Sekundární metabolismus u rostlin

5/13/2013

Rostliny a stres Sekundární metabolismus u rostlin

Rostliny a stres Stres – pojmy Průběh stresové reakce, stresová odezva Reakce rostlin na stresy abiotické -světlo: - jako morfogenní faktor - nadbytek ozářenosti, fotoinhibice - oxidativní stres (reaktivní formy kyslíku) - Voda: - nedostatek vody - osmotický stres, - zasolení - nadbytek vody – zaplavení, hypoxie, anoxie - teplota - vysoká, nízká (mráz) Reakce rostlin na stresy biotické -Strategie patogenů - infekce – viry, bakterie, houby, herbivoři - živočišné napadení -Reakce na napadení - hypersenzitivní reakce, PCD, systemická resistence (SAR) - elicitory, snytéze obranných látek Sekundární metabolismus u rostlin • Terpeny • Fenolické látky • Dusíkaté deriváty

1

5/13/2013

Rostliny ve stresu životní prostředí = komplex vnějších podmínek prostorových a vnějších faktorů – abiotických – biotických faktory abiotické = fyzicko- geografické a půdně-klimatické sluneční záření - včetně délky dne!!! teplota dostupnost vody a minerálních látek biotické: interakce s ostatními živými organismy na stanovišti

stres rostliny = stav vyvolaný stresovým faktorem, tj. stresorem = odchylka od optimálních podmínek působení stresoru vyvolává stresovou reakci

Rostliny ve stresu Sumárně - odpovědi rostlin na stres Na úrovni jedince - Recovery: rychlé opravy poškození - aklimace – na úrovni jedince

Evoluční přizpůsobení -adaptace - rostlin na různé typy stanovišť - avoidance: vyhýbání se stresu - tolerance : schopnost tolerovat, přežívat

2

5/13/2013

Rostliny ve stresu evoluční přizpůsobení = evoluční ADAPTACE rostlin na různé typy stanovišť přirozený výběr po mnoho generací  soubor základních geneticky fixovaných vlastností projevuje se na všech úrovních života rostliny: délka, průběh a regulace ontogeneze vnější stavba (habitus) vnitřní struktury metabolizmus

Ontogenetická AKLIMACE: pro přežití na stanovišti jsou rozhodující podmínky extrémní nutí rostlinu aktivovat obranné reakce

Adaptace versus Aklimace Adaptace: Evoluční změny, které umožní organismu využít konkrétní niku. Zahrnuje modifikaci existujících genů, stejně tak ztráty nebo získání nových.

např.: termofilní enzymy u organismů tolerujících vysoké teploty populace medyňku (Holcus lanatus) v Anglii – Yorkshire: genetické adaptace pro nižší příjem AsO4- na výsykových lokalitách (avoidance)

evoluční adaptace (evoluční avoidance, evoluční rezistence)

3

5/13/2013

Adaptace versus Aklimace Aklimace / fenotypová plasticita: Nedědičné změny na úrovni fenotypu získané během ontogeneze, které umožní organismu tolerovat nepříznivé podmínky prostředí.

např.: odpověď na teplotní šok syntéza fytochelatinů

Avoidance vs. tolerance stres = odchylka od optimálních podmínek

Avoidance: přizpůsobení životního cyklu (období klidu – vyhnutí se stresu) Tolerance: schopnost nepříznivé podmínky do určité míry tolerovat

Fig. 22.2, Buchanan et al.

4

5/13/2013

Avoidance vs. tolerance - avoidance: vyhýbání se stresu - tolerance : schopnost tolerovat, přežívat

Faktory prostředí způsobující stres - stresory Přírodní stresory : • Abiotické: silná ozářenost (fotoinhibice, fotooxidace), vysoká nebo nízká teplota, nedostatek či nadbytek vody a minerálních živin • Biotické: virové, bakteriální a houbové patogeny, hmyz, herbivoři Antropogenní stresory: • znečištění ovzduší (NOx, SOx, ozon, kyselé deště) • těžké kovy (olovo, kadmium) + hliník • herbicidy, pesticidy, fungicidy • nízké pH vody a půdy • globální klimatické změny (CO2, skleníkové plyny) • přehnojování (dusičnany)

5

5/13/2013

průběh stresové reakce

1/ poplachová fáze – narušení buněčných struktur a funkcí 2/ restituční fáze – mobilizace kompenzačních mechanismů 3/ fáze rezistence – zvýšení odolnosti proti působícím faktorům 4/ fáze vyčerpání – při dlouhodobém a intenzivním působení stresového faktoru

průběh stresové reakce průběh a výsledek stresové rekce závisí: na charakteru stresoru velikosti zátěže (odchylce od optima) rychlosti nástupu délce působení

na genotypu rostliny ontogenetickém stádiu fyziologickém stavu

stres se často projevuje zastavením růstu

stres se projevuje negativně na hospodářském výnosu

6

5/13/2013

Stresová odezva: vede ke změně genové exprese

7

5/13/2013

Stresová odezva: vede ke změně genové exprese Primární stresy

sekundární stres

Wang et al., Planta, 2003

Stresová odezva: vede ke změně genové exprese Společné mechanizmy stresových reakcí Stresové proteiny

•

Tvorba stresových proteinů (LEA, dehydriny, HSP, COR, PR-proteiny – často společně)

Aktivní formy kyslíku

•

Tvorba a odstraňování aktivních forem kyslíku

Stresové hormony

•

Tvorba stresových fytohormonů (ABA, etylen, kys. jasmonová, , SA – kyselina acetylsalycilová, metyljasmonát, polyamin)

Osmoregulační sloučeniny

•

Tvorba osmoregulačních sloučenin (cukry, polyalkoholy, jednoduché dusíkaté látky).

Stresové geny – geny aktivované po působení stresu, aktivace transkripčních faktorů (aktivátorů – HSF, DREB, CBF) vážou se na určité sekvence promotoru (HSE, DRE, ABRE)

8

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické •Světlo •nedostatek vody •osmotický stres – zasolení •nadbytek vody – hypoxie, anoxie •teplota - vysoká - nízká (mráz) •oxidativní stres (reaktivní formy kyslíku)

záření – zdroj energie, ale i signál rostliny využívají dopadající záření jako: • zdroj energie (viz fotosyntéza) • signál světelným podmínkám na stanovišti se rostlina po celý život a neustále aktivně přizpůsobuje

Stinný

Stinný do slunného prostředí Slunný

Picea abies

Oguchi et al. 2005

Acer rufinerve: uspořádání chloroplastů

9

5/13/2013

záření – signál

Záření (světlo) Základní charakteristiky: - spektrální složení - orientace (anisotropie) - intenzita - periodicita • UV–B • UV-A • Modrá • Červená • Dlouhovlnná červená

280-320nm 320-380nm 380-500nm 620-700nm 700-800nm

Absorpční spektra izolovaných fytochromů z ovsa Pr-zeleně, Pfrmodře

Vývojové procesy regulované světlem: -Klíčení semen -Fotomorfogeneze klíčních rostlin -Adaptace na světelné podmínky stanoviště (Shade avoidance) -Fototropismus -Otevírání průduchů -Pohyby chloroplastů

-Fotoperiodicky regulované kvetení, biorytmy

10

5/13/2013

Receptor červeného světla - fytochrom

objevení FYTOCHROMU jako senzoru

Borthwickovy Experimenty se semeny salátu (1954)

