Rostliny ve stresu a v boji proti němu

Rostliny ve stresu a v boji proti němu

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

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

pro přežití na stanovišti jsou rozhodující podmínky extrémní nutí rostlinu aktivovat obranné reakce stres rostliny

= stav vyvolaný stresovým faktorem, tj. stresorem = odchylka od optimálních podmínek

působení stresoru vyvolává stresovou reakci

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)

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

rezistence / tolerance stresových podmínek = různé projevy fenotypové plasticity

Stresová odpověď & genová exprese stres = odchylka od optimálních podmínek

přisedlý způsob života ! přizpůsobení se podmínkám prostředí:

1) avoidance: přizpůsobení životního cyklu (období klidu – vyhnutí se stresu) 2) rezistence: schopnost nepříznivé podmínky do určité míry tolerovat

Fig. 22.2, Buchanan et al.

Faktory prostředí způsobující stres - stresory Přírodní stresory : • silná ozářenost (fotoinhibice, fotooxidace) • vysoká nebo nízká teplota • nedostatek či nadbytek vody a minerálních živin • 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)

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

Změna genové exprese při odpovědi na stres

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

Reakce rostlin na stresy abiotické - ozářenost rostliny – fotoautotrofní přisedlé organizmy fotomorfogeneze x skotomorfogeneze 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)

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

4. Mohou nám „trvalé“ anatomické parametry prozradit něco o rychlých reakcích na změnu prostředí? HIGH LIGHT

LOW LIGHT

avoidance response

accumulation response

Visible patterns caused by light-dependent chloroplast arrangements in an Arabidopsis leaf pale green areas = chloroplasts in the high-light arrangement; darker green areas = chloroplasts in the low-light arrangement Chlorophyll fluorescence microscopy images show chloroplasts in the high-light position (left image) and chloroplasts in the low-light position (right image) in palisade mesophyll cells.

Davis et al 2011, Plant, Cell and Environment (2011) 34, 2047–2059

Reakce rostlin na stresy abiotické - ozářenost

Kasahara et al., Nature 420, 829-832, 2002

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

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

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 (Ψ Ψp – Y) rychlost expanze buňky závisí na:

Ψp

Y m

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

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

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%

Reakce rostlin na stresy abiotické - voda

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

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

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).

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

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: Persea americana

III: Lycopersicon esculentum IB: Beta vulgaris

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

solné žlázy tamaryšek (Tamarx aphylla)

Distichlis spicata

vylučování solí na povrch listu bez speciálních struktur

solné trichomy Lebeda (Ariplex)

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

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

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

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 H2S - toxický pro dýchání redukce SO4-2 Raven P.H., Everet R.F., Eichhorn S.E.: Biology of Plants. – W.H.Freeman and company Worth Publishers, New York 2003

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

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

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

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

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

semenáčky soji.

40oC 45oC

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

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 p řirozených podmínkách nevyužívají mechanismu podchlazení ale postupné dehydratace

Dehydratace buňky způsobená tvorbou extracelulárních krystalů ledu

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

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

Reakce rostlin na stresy abiotické – oxidativní stres Oxidativní stres: vznik ROS při fotoinhibici

Xanthofylový cyklus karotenů primárně chrání před ROS.

singletový kyslík

superoxidový radikál

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

Reakce rostlin na stresy abiotické – oxidativní stres antioxidativní obranné systémy – enzymatické (SOD, peroxidázy, kataláza)

SOD - superoxid dismutáza

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 (v chloroplastech, cytosolu, apoplastu)

• flavonoidy

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

Reakce rostlin na stresy biotické – stragetie patogenů Životní strategie patogenů Biotrofní - napadají živé buňky - invaginace plazmatické membrány - rovnováha s hostitelem - speciální forma parazitismu

Exobasidium vaccinii plíška brusinková

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

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

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

kalóza

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

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

vlasové kořeny indukované A. rhizogenes

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

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


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


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

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

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

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

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

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

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


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

Přímá a nepřímá obrana u lesních dřevin - PREZENTACE


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

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


příklad: Systemická odpověď na napadení u Solanaceae

91


92

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

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-)

HOSTITEL přímé antimikrobiální účinky signální molekula v regulaci aktivity genů zodpovědných za syntézu - PR-proteinů - fenolických látek - fytoalexinů zesíťování prekurzorů polyfenolických látek – lignifikace buněčné stěny hypersenzitivní reakce PATOGEN signalizace – rozpoznání v inkompatibilních interakcích penetrace, štěpení komponent buněčné stěny, membrán

Reakce rostlin na stresy biotické - konkurující rostliny alelopatie chemicky zprostředkovaný souboj rostlin o živiny allelopatické látky - sekundární látky (látky fenolické, terpeny, taniny, flavonoidy) šíření alelopatik do okolí - inhibují klíčení nebo růst kořenů apod.

allelopathie je častá mezi stromy a keři (ořešák - juglon ), ale také mezi pouštními rostlinami, kde je málo vláhy a živin; existuje ve všech klimatických pásech

Juglon ve stromu vázán ve formě netoxického glykosidu detekovatelný ještě v hloubce 8 m a vzdálenosti až 27 m od kmene zabraňuje klíčení semen jiných rostlin (100 % inhibice u semen salátu při dávce 0,002 %) některé rostliny jsou schopny allelopathické toxiny tolerovat

Reakce rostlin na stresy biotické - konkurující rostliny alelopatie

pelyněk pravý (Artemisia absintium) potlačuje svými výměšky listů např. kmín a fenykl

•pásy křovitých porostů jižní Kalifornie •dominuje šalvěj (Salvia) a pelyněk (Artemisia) •trnité nízké polokeře, kolem nichž jsou holé pruhy půdy bez porostu letniček i přes příznivé klima •allelopathické látky - terpeny

O O 1,8-cineol

kafr

Salvia mellifera a Artemisia californica

periodický přírodní cyklus: • pravidelně opakované požáry (interval 25 let) • po požárech 2 roky dominují jednoleté byliny • za 3-4 roky se rozrůstají trnité keře • za 5-7 let keře dominují, kontaminují půdu terpeny a zničí okolní porost

Role alelopatie v zemědělství - PREZENTACE

Reakce rostlin na stresy biotické - konkurující rostliny parazitizmus úplný (Lathrea squamaria, Orobanche, Cuscuta) poloparazitizmus (Euphrasia, Melampyrum, Pedicularis, Viscum, Loranthus) - navázání kontaktu s hostitelem – signalizace přes sekundární metabolity (kokotice) haustoria redukované dělohy

záraza

kokotice

podbílek šupinatý

světlík černýš

Reakce rostlin na stresy biotické - konkurující rostliny

haustoria kokotice (Cuscuta epithymum) parazitující na jetelu (Trifolium pratense)

☺ děkuju za pozornost Pazourek J., Votrubová O.: Atlas of Plant Anatomy. – Peres Publ., Prague, 1997. Upraveno.

Rostliny ve stresu a v boji proti němu

Recommend Documents