W y k ł a d 5

Objawy chorób wirusowych

Istnieje możliwość bezobjawowego przebiegu choroby.

Z reguły jednak objawy porażenia pojawiają się, ale tylko na krótko tuż po zakażeniu, potem zanikają.

Objawy mogą pojawiać się w późniejszym czasie (lub kolejnymi sezonami wegetacyjnymi), pod wpływem czynników zewnętrznych, np. istotna zmiana temperatury, cięcie drzew (zmiana stężenia giberelin), nawożenie azotem.

Zakażona roślina nawet, gdy nie wykazuj objawów choroby jest źródłem zakażenia dla innych roślin.

Przykładowe choroby: korkowatość korzeni pomidora, wirus mozaiki pomidora, zgnilizna pierścieniowa.

Choroby wirusowe drzew

Najczęściej występujące choroby wirusowe drzew w Polsce to:

• mozaika jabłoni;

• pierścieniowa plamistość jabłek;

• szorstkość skórki jabłek;

• gwiaździste spękanie skórki jabłek;

• chloro tyczna plamistość liści jabłoni;;

• chloro tyczna plamistość pierścieniowa czereśni;

• mozaika liści klonu jesionolistnego;

• pstrokatość zakaźna kasztanowca;

• mozaika topoli;

• pstrokatość liści topoli;

• pstrokatość liści szakłaku;

• mozaika bzu;

• pstrokatość zakaźna jarzębiny;

• zdrobnienie liści lipy;

• mozaika wiązu.

Do drzew najczęściej porażanych przez wirusy zaliczamy: sosna, świerk, wierzba, buk, brzoza, dąb, wiąz.

Wirus PPV

Ospowatość śliw (określana z j. bułgarskiego szarką) jest jedną z najgroźniejszych chorób wirusowych drzew owocowych
w Polsce.

Chorobę tę wywołuje wirus Plum Pox Virus (PPV).

Szkodliwość choroby wynika z:

• zasięgu jej występowania;

• szybkości rozprzestrzeniania się;

• łatwości przenoszenia się z rośliny na roślinę;

• objawów, jakie głównie występują na owocach (straty ekonomiczne, w porażonych sadach, spadek plonów wynosi średnio 50%).

Wirus PPV poraża śliwy: morelę, brzoskwinie i ałyczkę (najczęściej stosowana podkładka do szczepienia drzew pestkowych).

Choroba pochodzi z regionu Bałkańskiego, gdzie pierwszy raz zaobserwowano ją w latach 30. XX w.

W Polsce pojawiła się 20 lat później na Podkarpaciu, co było związane z dużymi uprawami śliw na tym terenie, tradycyjnym rozmnażaniem drzew przez odrosty (wirus nie przenosi się przez nasiona) i cieplejszym klimatem w stosunku do regionów północnych. Obecnie występuje na obszarze całego kraju.

Wczesne objawy choroby występują na liściach. W okresie tuż po kwitnieniu (połowa czerwca), na liściach pojawiają się plamy chlorotyczne o różnych kształtach i różnych rozmiarach (najczęściej pierścienie i drobne nieregularne cętki lub paski wzdłuż bocznych nerwów). Plamy chlorotyczne powiększając się mają charakter zlewny i często obejmują w końcowej fazie całą blaszkę liściową (charakterystyczne bielenie drzewa).

Objawy na owocach pojawiają się późno, ok. 3 tygodnia, przed zbiorem. Na owocach pojawiają się fioletowo-czerwone plamy lub pierścienie. W miarę dojrzewania owoców plamy ciemnieją i zapadają się w głąb tkanki miękiszowej (powierzchnia owoców staje się ospowata - stąd nazwa choroby).

Miękisz staje się gąbczasty i zawiera liczne skupiska martwych komórek. Owoce z chorych drzew opadają.
Są zdeformowane i zawierają niskie stężenie cukrów, a wysokie kwasów organicznych - są niesmaczne i nie nadające się do przetworzenia.