•Červená (red):

620-700nm

•Dlouhovlnná červená (far red) 700-800nm

11

5/13/2013

vnímání červeného světla: senzory, fyziologické a vývojové reakce FYTOCHROMY sensory červeného světla (R, FR) chromofor - lineární tetrapyrol apoprotein - A, B, C, D, E (u Arabidopsis, trávy jen tři různé proteiny) typ I - fytochrom A typ II - fytochromy B, C, D, E (u Arabidopsis) tvoří dimery

fotoreverzibilita fytochromového chromoforu +

hν 660 nm fototransformace

Pr

Pfr fotoreverze hν 730 nm +

temnostní reverze

fotopřeměna fytochromu

změna konformace chromoforu

změna konformace proteinu

12

5/13/2013

Fytochromy Typ I: Fytochrom A fotolabilní Pr i Pfr formy jsou transportovatelné do jádra po ozáření v cytoplazmě zůstává pouze nově syntetizovaný Pr

Typ II: Fytochromy B-E fotostabilní v některých funkcích se vzájemně zastupují nejčastější – fytochrom B

Dvě formy fytochromu • Pr - forma absorbující R světlo (660 nm) Pr

• Pfr - forma absorbující FR světlo (730 nm) Pfr •

Vratný přechod

Pr

Pfr

absorpcí R fytochrom získá schopnost autofosforylace kinázovou aktivitu (Ser/Thr) přemístit se do jádra

Převzato z přednášky B130P14, Fyziologie rostlin, LS, David Honys

13

5/13/2013

vnímání červeného světla: senzory

forma Pfr je považována za fyziologicky aktivní

aktivní fytochrom působí jak v jádře, tak v cytosolu -interakce s dalšími proteiny (např. transkripčními faktory v jádře) -zprostředkování změn v polarizaci membrán

..rychlé odpovědi (v řádu minut – spánkové pohyby - nyktinastie) ..regulace genové transkripce (syntéza fotosyntetických proteinů, synchronizace cirkadiánního rytmu, fotoperiodismus, klíčení semen)

fytochromy přinášejí informaci o poměru R/FR na stanovišti tj. o konkurenci jiných rostlin na stanovišti

biosyntéza a fotopřeměna fytochromu chromofor – fytochromobilin syntéza v plastidech apoprotein – syntéza v cytosolu autokatalytické složení aktivního fytochromu v cytosolu ozáření červeným světlem (Red) přeměna na aktivní formu Pfr •transport do jádra •aktivace transkripčních faktoů

14

5/13/2013

regulace genové exprese přes fytochrom: fytochrom samotný neinteraguje s DNA - aktivuje transkripční faktory (zde PIF= phytochrome interacting factor )

etiolace

FOTOMORFOGENEZE x skotomorfogeneze (ve tmě) deetiolace

etioplast (prolamelární těleso)

funkční dospělý chloroplast

etiolace = krytosemenné

otvírání plumulového háčku zpomalení dlouživého růstu vývoj fotosyntetického aparátu Fytochrom A (+ kryptochrom) aktivní forma (Pfr) má poločas rozpadu 30-60 min proteolyticky degradován (ubiquitinace)

15

5/13/2013

lokalizace fytochromu v orgánech etiolované rostliny

nejvyšší koncentrace v místech (orgánech), kde probíhají nejvýraznější vývojové změny: •apikální meristémy •epikotyl •kořen

Klíčení semen masivní prodlužování buněk radikuly a embryonálního základu prýtu

Červené světlo proniká k semeni

Semeno klíčí

Proč je to důležité?

K hluboko uloženému semeni neproniká žádné sluneční světlo

Semeno neklíčí

Červené světlo => blízkost povrchu

Omezené množství zásobních látek Semeno musí dorůst na světlo před vyčerpáním zásob • Malá semena – často potřebují k vyklíčení světlo Klíční rostlinky se na povrchu rovnají a otvírají listy Převzato z přednášky B130P14, Fyziologie rostlin, LS, David Honys

16

5/13/2013

Klíčení semen Klíčení semen je řízeno i gibereliny Arabidopsis ga1 (gib. acid1) mutant – nesyntetizuje GA může být kompenzováno přidáním externích giberelinů

neklíčí

propojení regulačních drah – světlo + gibereliny: FR (Far Red) inhibuje transkripci GA4 a GA4H

Adaptace na světelné podmínky stanoviště Mám sousedy ? Proč je to důležité? Sousední rostliny představují ohrožení Mohou růst výše a stínit

Řešení

Růst přinejmenším do stejné výšky jako sousední rostliny Potřeba vědět, že mám sousedy

R světlo je absorbované sousedními rostlinami

FR světlo se od sousedních rostlin odráží

Izolované rostliny většinou bývají kratší než rostliny v hustém porostu Vliv i dalších faktorů

Obohacení světla FR složkou => rostlina má sousedy Převzato z přednášky B130P14, Fyziologie rostlin, LS, David Honys

17

5/13/2013

Adaptace na světelné podmínky stanoviště Rostu pod jinými rostlinami ? Proč je to důležité?

Rozdílné optimální strategie růstu zastíněných a osvětlených rostlin Nutno rozlišit, zda • je rostlina zastíněná okolními rostlinami nebo • je jen zataženo nebo • je podvečer

R světlo je pohlcené sousední mi rostlinami

FR světlo se od sousedních rostlin odráží nebo jimi proniká

Světlo bohacené FR => Jsou tam !

Převzato z přednášky B130P14, Fyziologie rostlin, LS, David Honys

Reakce rostlin – strukturální adaptace list

list rostoucí ve stínu Taiz l., Zeiger E.: Plant Physiology. – Sinauer Associates, Inc. Publ. Sunderland, Massachusetts, 2006

list rostoucí slunci

Thermopsis montana

jaké jsou vnitřní světelné podmínky v listu?

list jako past na světlo

při průchodu listem se záření kvalitativně i kvantitativně mění klesá modré a červené relativně stoupá zelené a FR absolutně stoupá IR

18

5/13/2013

Nutno rozlišit, zda •je rostlina zastíněná okolními rostlinami, nebo je jen zataženo nebo je podvečer.....

Adaptace na světelné podmínky stanoviště 240 m-2

100 m-2

32 m-2

vyšší podíl FR stimuluje prodlužování internodií (selektivně odrážející zrcadla)

http://5e.plantphys.net/image.php?id=237

19

5/13/2013

Rceptory modrého světla KRYPTOCHROM FOTOTROPIN

vnímání modrého světla: senzory

KRYPTOCHROM

1) KRYPTOCHROMY receptory modrého světla (UV-A, zelené?) chromofory FAD a pterin – nekovalentně vázané kryptochromy jsou podobné DNA fotolyázám (enzymy schopné opravit pyrimidinové dimery po poškození UV)

•přítomné ve všech buňkách po celý život rostliny •lokalizované v jádře informace o složení světla v průběhu dne: za svítání a soumraku – vyšší podíl modrého sv. přes den vyšší podíl červeného

