์ กระบวนการออกซิไดซ์ โดย IAA-oxidase ยังไม่เป็นที่เข้าใจกันมากนัก          จากการทดลองIn vitro  พบว่าผลิตภัณฑ์ที่ได้ คือ 3-methylene-2-oxindole  และถูกเมตาโบไลซ์ต่อไป  เป็น 3-methyl-2-oxindole  มีการทดลองหลายครั้งที่ยืนยันว่า  IAA-oxidase จะเพิ่มขึ้นเมื่ออายุของพืชเพิ่มมากขึ้น    นอกจากนั้นยังมีความสัมพันธ์แบบผกผันระหว่างอัตราการเจริญเติบโตและปริมาณของ IAA-oxidase ในเนื้อเยื่อของรากจะมี IAA ในปริมาณต่ำ แต่มี IAA-oxidase เป็นจำนวนมาก

                        3. รวมกับสารชนิดอื่นในไซโตพลาสต์

                        4. เปลี่ยนเป็นอนุพันธ์ชนิดอื่น

         

การวัดปริมาณออกซิน

                        1. Bioassay    คือ  การวัดปริมาณออกซินโดยใช้ชิ้นส่วนของพืช  เช่น  โคลีออพไทล์ของข้าวโอ๊ตหรือพืชใบเลี้ยงเดี่ยวอื่นๆ  แล้ววัดความโค้งของยอดโดยการวางออกซินที่ต้องการวัดปริมาณลงบนส่วนของโคลีออพไทล์ซึ่งตัดยอดออกแล้ว   มุมที่โค้งจะบอกปริมาณของออกซินได้โดยเปรียบเทียบจากเส้นมาตรฐาน (Standard Curve)

                        2. การวัดจากคุณสมบัติทางฟิสิกส์ คือ     การวัดปริมาณของออกซินโดยใช้การดูดกลืนแสงของ  IAA ซึ่งเมื่อมีความเข้มข้นต่างกันจะดูดกลืนแสงได้ต่างกัน     โดยใช้ความยาวคลื่นแสงที่ 280 nm      หรือสกัดจนเป็นสารบริสุทธิ์แล้วจึงใช้เครื่อง  Gas Chromatograph ร่วมกับ Mass Spectrometry ในการจำแนกและหาปริมาณ

                        3. การวัดโดยวิธีเคมี          โดยให้ออกซินทำปฏิกิริยากับ   Salkowski's Reagent (acidified ferric chloride) หรือใช้ Ehrllch's Reagent  ซึ่งจะเกิดสีขึ้นมา จากนั้นวัดความเข้มของสีแล้วเปรียบเทียบกับเส้นมาตรฐาน

การเคลื่อนที่ของออกซินในต้นพืช

                        จากส่วนของพืชที่มีการสังเคราะห์       ฮอร์โมนจะเคลื่อนย้ายไปสู่ส่วนอื่นๆ  และมีผลกระทบต่อเนื้อเยื่อที่ได้รับฮอร์โมน การเคลื่อนที่จะถูกควบคุมอย่างดี การเคลื่อนที่ของออกซินจะเป็นแบบโพลาไรซ์ (Polarized) คือ เคลื่อนที่ไปตามยาวของลำต้นโดยไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่งมากกว่าทิศทางตรงกันข้าม ซึ่งการเคลื่อนที่แบบโพลาร์ (Polar)  นี้จะเกี่ยวข้องกับการเจริญและการเปลี่ยนแปลงทางคุณภาพของพืชทั้งต้น

                        การเคลื่อนที่ของออกซินในส่วนที่อยู่เหนือดิน  จะเป็นแบบโพลาร์   เบสิพีตัล (Polar  Basipetal) คือ จะเคลื่อนที่จากแหล่งผลิตที่ยอดไปสู่โคนต้น  ซึ่งการทดลองที่แสดงว่ามีการเคลื่อนที่แบบนี้สามารถทำได้โดยใช้ก้อนวุ้นที่เป็นแหล่งให้ออกซินและรับออกซิน (Donor-Receiver  Agar Block) คือ ใช้ก้อนวุ้นที่มีออกซินอยู่วางบนท่อนของเนื้อเยื่อ        ส่วนก้อนวุ้นอีกก้อนซึ่งทำหน้าที่รับออกซินอยู่อีกปลายหนึ่งของท่อนเนื้อเยื่อ      ออกซินจะเคลื่อนที่จากก้อนวุ้นที่มีออกซินผ่านเนื้อเยื่อลงไปสู่ก้อนวุ้นที่ไม่มีออกซิน    ซึ่งจากวิธีการนี้สามารถคำนวณความเร็วของการเคลื่อนที่ของออกซินในเนื้อเยื่อได้ เพราะทราบความยาวของท่อนเนื้อเยื่อ ความเร็วในการเคลื่อนที่แสดงเป็นระยะทางต่อหน่วยเวลา ซึ่งความเร็วในการเคลื่อนที่ของออกซินจะประมาณ 0.5-1.5 เซนติเมตรต่อชั่วโมง

