Materiály k přednáškám Základy fytopatologie Verze LS 2011/12, předmět BOT/ZFP Katedra botaniky Přírodovědecká fakulta UP v Olomouci byly inovovány v rámci projektu: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelství biologie CZ.1.07/2.2.00/15.0316
FYTOPATOLOGIE Sylabus 5. přednášky: - reakce rostliny na infekční agens - imunita, rezistence (obranné mechanismy), pseudorezistence, náchylnost, tolerance, citlivost, hypersensitivita - metabolické pochody rostlin vyúsťující v náchylnost, rezistenci a toleranci - příčiny změn v náchylnosti a rezistenci - polní rezistence
© 2012 A. Lebeda, M. Sedlářová
Reakce hostitele vyvolané infekcí patogenu je možno studovat hierarchicky na řadě úrovní biologické organizace: Organismus Orgán Pletivo Buňka Fyziologické procesy Molekulární struktura Všechny tyto úrovně se více či méně podílejí na výsledném projevu interakce, přičemž jedna úroveň projevu velmi úzce souvisí s další, vzájemně na sebe navazují a podmiňují se.
Typy reakce rostlin po ataku různými patogeny
Časová posloupnost aktivace obranných mechanismů hostitele
Vlivy patogenu resp. infekce na buňku stimulativní
degenerativní
(obligátní biotrofní parazité – v počátečních fázích vývoje: podpora růstu, zvýšení počtu organel)
(nekrotrofní a v pozdních fázích obligátní parazité: narušení organel, membrán)
„green islands“- typické před. pro biotrofní bakterie, viry (nerovnováha kinetinu)
Persea americana Oncobasidium theobromae
Lycopersicon esculentum Phytophthora infestans Fagus
Vlivy biotrofních patogenů na buňku nárůst počtu mitochondrií a ribozómů
nutné zvýšení syntézy proteinů, intenzivnější respirace
respirace + oxidační procesy + degradace látek = uvolnění chemické energie na pokrytí biosyntéz
Životaschopnost rostlinné buňky závisí na - fungující vakuole - intaktním vezikulárním transportu
Obranné mechanismy rostlin - strukturní (pasivní) fyzikální bariéry proti průniku patogenu preformované: BS, vosky, kutikula - kutinasy, celulasy indukované: lignifikace, suberinizace, depozice kalosy - biochemická (aktivní) produkce látek toxických pro patogen sekundární metabolity (specifické podle rostliny a patogenu): alkaloidy, saponiny, antokyany fenoly, taniny, melaniny aromatické AK proteiny extenziny (bohaté na hydroxyprolin) PR-proteiny (glukanasy, chitinasy, peroxidasy)
Indukovaná strukturní obrana
Kalózové usazeniny v buněčné stěně
Papila Pochva
Korková vrstva
Gloeosporium album
Zóna abscise
Pucciniastrum areolatum - Padus
Alternaria brassicicola
Tvorba thyl - vakovité výrůstky parenchymatických b. obklopujících cévu - vnikají dvojtečkami do lumenu cévy, který úplně nebo částečně vyplní, čímž vyřazují cévu z její vodivé funkce Výskyt: tracheomykózy (např. grafióza jilmů)
Interakce hostitelská buňka patogen
Biochemická obrana
Hypersenzitivní reakce - sled kroků vedoucích ke spuštění HR po kontaktu elicitoru s receptorem
Mechanismus spuštění obranné reakce 1. Elicitor - vyvolá nastartování obrany exogenní elicitory - metabolity vylučované patogenem (polysacharidy, specifické enzymy, peptidy) endogenní elicitory - uvolňují se narušením b.s. patogenu (oligomery chitinu, oligoglukany, glykoproteiny) rostliny (oligogalakturonany)
2. Receptor – v plazmatické membráně 3. Přenašeče signálu (druzí poslové) fosfoinozitidový systém (hydrolýzou lipidů vznik inozitol-1,4,5-triP diacyl glycerol +zvýšená koncentrace Ca2+ = aktivace proteinkinas) tvorba peroxidu vodíku +ROS vyvolaná elicitory – fosfoinoz. systém - peroxidace membrán – JA+MeJA - transkripce etylén – iniciace genové exprese
Elicitory a supresory v rezistentní odpovědi
Aktivace rostlinné obrany Lokální v místě napadení - produkce reaktivních forem kyslíku (ROS) - oxidu dusného (NO) - hypersenzitivní reakce (HR) - akumulace fenolických látek - zesílení buněčné stěny
Lokální reakce pletiva - syntéza PR-proteinů - akumulace fytohormonů (SA, ET, JA…) - zesílení buněčné stěny
Systémová odpověď - v neinfikovaných částech (systemic acquired resistance, SAR)
Systémová odpověď
Princip SAR
Induktory SAR
Využití pro vyvolání rezistence k: virům – TMV houbám a h. vaječným – Phytophthora tabacina bakteriím – Pseudomonas syringae
hrp bakterie str.229