20

5/13/2013

vnímání modrého světla: fyziologické a vývojové reakce 1) KRYPTOCHROMY Fyziologické reakce deetiolace (inhibice prodlužování hypokotylu cry1) otevírání děloh a jejich růst do plochy stimulace tvorby anthokyaninů, proteinů fotosystémů Akční spektrum fototropismu koleoptile synchronizace cirkadiánního rytmu ovsa stimulovaného modrým světlem = detekce fotoperiody - kvetení vztah mezi intenzitou biologické odpovědi a vlnovou délkou světla „trojzubec“ – charakteristický pro odpovědi na modré světlo

deetiolace

vnímání modrého světla: senzory, fyziologické a vývojové reakce 2) FOTOTROPIN chromofor – FMN, nekovalentně vázaný zprostředkování fototropických reakcí

fototropin

– ohyb ke zdroji světla

registrace zdroje podnětu důležité u klíčních rostlin lokalizovaný v plazmatické membráně ohyb koleoptile kukuřice ke zdroji modrého světla

modré světlo

interval 30 min. Taiz and Zeiger, 2002

21

5/13/2013

2) FOTOTROPIN

tma

slabé modré

silné modré

modré světlo – aktivace H+ ATPázy v membráně svěracích buněk

svěrací buňky průduchu

protoplasty svěracích buněk

22

5/13/2013

Reakce rostlin – světlo morfogenní faktor COP1 – centrální gen fotomorfogeneze rostlin (Constitutive Photomorphogenesis) –

Reakce rostlin – světlo morfogenní faktor COP1 – centrální gen fotomorfogeneze rostlin (Constitutive Photomorphogenesis) –

Ochrana před nadměrnou aktivací signálních drah: COP1 – přímo interaguje s phyA a CRY2 a směřuje je k ubikvitinaci COP1 i přímo interaguje s phyB a CRY1 – úloha ve fotomorfogenezi

23

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické - ozářenost rostliny – fotoautotrofní přisedlé organizmy fotomorfogeneze x skotomorfogeneze (vývoj ve tmě) rostliny aktivně monitorují světelné podmínky na stanovišti a neustále se jim přizpůsobují světlo – fotosyntéza – FAR – morfogenně účinné - 300 až 740 nm červené modré blízké UV (záření UV-A + část UV-B) senzor pro oblast UV 300 až 400 nm zatím nebyl nalezen morfogenní účinky jsou prokázány (syntéza flavonoidů, napřímení hypokotylu) UV záření o vlnové délce  300 nm působí poškození (DNA, proteiny)

Reakce rostlin na stresy abiotické - ozářenost světelný stres – stres z nadměrné ozářenosti nadměrná ozářenost je relativní pojem

komplex obranných reakcí

regulovaných různými mechanizmy nejen reakce zprostředkované fotosenzory

signál: nízké pH v lumenu thylakoidu  xantofylový cyklus signál: ROS (reactive oxygen species, např. singletový kyslík O2*, superoxid O2-, H2O2)  aktivace superoxiddismutáz (SOD) a askorbátperoxidázy

(Mehlerova reakce: redukovaný ferredoxin přenese elektron na kyslík  vznik superoxidu)

24

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické - ozářenost 

Tvorba aktivních forem kyslíku 

Mehlerova reakce v chloroplastech (fotoredukce kyslíku ve fotosystému I). Primárním produktem je superoxid, z něhož mohou vzniknout nebezpečnější hydroxylové radikály a peroxid vodíku. Snížení rychlosti sekundárních procesů fotosyntézy (fixace CO2) ve stresu vede ke zvýšení tvorby ROS a k poškození b.



Fotoredukce kyslíku je možná i ve fotosystému II (možná pozitivní funkce) Tvorba singletového kyslíku přenosem excitační energie z chlorofylu na kyslík v základním stavu



Figure 5 Schematic representation of the electron transport system in the thylakoid membrane showing three possible sites of activated oxygen production. a) Singlet oxygen may be produced from triplet chlorophyll in the light harvesting complex. b) Superoxide and hydrogen peroxide may "leak" from the oxidizing (watersplitting) side of PSII. c) Triplet oxygen may be reduced to superoxide by ferredoxin on the reducing side of PSI.

ROS

•ROS se formují během redoxních reakcí a během nedokonalé redukce kyslíku nebo oxidace vody v mitochondriálním nebo chloroplastovém elektronovém řetězci •Vznik singletního kyslíku (1O2) dále stimuluje produkci dalších ROS (peroxid, superoxidový aniont, hydroxylový a perhydroxylový radikál). •Superoxidové anionty vznikají také v chloroplastech, když jsou elektrony přeneseny na kyslík přímo z fotosystému I.

25

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické - ozářenost FOTOINHIBICE

při vysoké ozářenosti možnost poškození struktur fotosyntetického aparátu Obranné a regulační mechanismy 1) disipace energie teplem (karotenoidy) 2) likvidace reaktivních forem kyslíku – karotenoidy, superoxid dismutasa, askorbát 3) oprava či de-novo syntéza D1 proteinu (Normální životnost proteinu D1 je asi 30 min)

Reakce rostlin na stresy abiotické - ozářenost světelný stres – z nadměrné ozářenosti evoluční adaptace – trichomy, vosky (odrážejí světlo) přizpůsobení modulační (aktuální, přechodné) např. postavení listů k dopadajícímu záření

rozmístění chloroplastů – fotomorfogenetická reakce na modré světlo zvyšuje se světelná propustnost listu

Postavení listů soji při zvyšujícím se vodním stresu

tma

střední ozářenost

vysoká ozářenost

26

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické - ozářenost

Pohyby chloroplastů: závisí na intenzitě PHAR, aktinu, fototropinu 2 Kasahara et al., Nature 420, 829-832, 2002

Reakce rostlin na stresy abiotické – oxidativní stres Oxidativní stres - může být způsoben různými stresovými faktory

• •

- singletový kyslík 1O2, superoxidový anion O2-, peroxid vodíku H2O2, hydroxylový radikál OH., perhydroxylový radikál O2H. - destrukce proteinů, nukleových kyselin a lipidů

27

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické – oxidativní stres Oxidativní poškození způsobené ozónem O3: vstup stomaty oxidativní poškození lipidů a proteinů v plazmatické membráně produkce volných radikálů nebo jiných reaktivních intermediátů borovice vejmutovka

fazol

Reakce rostlin na stresy abiotické – oxidativní stres

převzato z přednášky Fyziologie rostlin Dr. Žárského a Dr. Kulicha

28

5/13/2013


Reakce rostlin na stresy abiotické – oxidativní stres antioxidativní obranné systémy

hlavní antioxidanty u rostlin: • askorbát (vitamin C) • redukovaný gluthation • tokoferol (vitamin E) • karotenoidy

ochranná funkce: • polyaminy askorbát – gluthationový cyklus

• flavonoidy

(v chloroplastech, cytosolu, apoplastu)

29

5/13/2013


Agricultural and Biological Sciences » "Responses of Organisms to Water Stress", book edited by Sener Akıncı, ISBN 978-953-51-0933-4, Published: January 16, 2013 under CC BY 3.0 license Chapter 4: Comparison Between the Water and Salt Stress Effects on Plant Growth and Development By Alexandre Bosco de Oliveira, Nara Lídia Mendes Alencar and Enéas Gomes-Filho DOI: 10.5772/54223

Reakce rostlin na stresy abiotické - voda

Homeiohydrické rostliny – většina cévnaté 85 – 90%, větší vakuoly Poikilohydrické rostliny – převažují nižší např. mechy a lišejníky Resurrection plants –snášejí úplné vysušení