Porażone drzewa tracą mrozoodporność.
Wirus PPV najczęściej jest przenoszony mechanicznie przez człowieka ( zabiegi agrotechniczne) lub przez mszyce. Ostatnio stwierdzono, że źródłem pierwotnym wirusa mogą być porażone rośliny zielne, takie jak: złocień, koniczyna, tytoń, komosa.

WIROIDY

• to jedne z najmniejszych czynników zakaźnych roślin;

• w odróżnieniu od wirusów nie mają kapsydu;

• są samo replikującymi się w komórce roślinnej formami jednoniciowego kwasu RNA;

• zakażają tylko rośliny wyższe ( jedno- i dwuliścienne) i wywołują objawy chorobowe zbliżone do objawów wiroz.

Choroby powodowane przez wiroidy z dużym nasileniem występują na obszarach tropikalnych.

W naszej strefie klimatycznej wywołują choroby u roślin uprawnych, takich jak: chmiel, ziemniak, ogórek, jabłoń, śliwa.

Systematyka wiroidów

Wiroidy zostały włączone do systematyki wirusów i tworzą dwie podrodziny:

2. Pospiviroidae;

3. Avsunviroidae.

Do chwili obecnej poznano ok. 20 chorób wywoływanych przez wiroidy. Cechą charakterystyczną chorób wywoływanych przez wiroidy jest to, że jeden gatunek rośliny może być porażony przez kilka typów wiroidów, np. chmiel przez 3.

Wiroidy są termofilne, najlepiej namnażają się w temperaturze powyżej 25°C (ok. 30°C).
Istnieją wyjątki - wiroid bliznowatości skórki jabłek namnaża się w 18°C.

Wiroidy wykazują bardzo dużą stabilność termiczną.

Na namnażanie się wiroidów wpływa intensywność i jakość światła. Wiroidy lepiej namnażają się w warunkach intensywnej fotosyntezy (komórka roślinna jest lepiej zaopatrzona w odpowiednią ilość związków i energii).

Budowa wiroidów

Wiroidy są zbudowane z kwasu RNA. Jednoniciowy RNA wiroidu (ssRNA) przyjmuje strukturę kolistą dzięki kowalencyjnemu związaniu końców nici kwasu.

Struktura to w wyniku sparowania dużej liczby nukleotydów przyjmuje formę pozornie dwuniciowego RNA z pętlami zawierającymi niesparowane nukleotydy (struktura spinki do włosów).

Możliwa jest też struktura główki młotka (wiroid utajonej mozaiki brzoskwini).

Te struktury wykazują właściwości biokatalityczne i stąd nazywane są rybozymami.

Obydwie struktury wiroidowego RNA „spinki do włosów” (hairpin) i struktury „młotkowej” (hammerhead) przypominają strukturę rybosomalnych RNA.

Kwas nukleinowy

• najkrótszego ze znanych wiroidów - wiroid żółtej plamistości awokado (ASBVd) składa się z 246-247 nukleotydów;

• najdłuższy - wśród chloro tycznej plamistości chryzantem (CChMVd) ma 399-401 nukleotydów.

Masa cząsteczkowa wiroidów jest rzędu 100-125 tys. D. przeciętne RNA wiroidów jest 10 razy krótszy od najkrótszych kwasów nukleinowych wirusów satelitarnych i ok. 20 razy krótszy od kwasu RNA wirusa mozaiki tytoniu.

Taka długość cząsteczki RNA pozwala na zakodowanie peptydu zawierającego najwyżej 50 aminokwasów (prawdopodobnie z tego powodu wiroidy nie mają kapsydu i nie są w stanie w oparciu o własny genom syntetyzować polimerazy (replikazy)).

Brak tego enzymu uniemożliwia namnożenie się wiroidów w komórkach roślinnych w taki sam sposób jak ma to miejsce
w przypadku wirusów.

Cechy odróżniające wiroidy od wirusów:

1. nie tworzą kapsydu;

2. nie powodują w komórkach roślinnych syntezy białek specyficznych dla wiroidów.