                                    การเคลื่อนที่ของออกซินจะเกิดแบบเบสิพีตัลก็เมื่อท่อนเนื้อเยื่อวางอยู่ในลักษณะปกติของลักษณะทางสัณฐานวิทยาเท่านั้น คือ  ก้อนวุ้นที่เป็นก้อนที่รับออกซินจะต้องอยู่ทางด้านโคนของท่อนเนื้อเยื่อ    ถ้าหากกลับท่อนเนื้อเยื่อเอาด้านโคนกลับขึ้นเป็นด้านยอด       การเคลื่อนที่แบบเบสิพีตัลจะลดลงทันที

                        อัตราการเคลื่อนที่ของสารสังเคราะห์ที่มีคุณสมบัติของออกซิน จะช้ากว่าการ     เคลื่อนที่ของ  IAA แต่ลักษณะการเคลื่อนที่ของสารสังเคราะห์ เช่น 2,4-D   IBA  และ NAA ก็เกิดในลักษณะโพลาร์เช่นเดียวกับสาร IAA

                        การเคลื่อนที่ของออกซินในส่วนที่อยู่เหนือดินของพืช เกิดแบบอะโครพีตัล (Acropetal)  ได้บ้างแต่น้อยมาก  การเคลื่อนที่แบบโพลาร์จะลดลงเมื่ออายุของพืชเพิ่มมากขึ้น  ในปัจจุบันยังไม่ทราบแน่ชัดว่าออกซินเคลื่อนที่ผ่านไปในส่วนใดของเนื้อเยื่ออาจจะเป็นแบบจากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่งเพราะการเคลื่อนที่ช้ากว่าการเคลื่อนที่ของสารในท่ออาหาร (Phloem) ซึ่งประมาณ 10-100 เซนติเมตรต่อชั่วโมง และการเคลื่อนที่ของสารในท่ออาหารจะเป็นแบบอะโครพีตัล    มากกว่า      ดังนั้นออกซินจึงไม่ได้เคลื่อนที่ในท่ออาหาร  แต่การเคลื่อนที่ในรากอาจจะเป็นแบบตาม  Phloem   และเป็นที่เด่นชัดว่าออกซินไม่ได้เคลื่อนที่ในท่อน้ำของพืชเพราะการไหลของน้ำจะเป็นไปในทิศทางที่ขึ้นสู่ยอด และนอกจากนั้นท่อน้ำยังเป็นเนื้อเยื่อที่ตายแล้วไม่มีพลังงานที่จะทำให้ออกซินเคลื่อนที่แบบโพลาร์ได้  ในกรณีของโคลีออพไทล์ของพืชนั้นชี้ให้เห็นว่าออกซินเคลื่อนที่ผ่านเซลล์ทุกเซลล์ลงมา      แต่ในกรณีของลำต้นนั้นยังไม่มีหลักฐานชี้ให้เห็นเด่นชัดนัก      แต่อาจจะเป็นไปได้ว่าโปรแคมเบียม (Procambium) และแคมเบียม (Cambium) โดยเฉพาะส่วนที่จะกลายเป็นท่ออาหารอาจจะเป็นทางเคลื่อนที่ของออกซิน

                        การเคลื่อนที่ของออกซินในรากก็มีลักษณะเป็นโพลาร์  แต่เป็นแบบ อะโครพีตัล ซึ่งกลับกันกับกรณีของลำต้น ความเร็วของออกซินที่เคลื่อนที่ไปในรากพืชประมาณ 1 เซนติเมตรต่อ   ชั่วโมง โดยคาดว่าเกิดในส่วนของแคมเบียมและท่ออาหารที่เกิดใหม่

การเคลื่อนที่ของออกซินเป็นกระบวนการที่ต้องใช้พลังงานโดยมีหลักฐานที่สนับสนุนดังนี้

                        1. การเคลื่อนที่เร็วกว่าการซึม 10 เท่า

                        2. เคลื่อนที่ได้ดีในสภาพที่มีออกซิเจนเท่านั้น   และการเคลื่อนที่หยุดได้โดยสารบางชนิด (Inhibitor)

                        3. เคลื่อนที่จากบริเวณที่มีปริมาณมากไปสู่บริเวณที่มีปริมาณน้อย (Gradient)

                        4. เกิด Saturation Effect ได้

                        

ที่มา http://web.agri.cmu.ac.th/hort/course/359311/PPHY10_hormone.htm