(Selaginella lepidophylla)

Hydrofyta – vodní rostliny Hygrofyta – mokřadní rostliny Mezofyta – střední nároky na obsah vody v půdě Xerofyta – nedostatek vody po většinu roku

30

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické - voda adaptace – kutikula průduchy - uložení (vzhledem k pokožce, rozmístění na listech) dormance s opadáváním listů efemery (omezení délky života na příznivé období) rostliny C4, CAM velikost listové plochy (ontogenetická adaptace) otvírání a zavírání průduchů (modulační adaptace)

vodní stres může způsobit nedostatek i nadbytek vody nedostupnost vody – aktuální nedostatek spojený s vysokou transpirací nízké teploty a tvorba ledu v mezibuněčných prostorech zasolení půdy


Vodní sytostní deficit Relativní obsah vody Vodní sytostní deficit WSD = (turgidní hm.– čerstvá hm.)/(turgidní hm.-suchá hm.) x 100 [%]

Množství vody scházející rostlině k plnému nasycení Relativní obsah vody RWC = [(čerstvá hm. – suchá hm.)/(turgidní hm. – suchá hm.)] x 100

RWC = 100 - WSD Hodnota vodního potenciálu listů jako indikátor vodního stresu: -1,5 MPa -0,5 MPa Velmi silný stres (ztráta turgoru, vadnutí)

Středně silný stres

Mírný stres

31

5/13/2013


Reakce rostlin na stresy abiotické - voda Stres z nedostatku vody může mít různé podoby: Osmotický stres – vysoká koncentrace látek v půdním roztoku snížená dostupnost vody Chlad a mráz - tvorba ledových krystalů, změna osmotických poměrů Evapotranspirace x osmotická ztráta vody Dehydratace – ztráta vody z buňky Desikace – extrémní ztráta – až 50%

32

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické - voda vodní deficit  ztráta turgoru  vadnutí  zastavení růstu

slunečnice

účinek vodního stresu na expanzi listů a fotosyntézu: •při mírném vodním deficitu úplně ustává expanze listů •zatímco rychlost fotosyntézy zůstává neovlivněna

Reakce rostlin na stresy abiotické - voda vodní deficit  ztráta turgoru  zastavení expanze buněk

GR = m (Yp – Y) rychlost expanze buňky závisí na:

Yp Y m

- turgorovém tlaku - hraniční (prahový) turgor - mechanická roztažnost buněčné stěny

s nedostatkem vody: - vyšší pH v apoplastu = pokles m

33

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické - voda Stres z nedostatku vody může mít různé podoby: Osmotický stres – vysoká koncentrace látek v půdním roztoku snížená dostupnost vody Chlad a mráz - tvorba ledových krystalů, změna osmotických poměrů Evapotranspirace x osmotická ztráta vody Dehydratace – ztráta vody z buňky Desikace – extrémní ztráta – až 50%


nedostatek vody v půdě (vodní potenciál cca –1.5 MPa): ztráta vody z buněk kořenů – cytorrhiza (deformace buň. stěny) - „smrštění“ kořene – ztráta kontaktu s půdními částicemi - poškození kořenových vlásků při déle trvajícím nedostatku vody: suberinizace hypodermis (exodermis) .....vyšší odpor pro příjem a vedení vody

34

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické - voda zvýšení příjmu vody – osmotické přizpůsobení využití osmoticky aktivních látek (snížení vodního potenciálu protoplastu) ionty (K+, Cl-) sacharidy, organické kyseliny – snížení jejich využívání kompatibilní soluty (nízkomolekulární organické látky dále metabolicky nevyužívané)

malá skupina chemicky různorodých organických látek: prolin, kvartérní amonné sloučeniny (glycinbetain, alaninbetain), polyalkoholy: manitol, pinitol

Reakce rostlin na stresy abiotické - voda Osmotické přizpůsobení – kompatibilní soluty vysoce rozpustné – osmoticky aktivní nízkomolekulární neinterferují ani ve vysokých koncentracích s buněčným metabolismem, nejsou dále metabolicky využívané syntéza a akumulace organických osmolytů je mezi rostlinami široce rozšířena distribuce mezi rostlinnými druhy se liší

35

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické - voda Kompatibilní soluty

ionty

kompatibilní soluty (prolin)

nacházejí zejména v cytoplazmě a umožňují tak dosahovat osmotickou rovnováhu s vakuolou Narušují hydratační obal proteinu a tím jeho strukturu

Nevstupují do hydratačního obalu proteinu, ten zůstává v plně funkčním stavu

Reakce rostlin na stresy abiotické - voda omezení výdeje vody – zavírání průduchů

signální molekula kyselina abscisová (ABA)

zavírání průduchů aktivní (signalizace ABA) x pasivní (kutikulární transpirace svěracích buněk) ABA – kyselina abscisová; cADPR – cyklická ADPribóza; IP3 – inozitoltrifosfát; NO – oxid dusnatý; PA – kyselina fosfatidová; PLC – fosfolipáza D; R – receptor; ROS – reaktivní formy kyslíku; S1P – sfingosin-1-fosfát Taiz l., Zeiger E.: Plant Physiology. – Sinauer Associates, Inc. Publ. Sunderland, Massachusetts, 2006, (upraveno).

36

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické - voda Redukce listové plochy při stresu suchem

1) zastavení expanze listů 2) translokace asimilátů 3) indukce opadu listů 4) růst kořenů do hlubších, vlhčích vrstev

Reakce rostlin na stresy abiotické - voda ochranné stresové proteiny při dehydrataci – např. LEA (late embryo abundant, malé, 9 až 10 kDa hydrofilní) - interakce s enzymy v cytosolu, s chromatinem, cytoskeletem – udržují nezbytný stupeň hydratace pro zachování struktur

-HSP (heat shock proteins) proteiny teplotního šoku - mohou fungovat i při reparaci proteinů poškozených osmotickým stresem

Rehydratace pletiv: - zvýšení obsahu aquaporinů v plazmatické membráně

37

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické – zaplavení (hypoxie, anoxie) stres z nadbytku vody zaplavení – stres vyvolaný nedostatkem kyslíku

Hypoxie a anoxie Nedostatek kyslíku v půdě v důsledku zaplavení Vzduch v půdě do hloubky několika metrů je za běžných podmínek podobně bohatý na kyslík jako v atmosféře. Ve špatně odvodněné půdě nebo při vytrvalých deštích se blokuje přístup a transport O2 a zásobeno je jen několik centimetrů na povrchu. Tehdy a při vyšší teplotě zvlášť, jsou kořeny rostlin deprivovány anoxií. Záplavy v zimě, během dormance kořenů, většinu rostlin nepoškodí. Těžké jílovité půdy

Reakce rostlin na stresy abiotické – zaplavení (hypoxie, anoxie) stres z nadbytku vody zaplavení – stres vyvolaný nedostatkem kyslíku kyslík se stává limitujícím pro buněčné dýchání - nedostatečná tvorba ATP (až zhroucení energetického metabolismu) - okyselování protoplastu (fermentace – tvorba kys. mléčné; únik protonů z vakuoly – H+ATPázy) aktuálně je zvýšená aktivita enzymů glykolýzy a alkoholdehydrogenázy zastavuje se růst kořenů tvorba adventivních kořenů v místě hladiny vody tvorba lenticel

zvyšuje se aktivita anaerobních organismů ..např. redukce Fe3+ Fe2+ - hromadění v toxických koncentracích redukce SO4-2 H2S - toxický pro dýchání Raven P.H., Everet R.F., Eichhorn S.E.: Biology of Plants. – W.H.Freeman and company Worth Publishers, New York 2003