Wirusy są pasożytami systemu translacyjnego, natomiast wiroidy są pasożytami systemu transkrypcyjnego.

U wiroidów o strukturze spinki do włosów Pospiviroidae wyróżnia się 5 fragmentów (domen) odpowiedzialnych za różne funkcje:

• centralna domena konserwatywna (CCD) najbardziej konserwatywna pod względem budowy części wiroidu, obejmuje nukleotydy w pozycjach 174-120 i 286-241;

• domena patogeniczności (PD) mieści się między nukleotydami w pozycjach 47-73 i 314-287, odpowiedzialna za występowanie objawów na porażonych roślinach;

• domena zmienna (VD) obejmuje nukleotydy w pozycjach 121-148 i 240-213;

• domeny końcowe (TD):

• lewy (TLD);

• prawy (TRD) - koniec cząsteczki kwasu.

Mechanizm namnażania się wiroidów

Ponieważ RNA wiroidów jest zbyt małe by kodować białka niezbędne do replik wiroidów proces ten musi się odbywać w oparciu o odpowiednie enzymy komórki roślinnej.

Replikacja wiroidów odbywa się:

• na terenie jądra komórkowego z udziałem polimerazy RNA II zależnej od DNA lub

• na terenie chloroplastów (w oparciu o 2 polimerazy występujące w chloroplastach, polimeraza kodowana
  w plastydach i kodowana w jądrze komórkowym).

Mechanizm namnażania się wiroidów nazywany jest mechanizmem toczącego się koła (droga symetryczna
i niesymetryczna). Z namnażaniem wiroidu jest związana kolista nić plusowej (sensowej) formy RNA tzw. (+) ssRNA.
Nić (+) ssRNA wiroidu jest przekształcana przez polimerazę RNA do oligomerycznej formy zbudowanej z połączenia ze sobą kolejnych nici minusowych (antysensowych) (-ss)RNA.

Powstająca oligomeryczna minusowa (antysensowa) forma RNA (-ss)RNA jest matrycą do transkrypcji.

(-ss)RNA→(+)ssRNA

W wyniku tego procesu powstaje oligomeryczna forma (+)ssRNA, która jest cięta przez nukleazę, a powstające monomeryczne fragmenty odpowiadają pierwotnej formie RNA wiroidu. Fragmenty te przy udziale ligazy łączą swoje końce i powstaje forma kolista.

Wiroidy do syntezy swojego RNA wykorzystują nukleotydy roślinne i jej rezerwy energetyczne.

Proces syntezy wiroidowego RNA powoduje ograniczenie syntezy roślinnych kwasów RNA przez zajęcie miejsca do ich syntezy.

Tempo biosyntezy wiroidowego RNA stanowi ok. 0,1- 3% tempa biosyntezy roślinnego tRNA (może to być przyczyną długiego czasu inkubacji wiroidów w tkankach roślinnych).

Patogeneza

Proces patogenezy wiroidów nie został jeszcze poznany.

Wiroidy mogą funkcjonować jako fałszywe czynniki sygnałowe w regulacji wielu procesów komórki roślinnej lub też jako czynniki inicjujące proces posttranskrypcyjnego wyciszania genów co prowadzi do degradacji mRNA komórki roślinnej.

Jeśli działają jako fałszywe czynniki sygnalizacyjne to muszą być rozpoznawane przez komórki gospodarza. Jest to możliwe gdyż w komórkach roślinnych wiroidów występują jako pewna populacja różnych form tego samego wiroidu.

Mogą one tworzyć kompleksy z białkami (w jądrze i chloroplastach).

Wyciszenie genów (posttranskrypcyjne wyciszenie genów) - funkcjonowanie siRNA (małych interferujących RNA).

Lokalizacja wiroidów w jądrze komórkowym i chloroplastach prawdopodobnie związane jest z ochroną RNA wiroidu przed degradacją enzymatyczną, która zachodzi głównie w cytoplazmie.