Aktivní formy kyslíku (ROS) singletový kyslík (1O2) superoxid (O˙- 2) peroxid vodíku (H2O2) hydroxylový radikál (OH-) Místa vzniku: chloroplasty, mitochondrie, membrány peroxisomů, glyoxysomů, mikrozomů (fotosyntéza, respirace, glykolátoxidasa-fotorespirace, NADPH oxidasa-PM, oxalátoxidasa,…) Účinky - negativní: peroxidace lipidů, poškození struktury proteinů (enzymů), NK, lipidů - pozitivní: signalizace, genová regulace
jádro
mitochondrie
Genová exprese signál
Elektronový transport
chloroplast Mehlerova reakce
H2O2 peroxisom
NADPH oxidasa
Glyoxalátoxidasa
H2O2
O2
peroxiporiny .O -
2
SOD
apoplast Aminoxidasa
H2O2 Peroxidasa b. stěny
Aktivní formy kyslíku HOSTITEL • Přímé antimikrobiální účinky • Signální molekula v regulaci aktivity genů zodpovědných za syntézu - PR-proteinů - fenolických látek - fytoalexinů • Zesíťování prekurzorů polyfenolických látek – lignifikace BS • HR
PATOGEN • Signalizace – rozpoznání v inkompatibilních interakcích? • Penetrace? štěpení komponent buněčné stěny, membrán
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 - obrana proti UV Autofluorescence fenolů v infikované buňce
- strukturní polymery - zesílení buněčné stěny, lignituber v místě penetrace - irreversible membrane damage (IMD) - autofluorescentní fenoly - de novo syntéza během HR
Fenolické látky - lokalizace místo penetrace
periplazmatický prostor
invaginovaná plazmalema
Cytoskelet hostitele vazba na transmembránové receptory, mikrofibrily celulozy BS rostlin - rozpoznání patogenu rychlá reorganizace ovlivňuje proces penetrace (shlukování MFs pod místem penetrace, ukládání kalózy u nepatogenů – mech. zpevnění) a dalšího vývoje patogenu v buňkách po infekci (invaginace membrány) v rezistentních rostlinách se mikrofilamenta a kortikální mikrotubuly shlukují kolem vyvíjejících se apresorií a přispívají tak k inhibici penetrace patogenu mikrofilamenta se účastní migrace hostitelského jádra a organel i depozice strukturních sloučenin (fenolů, kalózy, ligninu aj.) a tímto způsobem mění a zesilují buněčnou stěnu lokalizovaná programovaná buněčná smrt - depolymerace cytoskeletu - omezení vývoje patogenu – i elicitory HR (cryptogein apod.) rezistentní buňky - syntéza různě post-translačně modifikovaných tubulinů, izoforem, asociací s dalšími proteiny
Cytoskelet MT basket
24hai L. sativa UCDM2
L. serriola LSE/18
MT patches
48hai L. serriola PIVT 1309
HR
48hai L. sativa Mariska
PR-proteiny (pathogenesis-related proteins) - rozpustné při nízkém pH - nízká Fw - nízký nebo vysoký pI - rezistence k proteasám - extracelulární lokalizace Rozdělení podle velikosti a funkce: • chitinasa, b-1-3-glukanasa (hydrolýza b. stěny patogenu, produkce dalších elicitorů) • peroxidasy • proteiny inaktivující ribosomy - fungicidní účinek • tioniny - tvoří póry v membránách patogenů • proteiny přenášející lipidy
Strategie patogenů - souhrn •
Rychlý růst – únik obranným mechanismům
•
Tvorba supresorů – potlačují HR, produkci PR-proteinů, atd.
•
Produkce enzymů
•
Buněčné jedy – př. fusikokcin u Fusicoccum amygdalii (hyperpolarizace buněčných membrán)
Transgenní rostliny – zvýšení obranyschopnosti vůči houbovým patogenům
Punja (2001) Can. J. Plant Pathol. 23:216-235
Strategie pro zvýšení rezistence k chorobám Gurr a Rushton (2005)
Molekulární mechanismy rezistence 1/ Přirozená rezistence: • struktura buněčné stěny nebo membrány • existence transportního proteinu pro vylučování dané látky • absence inhibované metabolické dráhy • přítomnost enzymů, které danou látku metabolizují • struktura cílového místa, kde daná látka působí • exprese specifických stresových proteinů • vysoká kapacita opravných mechanismů 2/ Rezistence získaná - mechanismus se vyvinul v rámci evoluce na pozadí selekčního tlaku dané toxické látky. Individuální rezistenční mechanismy lze shrnout do následujících typů: • redukce přenosu léku • snížení uptake léku • zvýšení vylučování léku • snížení metabolické aktivace léku • zvýšení deaktivace léku • sekvestrace léku znemožňující zasažení cílového místa • zvýšení intracelulární koncentrace cílových míst • strukturální změna cílového místa • duplikace funkcí cílového místa • zvýšení oprav poškozených cílových míst