38

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické – zaplavení (hypoxie, anoxie) Metabolický chaos vyvolaný HYPOXIÍ Hypoxie a anoxie při poklesu konc. O2 v intercelulárách pod 2-4% - spuštěna glykolýza, energetické vyčerpání, intoxikace etanolem - hormonální chaos: klesá hladina auxinů a cytokininů, stoupá hladina ABA a etylénu - indukce tvorby stresových proteinů

Reakce rostlin na stresy abiotické – zaplavení (hypoxie, anoxie) Hypoxie signál – kyselina abscisová, etylén

tvorba aerenchymu PCD (programovaná buň. smrt) zvýšená koncentrace etylénu a prekurzoru aminocyklokarboxypropanové kyseliny (ACC) a ACC syntázy aktivace enzymů • modifikujích a zesilujících buněčnou stěnu, zejména hypodermis • zvýšení Ca2+ jako signální molekuly

Pazourek J., Votrubová O.: Atlas of Plant Anatomy. – PERES Publ. 1997

rhizom Acorus calamus

39

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické – zaplavení (hypoxie, anoxie) Kořen kukuřice

Normální zásobení kyslíkem

Nedostatek kyslíku v půdě - vzduchem vyplněné prostory v kůře vzniklé degenerací buněk kůry

Reakce rostlin na stresy abiotické – zaplavení (hypoxie, anoxie) evoluční adaptace na zaplavení tvorba aerenchymu hypodermis (brání úniku O2 z kořenů) pneumatofory

Kořen rákosu

O 2 barvení Sudan Red 7B

Snížení radiálních ztrát kyslíku Převzato od A. Soukupa a O. Votrubové , PřF UK

40

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické - zasolení zasolení – pobřeží moří a oceánů umělé zavlažování solení vozovek v zimě nadměrná aplikace minerálních hnojiv asi 6% povrchu pevniny je zasolených salinita (zvýšení všech solí) sodicita (zvýšení Na+) solné žlázky na listech lebedy (Atriplex mollis)

adaptace: endodermis ultrafiltrace v buňkách primární kůry (mangrovy) tolerance k vyššímu obsahu iontů v apoplastu – vylučování solí na povrch listů – ukládání solí ve vakuolách mezofylu a opad listů do specifických kompartmentů (žlázky)

halofyty – tolerantní k zasolelní (slanobýl – Salsola, beta vulgaris) glykofyty – citlivé k zasolení

Reakce rostlin na stresy abiotické - zasolení asi 6% povrchu pevniny je zasolených

IA: Atriplex nummularia

Skupina IA – HALOFYTY: zahrnuje slanomilné rostliny mořských pobřeží jako solnička přímořská (Suaeda maritima), lebeda (Atriplex nummularia). Růst je stimulován do 400 mM koncetrace Cl-. Skupina IB – HALOFYTY: zahrnuje slanomilné rostliny jako spartina, nebo řepa (Beta vulgaris). Zasolené prostředí tolerují, ale snižují růst. Skupina II – tolerantní: tolerantní halofytní trávy bez solných žláz (kostřava červená, zblochanec), nehalofytní rostliny – bavlník, ječmen. Rajče (přechodně tolerantní), fazol a soja citlivé. Skupina III – velmi citlivé: růst výrazně inhibován i při nízké koncentraci solí, někdy až letální. Ovocné stromy – citrusy, avokádo, peckovice.

IA: Suaeda maritima

IB: Spartina maritima

II: Festuca rubra

III: Lycopersicon esculentum IB: Beta vulgaris

III: Persea americana

41

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické - zasolení vylučování solí na povrch listů

solné trichomy Lebeda (Ariplex)

solné žlázy tamaryšek (Tamarx aphylla)

Distichlis spicata

vylučování solí na povrch listu bez speciálních struktur

Reakce zasolení rostlin na stresy abiotické - zasolení stres zasolením: osmotický stres stres způsobený specifickým toxickým účinkem některých iontů (Na+, Cl-) normálně v cytosolu: 100 mM K+ méně než 10 mM Na+

při zasolení v cytosolu: více než 100 mM Na+, Clcytotoxický účinek - denaturace proteinů - destabilizace membrán

při vysokých koncentracích Na+: kompetice s K+ na vysokoafinitních přenašečích Na+ vytěsňuje Ca2+ z buněčné stěny snižuje aktivitu Ca2+ v apoplastu – vyšší příjem Na+ zablokuje vlastní detoxifikaci, která je závislá na Ca2+ v cytosolu

42

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické - zasolení stres způsobený specifickým toxickým účinkem některých iontů – příklad Na+

ionty

kompatibilní soluty (prolin)

Kompatibilní soluty nacházejí zejména v cytoplazmě a umožňují tak dosahovat osmotickou rovnováhu s vakuolou Narušují hydratační obal proteinu a tím jeho strukturu

Nevstupují do hydratačního obalu proteinu, ten zůstává v plně funkčním stavu

Reakce rostlin na stresy abiotické - zasolení další mechanismy tolerance k zasolení: zvýšený příjem vody – vylučování polysacharidů do mezibuněčných prostorů - zvýšený příjem vody a udržování nízké koncentrace solí: specifické případy sukulence (slanorožec – Salicornia) salicornia europaea

43

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické – stopové prvky

-esenciální kovy ve vysokých koncentracích (Fe, Cu, Zn, Ni) - neesenciální toxické kovy – Pb, Cd, As

Reakce rostlin na stresy abiotické – stopové prvky -esenciální kovy ve vysokých koncentracích (Fe, Cu, Zn, Ni) - neesenciální toxické kovy – Pb, Cd, As příjem záměnou za esenciální (As – P; Cd – Zn) glutathion – tripeptid = k. glutamová-cystein-glycin

funkce: -váže a tím inaktivuje endogenní toxiny i exogenní škodlivé látky

vazbu katalyzují glutathion-S-transferázy – transport komplexu do vakuoly glutathion je stavebním kamenem fytochelatinů (glutamát-cystein)2 až 11- glycin

fytochelatiny vážou a tím inaktivují těžké kovy

44

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické – vysoká teplota vysoká teplota

A

B

Letální vysoké teploty pro vybrané druhy rostlin

morfologické adaptace k vyšším teplotám u listů buku: A: slunný list, tenčí hraniční vrstva, efektivnější transpirační chlazení B: stinný list

Reakce rostlin na stresy abiotické – vysoká teplota přechod membrány do kapalného stavu změna konformace proteinů - např. fotosyntéza je inhibována při nižších teplotách než by došlo k samotné denaturaci proteinových komplexů - při nižší teplotě již dojde k „rozpojení“ struktur elektrontransportního řetězce

Steroly se vmezeřují do prostor mezi fosfolipidy – zvyšují tuhost dvouvrstvy, snižují fluiditu a permeabilitu. aklimace – zvýšení podílu nasycených mastných kyselin a sterolů stabilizace konformace proteinů konstitutivní proteiny teplotního šoku (HSP heat shock-proteiny) syntéza nových HS-proteinů molekulární chaperony, ubikvitin a proteázy

45

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické – vysoká teplota

HSF


HSF – heat shock factor – transkripční faktor aktivující syntézu HSP70

Reakce rostlin na stresy abiotické – vysoká teplota proteiny teplotního šoku: umožňují termotoleranci

• semena přirozeně obsahují vysoký obsah HSP a bývají odolná k vysokým teplotám • subletální teplotní šok rostlinám může usnadnit přežití i letálního šoku • Produkce HSP koreluje se získanou termotolerancí • Někteří mutanti (kvasinek) nebo transgenní rostliny s pozměněnou expresí HSP nejsou termotolerantní

46

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické – vysoká teplota Semenáčky soji při předem vystavené mírnému teplotnímu šoku přežijí 45°C, což je bez této možnosti aklimace letální

28oC

40oC  45oC

semenáčky soji.