RNA wiroidu może też tworzyć introny w RNA jądrowym rośliny lub może zachodzić specyficzna interkalacja między RNA wiroidu, ze związkami występującymi w komórkach roślinnych.

Transport wiroidów odbywa się przez plazmodesmy i przez floem. We floemie odbywa się zgodnie z przepływem asymilatów, ale wiroidowy RNA może przechodzić do komórek towarzyszących i tam się namnażać.

Wiroidowy RNA jest też aktywnie pobierany przez organy akceptorowe gdyż wiroidowy RNA mają specyficzne motywy strukturalne naśladujące motywy strukturalne RNA roślinnego.

Choroby wywołane przez wiroidy mają długi okres inkubacji pojawiające się objawy mają charakter choroby systemicznej.

Po objawach systemicznych następuje degeneracja porażonych roślin.

Często pojawiają się deformacje i odbarwienia organów rośliny (zmiana barwy części zielonych na pstrości, a nawet nekroza).

W Polsce głównie choroby wiroidowe to:

• wiroid wrzecionowatości bulw ziemniaka;

• wiroid bliznowatości skórki jabłek;

• utajony wiroid chmielu;

• wiroid utajonej mozaiki brzoskwini.

Chorobą wywołaną przez wiroid o dużym znaczeniu ekonomicznym jest wrzecionowatość bulw ziemniaka (PSTV).

Rozprzestrzenianie się wiroidów

Wiroidy rozprzestrzeniają się w sposób bierny:

• z nasionami i ziarnami pyłku;

• mechanicznie z sokiem komórkowym;

• przez wektory (najczęściej mszyce).

Diagnostyka wiroidów

Testy biologiczne

• rośliny wskaźnikowe / bioindykatory (rośliny wskaźnikowe - gatunki roślin o wąskim zakresie tolerancji w odniesieniu do jakiegoś czynnika środowiskowego) z rodziny Solanacea i Chenopodiacea.

Wiroid PSTV wykrywany jest przy użyciu pomidora odmiany Rutgers (roślina wskaźnikowa).

U zakażonego pomidora obserwuje się:

• silne zahamowanie wzrostu wierzchołkowego;

• epinastie liści wierzchołkowych;

• skędzierzawienie, a nawet pojawienie się brunatnych, nekrotycznych smug na liściach

• test podwójnej inkubacji (najpierw infekuje się jedną grupę roślin, potem z ich komórek izoluje się wiroid i zaraża drugą grupę roślin).

Metody biochemiczne - elektroforeza RNA

• wiroidy jako cząsteczki bezbiałkowe nie wykazują cech antygenowych, stąd ich obecność można stwierdzić tylko za pomocą analizy RNA i roślin wskaźnikowych.

Metody molekularne:

• sondy molekularne cDNA;

• hybrydyzacja Northern blot;

• łańcuchowa reakcja polimerazy - PCR.

Choroby powodowane przez wiroidy należą do chorób kwarantannowych.

Kwarantanna jest jedną z form profilaktyki zwalczania chorób:

Definicja metody kwarantannowej wg Kochmana: kwarantanna roślin to forma profilaktyki, której celem jest niedopuszczenie do wprowadzenia lub rozwleczenia groźnych chorób lub szkodników roślin z kraju do kraju (kwarantanna zewnętrzna) bądź ograniczeniu rozprzestrzeniania się chorób i szkodników roślin wewnątrz danego kraju (kwarantanna wewnętrzna).

Przykłady stosowania kwarantanny:

Obowiązuje zakaz wywożenia z Europy do Ameryki Północnej sadzonek sosny wejmutki (rak kory sosny wejmutki - choroba grzybowa).

F I T O P L A Z M Y

Mykoplazmy

Obecność mykoplazm w organizmach roślinnych po raz pierwszy stwierdzono w 1967r. - tkanka łykowa morwy z objawami żółtaczki (mikroskopia elektronowa). Do tego czasu uważano, że mykoplazmy są patogenami tylko dla zwierząt.