45oC


Reakce rostlin na stresy abiotické – nízká teplota adaptace – stabilizace funkce membrán – desaturace mastných kyselin v membránových lipidech – zvýšení obsahu osmoticky aktivních látek v protoplastech – syntéza specifických ochranných proteinů (160 kDa)

Steroly se vmezeřují do prostor mezi fosfolipidy – zvyšují tuhost dvouvrstvy, znižují fluiditu a permeabilitu. Ale v nízké konc. mohou také fluiditu zvyšovat. tekutý krystalický stav

Low temperature tuhý gelový stav

47

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické – nízká teplota teploty pod bodem mrazu nebezpečí = tvorba ledu v mezibuněčných prostorech a ve vakuolách nedostatek vody mechanické poškození (tonoplast) bez nukleačních center může metastabilní stav vody trvat až do –38°C tvorba ledu v apoplastu

nukleační centra – např. bakterie – Pseudomonas, Erwinia v apoplastu

tvorba ledu v buňkách

Web Figure 26.3.A Temperature of parenchyma cells in cucumber (Cucumis sativus) fruit during freezing. The temperature was recorded with an electronic device, a thermistor, inserted into a 5 × 20 mm cylinder of tissue and immersed in a coolant at –5.8°C. (A–B) Supercooling. (B–C) Release of heat during freezing in cell walls and intercellular spaces. (C–D) Supercooling. (D–E) Small heat spikes released during intracellular freezing of individual protoplasts. (After Brown et al. 1974.)

Reakce rostlin na stresy abiotické – nízká teplota teploty pod bodem mrazu omezení tvorby velkých ledových krystalů – osmoticky aktivní látky (sacharidy, fruktany!, kompatibilní osmolyty) – specifické proteiny na povrchu buněčných stěn (antifreeze proteins) http://morph.seitai.saitama-u.ac.jp/English/index2.html

•hluboké podchlazení vody v cytosolu má limit cca –40°C •při nižších teplotách se led tvoří spontánně •rostliny tolerující nižší teploty než –40°C v přirozených podmínkách nevyužívají mechanismu podchlazení ale postupné dehydratace

Dehydratace buňky způsobená tvorbou extracelulárních krystalů ledu

48

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy abiotické – nízká teplota

postupné promrzání neotuženého výhonu rododendronu nukleační jádro v xylému – šíření Infrared Differential Thermal Analysis

Reakce rostlin na stresy abiotické – extrémní teplotní rozdíly diurnální – např. rostliny jihoamerického párama

Espeletia sp. – klejovka ochrana před rychlým zamzáním izolací obalem mrtvých listů vodní rezervoár ve stonku – podchlazení bez tvorby ledu

49

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy biotické

interakce s živými organizmy 1) vzájemně výhodná 2) pro rostlinu nevýhodná rostliny jsou přisedlé mají komplexní efektivní konstitutivní i indukovatelný obranný systém

přirozená obrana: krycí pletiva, kutikula sekundární metabolity terpeny, fenolické látky, látky obsahující N alkaloidy kyanogenní glykosidy glukosinoláty

Reakce rostlin na stresy biotické napadení viry, bakteriemi, houbami a živočichy charakteristické symptomy nemoci procesy patogeneze: - infekce - kolonizace - reprodukce

50

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy biotické – stragetie patogenů Životní strategie patogenů Biotrofní

Hemibiotrofní

- napadají živé buňky - invaginace plazmatické membrány - rovnováha s hostitelem - speciální forma parazitismu

- během životního cyklu bio-, nekro-, saprotrofní fáze - dlouhou dobu nedochází k narušení buněčné stěny - saprofáze redukována

Exobasidium vaccinii plíška brusinková

Nekrotrofní - napadají a rychle usmrcují živé buňky – enzymy, toxiny - narušení bunečné stěny, protoplastu, metabolismu - mohou existovat jako saprotrofové

Fusarium Phytophthora infestans plíseň bramborová

Reakce rostlin na stresy biotické reakce rostliny na infekci patogenem stimulativní

degenerativní

obligátní biotrofní parazité – v počátečních fázích svého vývoje: podpora růstu, zvýšení počtu organel „green islands“- typické pro biotrofní bakterie, viry (nerovnováha kinetinu)

nekrotrofní a v pozdních fázích i někteří obligátní biotrofní parazité: narušení cytoskeletu, organel, membrán) Beta vulgaris – Fusarium oxysporum

nárůst počtu mitochondrií a ribozómů

zvýšení syntézy proteinů

intenzivnější respirace + oxidační procesy + degradace látek

Hordeum vulgare Blumeria graminis

uvolnění chemické energie na pokrytí biosyntéz

51

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy biotické - viry patogeny - patogen prožije s hostitelem část nebo celou svou ontogenezi v těsné interakci

viry – intracelulární paraziti ssRNA-viry - virus tabákové mozaiky (Tobamovirus, single strand RNA) dsDNA-viry - virus mozaiky květáku (Caulimovirus, double strand RNA) pro přenos viru do hostitele nutné vektory: bodavě savým hmyzem, křísy, háďátky, roztoči, ale i parazitickými houbami, roztoči velmi přenosná u vegetativně množených plodin (brambor, chmel, banány, cukrová třtina a p.)

http://www.sciencephoto.com/media/249650/enlarge

Reakce rostlin na stresy biotické - viry viry – intracelulární paraziti v hostiteli se virus šíří symplastem změny SEL (Size Exclusion Limit) – průchodnost plazmodezmů Kalózový „limec“ pravděpodobně reguluje SEL plazmodezmů

kalóza

virus tabákové mozaiky dokáže zvětšit SEL až 10x pohyb floémem až 1cm/h

Symplastická konektivita je dynamická, regulovaná!

kalóza

Plasmodesmy vznikají při buněčném dělení i de novo a mohou být regulovaně uzavřena.