W 1993r. Sears i Kikpatric zaproponowali, by w odróżnieniu od zwierzęcych roślinne mykoplazmy określać terminem fitoplazmy.

Fitoplazmy zalicza się do bakterii pozbawionych ściany komórkowej. Dominującym rodzajem jest C. phyloplasma (26gatunków).

Fitoplazmy charakteryzują się różnokształtnością (pleomorfizmem - przybierają kształt w zależności od środowiska): kulisty, owalny, jajowaty, nieregularny ( od rurkowatego do nitkowatego), np. fitoplazma żółtaczki morwy.

Cechy fitoplazm:

• komórki fitoplazm nie mają ściany komórkowej;

• są otoczone trójwarstwową błoną;

• w cytoplazmie występują rybosomy, mitochondria i DNA;

• rozmnażają się przez podział lub pączkowanie;

• nie spełniają postulatów Kochmana;

• ich wielkość mieści się w przedziale 200-800nm;

• mogą żyć i rozmnażać się tylko w środowisku izotonicznym roślin jak łyko roślin lub hemolimfa owada (mają dwóch żywicieli: roślinę i owada);

• nie można ich hodować na podłożach sztucznych - do celów badawczych często stosuje się barwinek różowy, gdyż w tej roślinie większość szczegółów fitoplazm może być utrzymywana przez długi okres czasu.

Genofor fitoplazm (nazywany chromosomem) jest bardzo mały (680-160kbp). Na tej podstawie uważa się, że fitoplazmy to najprostsze samoreplikujące się organizmy. Fitoplazmy są typowymi pasożytami wewnętrznymi.

Zsekwencjonowano dwa genomy fitoplazm wykazujące, że ich genofory zawierają odpowiednio 671 i 754 geny.

Fitoplazmy nie posiadają genów odpowiedzialnych za syntezę aminokwasów, kwasów tłuszczowych i nukleotydów (związki te pobierają od żywiciela).

Z uwagi na brak ściany komórkowej są niewrażliwe na antybiotyki z grupy antybiotyków β-laktamowych (penicylina) a są wrażliwe na tetracykliny.

Spośród fitoplazm wyodrębniono grupę określaną jako spiroplazmy.

Spiroplazmy rozmnażają się przez podział i można je hodować na podłożach sztucznych.

Spiroplazmy mają zróżnicowaną budowę i różny kształt:

• spiralny;

• rozgałęzione, niespieralno skręcone nici;

• formy kuliste i owalne;

• formy kuliste mają średnicę ok. 300nm;

• formy spiralne i nitkowate mają średnicę 100-200nm i długość 3-5μm.

Genofor spiroplazm jest większy niż typowy fitoplazm (780-2200kbp).

Spiroplazmy wykazują zdolność do ruchu mimo braku specjalnych tworów typu np. rzęski. Dzieje się to w wyniku funkcjonowania wewnątrzkomórkowych włókien białkowych, które zmieniają swoją konformację powodując zmianę skrętu spirali komórki, co daje w efekcie zygzakowate przemieszczanie się spiroplazm.

Cykl życiowy fitoplazm obejmuje fazę w dwóch żywicielach: wektorach owadzich i tkankach łykowych roślin. Po dostaniu się z jelita do hemoglobiny owada żerującego na zainfekowanej roślinie następuje kolonizacja owada (konieczność namnożenia się fitoplazm w odpowiedniej ilości).

W okresie kolonizacji owada nazywanym okresem latencji trwa od kilku dni do kilku tygodni w zależności od:

• gatunku fitoplazmy;

• gatunku owada;

• czynników środowiskowych (głównie temperatura otoczenia).

Fitoplazmy mogą wpływać na funkcje życiowe owadów-wektorów.

W roślinach fitoplazmy najpierw rozprzestrzeniają się w tkance, do której zostały wprowadzone, a po dostaniu się do floemu porażają roślinę systemicznie. Kolonizują głównie rurki sitowe, ale można je stwierdzić w innych tkankach, a nawet nasionach - fitoplazma śmiertelnego żółknięcia palmy w zarodku palmy kokosowej czy w nasionach lucerny.

Rozprzestrzenianie się fitoplazm w roślinie (dwie możliwości):

1. Komórki fitoplazm są bezpośrednio wprowadzane przez owada wraz ze śliną do tkanki łykowej i rozprzestrzeniają się systemicznie w obrębie całej rośliny wraz z zstępującym transportem asymilatów. Pleomorfizm pozwala fitoplazmom na przemieszczanie się przez otwory w polach sitowych.

2. Fitoplazmy mają zdolność do przylegania do komórek żywiciela. W takich przypadkach rozmnażają się a następnie aktywnie przemieszczają się z jednej rurki sitowej do drugiej.

Rurki sitowe z uwagi na brak ufosforylowanych heksoz i nukleotydów nie są dobrym środowiskiem dla fitoplazm.
Te niezbędne im związki fitoplazmy pobierają z komórek towarzyszących.

Objawy powodowane przez fitoplazmy mają bezpośredni związek z:

• zakłóceniem funkcji floemu;

• zmianą zawartości soku floemowego;

• zaburzeniem równowagi hormonalnej rośliny.

Zaburzenia w równowadze hormonalnej rośliny powodują:

• zakłócenie procesów różnicowania się organów generatywnych;

• geotropizm;

• wydłużenie okresu spoczynku nasion.

Zasiedlenie floemu przez fitoplazmy wywołuje reakcje obronne rośliny, takie jak, np. odkładanie kalozy w otworach pól sitowych (blokowanie transportu asymilatów). Blokowanie transportu asymilatów może być bezpośrednio wywołane przez fitoplazmy, jeśli namnożą się w znacznej ilości.

Fitoplazmy - objawy

Zahamowanie transportu asymilatów z donorów powoduje:

• degenerację chloroplastów;

• zahamowanie syntezy chlorofilu - chloroza liści;

• nekrozę tkanki łykowej i jej zapadanie się.

Fitoplazmy rozprzestrzeniają się w sposób bierny

Są przenoszone przez owady wektorowe i człowieka (prace pielęgnacyjne i wegetatywne rozmnażanie roślin).
Owady wektorowe przenoszące fitoplazmy to głównie skoczki i miodówki. Poza owadami fitoplazmy są przenoszone przez większość gatunków kanianki (roślina pasożytująca na innych roślinach).

Obecnie znamy 600 chorób powodowanych przez fitoplazmy.

Wywołują objawy takie jak:

• jednolite żółknięcie (żółtaczka)[najczęściej wywołują żółtaczki]

Podstawowe objawy żółtaczki to:

• żółknięcie;

• szybkie zamieranie roślin;

• zahamowanie wzrostu;

• czerwienie i drobnienie liści;

• zielenienie korony kwiatowej;

• sterylność kwiatów;

• spadek plonowania;

• ciemnienie i ostatecznie czernienie liści;

• proliferację pędów i tworzenie czarcich mioteł;




• przekształcanie się organów kwiatowych w drobne listki (fylladia);

• nekroza i zamieranie korzeni (poprzedza objawy chorobowe występujące na częściach nadziemnych).

Najczęściej spotykane w Polsce choroby to:

• zamieranie gruszy;

• żółtaczka winorośli;

• choroba X brzoskwini;

• proliferacja jabłoni;

• karłowatość morwy;

• nekroza łyka wiązu (żółtaczka wiązu);

• zamieranie dębu i olszy;




• miotlastość (czarcia miotła) jesionu, grochodrzewu i wierzby.

Fitoplazmy wywołują w Polsce 70 chorób występujących na roślinach sadowniczych, warzywnych i ozdobnych.

B A K T E R I E

Choroby roślin wywoływane prze bakterie określa się terminem BAKTERIOZY.

Choroby bakteryjne są:

• trudne do wykrycia;

• szybko się rozprzestrzeniają;

• trudne do zwalczenia.