52

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy biotické - bakterie jednobuněčné prokaryotické heterotrofní (asi 200 druhů) většinou tyčinkovité Gram-negativní rody (Pseudomonas, Xanthomonas, Erwinia, Agrobacterium) žijí v intercelulárách a v apoplastu (včetně xylému) vylučují pektinázy a toxiny pektinázy narušují buněčnou stěnu hostitele a tvoří dutiny, které vyplňují vlastními polysacharidy, v nichž žijí bakteriální kolonie  neprůchodnost transportních cest

Xanthomonas campestris

Reakce rostlin na stresy biotické - bakterie

TRANSFORMACE A GENOVÉ MANIPULACE U ROSTLIN Hlavní nástroj genetické transformace rostlin je derivátem biotické interakce mezi rostlinami a Agrobakteriemi. Tumor indukovaný A. tumefaciens

vlasové kořeny indukované A. rhizogenes

http://courses.washington.edu/z490/gmo/natural.html

53

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy biotické - bakterie Genové manipulace u rostlin pomocí Agrobacterium tumefaciens

A. tumefaciens: široké využití pro genetické transformace rostlin Obsahuje T-DNA (bakteriální plazmid) Při přenosu T-DNA mohou být geny integrovány do rostlinného genomu

Tumor induced by A. tumefaciens

http://courses.washington.edu/z490/gmo/natural.html

Reakce rostlin na stresy biotické - bakterie Agrobacterium tumaefaciens – vztahy s hostitelem genofor Agrobacterium - bakteriální chromozom + Ti plazmid

V – oblast virulence kóduje endonukleázu a proteiny potřebné pro přenos T-DNA a její integraci do genomu hostitelské buňky T-DNA nese geny pro auxiny, cytokininy, opiny

systém je využíván k transformaci rostlinných buněk cizími geny

54

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy biotické - houby fytopategenní houby

většinou saprofyti

rzi a padlí (obligátní paraziti)

Phytophtora, Peronospora, Rhizopus, Mucor, Taphrina kombinují enzymatický rozklad kutikuly a buněčné stěny s mechanickým tlakem rostoucí hyfy biotrofní – žijí v mezibuněčných prostorech nebo pronikají buněčnou stěnou a kontaktují plazmalemu nekrotrofní – vylučují toxiny a buňky hostitele zabijí

Reakce rostlin na stresy biotické - houby Způsoby penetrace  chemická (enzymatická) přímá = přes buněčnou stěnu Magnaporthe

 mechanická nepřímá - poranění - přirozené otvory: stomata, lenticely, hydatody, nektária

Bremia

Uromyces viciae-fabae

55

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy biotické - houby po kontaktu parazitické nebo patogenní houby s rostlinou se odehrává kaskáda jevů

depozice spor

proces rozpoznání (recognition)

klíčení tvorba primárních a sekundárních inf. struktur penetrace kolonizace infikovaných rostlinných pletiv specifické reakce na dané infekční agens

Reakce rostlin na stresy biotické - houby Biotrofní patogeni

 specializace na určitý rostlinný druh  buňka jako zdroj potravy – vytvoření haustoria a invaginace plazmatické membrány

56

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy biotické - houby interakce houby a napadené rostlinné buňky

Reakce rostlin na stresy biotické – hlístice, herbivoři nematoda = hlístice háďátka – juvenilní pohyblivá stadia napadají kořeny vstupují do vodivých pletiv  nepohyblivé sající formy působí neprůchodnost kořenů

herbivorní živočichové fyzická interakce je volnější – sání, okus ztráty asimilátů rány – vstupní brány pategenů mechanické bariéry látky toxické nestravitelné odporné lákající predátory

57

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy biotické - obrana proti patogenům

přirozená ochrana – krycí pletiva přirozené metabolity – fytoncidy, inhibitiny pro pategeny toxické přítomné stále nebo jako prekurzory rozeznání elicitoru E receptorem R  aktivace obranných reakcí obrana směřuje k posílení mechanických bariér vytvoření podmínek pro patogena nepříznivých poškození patogena obrana je komplexní a zahrnuje i regulační mechanizmy lignin, kalóza ROS – superoxid a peroxid vodíku – jsou toxické pro patogena schopny překonat membránu a vnést signál pro syntézu detoxikačních enzymů (např. glutathion-S-transferáz) NO – inhibuje katalázu a odbourávání H2O2 hypersenzitivní reakce (HR) – programovaná buněčná smrt

Reakce rostlin na stresy biotické - obrana proti patogenům Elicitory ...obecně látky, které prozradí přítomnost patogena - látky pocházející z b.s. nebo membrány patogena - látky vznikající štěpením rostlinné b.s. enzymatickým aparátem patogena peptidy oligosacharidy, arachidinová kyselina, glykoproteiny z buněčné stěny obalové proteiny virů,

elicitory mají funkci ligandu - vazba s receptorem – signální kaskáda vedoucí ke spuštění obranné reakce

58

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy biotické - obrana proti patogenům fytoalexiny

HO

pro patogena toxické nízkomolekulární látky HO - jsou indukované (reakce na napadení) – syntetizují se v buňkách sousedících s napadenými transportují se do napadených (asi 300 látek; lipopfilní terpeny, např. rishitin – u bramboru)

defenziny malé peptidy – konstitutivní i indukovatelné, vylučované do buněčné stěny, poškozují membrány patogena

rostlinné aktivátory látky, které indukují obrannou odpověď rostliny (k. salycilová, jasmonová a další) i látky které zprostředkovávají nepřímou obranu proti herbivorům nalákáním predátora

obranná reakce se projeví na úrovni celého organizmu – SAR (systemic acquired resistance) signální látky: kyselina salicylová – hlavně při napadení patogeny (mirkoorganismy) kyselina jasmonová – při napadení herbivorem etylén

Reakce rostlin na stresy biotické - obrana proti patogenům sekundární metabolity: Fenolické látky

- obecně inhibitory enzymů - jejich tvorba v rostlině indukována poraněním, infekcí - přítomny u rezistentních i náchylných genotypů, liší se kvalitativně a kvantitativně - antibiotické účinky Autofluorescence fenolů v infikované buňce

- strukturní polymery - zesílení buněčné stěny v místě penetrace - způsobují nevratné poškození membrány - autofluorescentní fenoly - de novo syntéza během hypersenzitivní reakce

59

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy biotické - obrana proti patogenům sekundární metabolity: glukosinoláty obsahují N a glukózu vázanou na atom neredukované S přítomné u čeledi Brassicaceae

Reakce rostlin na stresy biotické - obrana proti patogenům obraha proti hmyzu: myrozinázovo-glukosinolátový systém

60

5/13/2013


Glykoalkaloidy


„přímo mířená“ obrana proti patogenům / herbivorům: sekundární metabolity, které přímo účinkují na „škodící“ organismus = inhibitory proteináz, fytoalexiny

nepřímá obrana pomocí „aktivátorů“ - mnohdy těkavých sekundárních metabolitů - působí jako atraktanty pro predátora herbivorů

61

5/13/2013


Reakce rostlin na stresy biotické - obrana proti patogenům Hypersensitivní reakce rychlá aktivace obranných mechanismů spojená se smrtí hostitele aktivní proces – vyžaduje transkripci a translaci dysfunkce membrán - depolarizace, K+ eflux, - alkalinizace externího média - SA- kyseliny salicylová - ovlivňuje v redox stav v buňce

62

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy biotické - obrana proti patogenům Hypersensitivní reakce má rysy PCD • •

fragmentace DNA na oligonukleosomální fragmenty ( 50 – 180kb) endonukleázami fragmentace jádra - apoptosis-like bodies


příklad: Systemická odpověď na napadení u Solanaceae Signální dráha zahrnuje 4 kroky:

1. Poraněné listy produkují peptid systemin (18 AMK) 2. Systemin je tranportován floémem rostlinou 3. Buňky s receptory pro systemin produkují kyselinu jasmonovou (JA) 4. Kys. jasmonová aktivuje expresi genů pro inhibitory proteináz Inhibitory proteináz: malé obranné proteiny interferující s trávicími procesy herbivorů inhibují proteinázy v trávicím traktu herbivorů = činí potravu nestravitelnou způsobují nedostatek hlavně esenciálních AMK

63

5/13/2013


příklad: Systemická odpověď na napadení u Solanaceae

127


128

64

5/13/2013

Reakce rostlin na stresy biotické - obrana proti patogenům Aktivní formy kyslíku v obraně rostlin singletový kyslík (1O2), superoxid (O˙- 2), peroxid vodíku (H2O2), hydroxylový radikál (OH-) místa vzniku: chloroplasty, mitochondrie, membrány peroxisomů, glyoxysomů

 účinky - negativní: peroxidace lipidů, poškození struktury proteinů (enzymů), nukleových kyselin, lipidů - pozitivní: signalizace, genová regulace

Metabolismus rostlin

primární asimilace CO2

sekundární Vše ostatní

syntéza sacharidů proteiny, lipidy

Převzato: Dr. Mašková

65

5/13/2013

Sekundární metabolismus Definice – vše co není primární, není u všech druhů

Odpad metabolismu? NE!!!

Význam pro rostlinu – ochrana - atraktans - komunikační prostředek pro člověka – léčiva, jedy, aromatické látky, průmyslově využitelné materiály

Hlavní skupiny 1. Terpeny 2. Fenolické látky 3. Dusíkaté deriváty Převzato: Dr. Mašková

Hlavní skupiny 1. Terpeny 2. Fenolické látky 3. Dusíkaté deriváty

primární

sekundární


66

5/13/2013

Terpeny Základní jednotka – isopren (C5) syntéza

biosyntéza– z AcetylCo A - mevalonátová dráha

Klasifikace: Monoterpeny (C10) Seskviterpeny (C15) Diterpeny (C20) Triterpeny (C30) Tetraterpeny (C40) Polyterpeny (C40)

toxické - insekticidy těkavé látky- silice; využití -esenciální oleje, repelent proti hmyzu, parfémy, potravinářství

ochrana proti herbivorům, insekticid, využití - léčivo Kardenolidy – digitalin, digoxin

Saponiny (ochrana proti herbivorům); ginsenosidy


Taiz a Zeiger 2006

Terpeny Fytohormony

Brasinosteroidy – deriváty triterpenů

Gibereliny – diterpeny

Kyselina abscisová (ABA) –derivát karotenoidů

Taiz a Zeiger 2006 Taiz a Zeiger 2006

Karotenoidy

Steroly deriváty triterpenů

Fytol

Kaučuk hydroxyderivát polyterpenu

campesterol

Taiz a Zeiger 2006

Taiz a Zeiger 2006


67

5/13/2013

Fenolické látky  OH skupina na funkčním aromatickém kruhu

Biosyntéza: z fenylalaninu = šikimátová cesta klíčový enzym - fenylalaninamoniaklyáza (PAL)

PAL


Fenolické látky  OH skupina na funkčním aromatickém kruhu

PAL

Biosyntéza:z fenylalaninu = šikimátová cesta

klíčový enzym - fenylalaninamoniaklyáza (PAL) Jednoduché fenoly

Taiz a Zeiger 2006

alelopatie, toxické pro herbivory a houbové patogeny, využití – léčivo, koření

fenylpropanoidy (kys. skořicová)

deriváty kys. benzoové (vanilin, kys. salicylová)

kumariny (umbeliferon, eskuletin, dafnetin, skopoletin)

Lignin

3. nejhojnější org. sloučenina (3D větvený polymer fenylpropanoidů = ochrana a opora – nestravitelné, mechanická bariéra


68

5/13/2013

Fenolické látky

Antokyany

Flavonoidy barevné sloučeniny - vizuální atraktans

Klíčový enzym - chalkonsyntáza pH

2 aromatická jádra s 3C můstkem, někdy glykosidy Klasifikace: • podle stupně oxidace • podle substituentů

pH vakuoly

pelargonidin

UV světlo

peonidin

violatin delfinidin

Flavony a flavonoly barviva - absorpce v UV oblasti (flavon(ol), luteolin, kvercetin, primetin,rutin)

Význam: „nectar guides“ pro opylovače, ochrana před UV, symbióza – hlízkové bakterie, mykorhiza Taiz a Zeiger 2006

flavonoly

flavony

Izoflavonoidy – 3D struktura Význam: fytoalexiny, antiestrogeny

Význam: ochrana, využití třísloviny v potravinách


Alkaloidy

Taniny polymery fenylpropanoidů nebo kys. galové


Dusíkaté sloučeniny

Až 15 tisíc sloučenin u 20% vyšších rostlin Heterocyklické sloučeniny – N v aromat. jádře Biosyntéza: z AMK (lyzin, tyrozin, tryptofan, příp. ornitin) Význam: ochrana před predátory

Význam pro člověka: Jedy: strychnin, atropin, koniin, akonitin, solanin Léčiva: morfin, kodein, skopolamin, chinin Stimulans a sedativa: kokain, nikotin (derivát NAD), kofein kávovník

chinovník

tabák

kokainovník

oměj rulík

brambor mák


69

5/13/2013

Alkaloidy

Jedy: strychnin, atropin, koniin Léčiva: morfin, kodein, skopolamin Stimulans a sedativa: kokain, nikotin (derivát NAD), kofein


Kyanogenní glykosidy po zásahu herbivora produkce HCN (čirok, maniok, trávy, růžovité, bobovité)

Taiz a Zeiger 2006

Význam: ochrana před herbivory

bez černý - sambunigrin

mandloň - amygdalin

Hořčičné glykosidy charakteristická vůně a chuť, produkce HSCN po napadení herbivorem (Brassicaceae)

Význam:ochrana před herbivory

Taiz a Zeiger 2006

těkavé atraktans Převzato: Dr. Mašková

70

5/13/2013

Základní strategie zvyšování odolnosti kulturních rostlin vůči stresům - regulovat výskyt stresorů, zejména civilizačních (těžké kovy, skleníkové plyny, radiace, okyselování půdy) omezit jejich produkci, dekontaminovat půdu, vodu - dodávat rostlinám účinné a zdravotně nezávadné ochranné faktory (herbicidy, fungicidy, virostatika, insekticidy) -vytvářet rostliny s resistencí či tolerancí prostřednictvím klasického šlechtění nebo metodami moderních biotechnologií

71

5/13/2013

Zajímá-li Vás více: MB130P65 Xenobiochemie rostlin - Podlipná Radka Soudek Petr MB130P23 Rostliny a stres – MB130P21

Fotomorfogeneze

Konrádová Hana

MB130P44

Fytopatologie – Čeřovská, Burketová

MB130P34

Biologie rostlinné buňky

MB130P58

Svět RNA a bílkovin – Honys David

Žárský V.

Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF,

Poděkování - zdroje z PP prezentací: MC250P05N Úvod do biologie rostlin Doc. Fatima Cvrčková, Dr. Mašková, MB130P23 Rostliny a stres - Dr. Sylva Zelenková, RNDr. Ilja Prášil, CSc., VÚRV Ruzyně Fyziologie rostlin: Doc. L. Pavlová, Dr. Lhotáková, Dr. Žárský, Dr. Kulich Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK

72

Sekundární metabolismus u rostlin

Recommend Documents