Spośród 4 tys. poznanych gatunków bakterii związanych z roślinami 200 to patogeny.

Większość bakterii to saprofity bezwzględne bytujące w tym samym środowisku, co rośliny. Bakterie, które wywołują choroby roślin to saprofity okolicznościowe.

Źródło pierwotnego zakażenia i rozprzestrzeniania się bakterii patogenicznych dla roślin:

• zakażone rośliny;

• gleba - niektóre bakterie patogeniczne mogą bytować jako saprofity (np. Erwinia alylovora, Agrobacterium tumefaciens, nie rozmnażają się w glebie, ale mogą w niej egzystować, E. carotovora. Może rozmnażać się w glebie, w porażonych roślinach łatwo przechodzi z formy saprofitycznej w pasożytniczą);

• zakażone nasiona;

• owady żerujące na roślinach np. Pseudomonas syringae pv lachrymans (kanciasta plamistość ogórka). Wektorem jest Diabrotica vittata. Bakteria może przetrwać w organizmie owada całe jego życie.

Większość bakterii patogenicznych może przetrwać na powierzchni organów rośliny np. liściach, pąkach, korze, jako epifity (stadium epifityczne) nie wywołując zakażenia. Stanowią jednak istotne źródło infekcji pierwotnych i wtórnych.

Prawie wszystkie bakterie fitopatogeniczne rozmnażają się w tkankach roślin-gospodarzy jako pasożyty.

Rozprzestrzenianie się bakterii porażających nadziemne części roślin odbywa się za pośrednictwem: wiatru; deszczu; owadów; ptaków; człowieka (zabiegi agrotechniczne, przenoszenie z materiałem rozmnożeniowym - nasiona, sadzonki, bulwy, cebule itp.)

Rozprzestrzenianie się bakterii porażających podziemną część rośliny odbywa się za pośrednictwem:

• roztworu glebowego;

• fauny glebowej;

• zakażonych roślin;

• zakażonych szczątków organicznych tkanek.

Komórki bakterii mogą mieć różny kształt, np. kuliste - ziarniaki, walcowate - pałeczki, laseczki, spiralne - przecinkowce i krętki.

Bakterie wywołujące choroby u roślin mają przeważnie kształt pałeczek. Wyjątek stanowią promieniowce z rodzaju Streptomyces, które są nitkowate.

Wszystkie bakterie fitopatogeniczne dzielimy na 4 kategorie:

2. gramujemne bakterie właściwe;

3. gramdodatnie bakterie właściwe;

4. bakterie pozbawione ściany komórkowej (mykoplazmy);

5. archebakterie.

Charakterystyka fitopatogenicznych bakterii właściwych:

• większość bakterii fitopatogenicznych ma wielkość rzędu 0,5-3,5 nm;

• budowa komórki: aparat jądrowy (nukleoid) - duży spiralnie zwinięty chromosom, plazmidy, cytoplazma, rybosomy, ziarna ciał zapasowych;

• budowa ściany komórkowej: główny składnik peptydoglikan (różny skład u bakterii G+ i G- (reakcja Grama);

• odżywanie: heterotroficzne.

Charakterystyka bakterii wywołujących choroby u roślin:

• większość bakterii ma rzęski (jest to cecha taksonomiczna) o długości większej niż długość komórki bakteryjnej (ułatwia bakteriom przemieszczanie się);

• materiał genetyczny zlokalizowany jest w DNA chromosomalnym (genofor) i w kolistej strukturze zbudowanej z podwójnej nici DNA (plazmid).

• rozmnażanie: przez podział w przypadku promieniowców możliwość rozmnażania prze fragmentację nitek lub wytwarzanie konidiów;

• na powierzchni ściany komórkowej występują substancje śluzowe (otoczka ułatwia bakteriom przetrwanie okresów suszy, chroni przed czynnikami środowiska zewnętrznego, zwiększa przyczepność do organów roślinnych);

• nagromadzenie się dużej liczby komórek bakteryjnych w masie śluzu bakteryjnego nazywamy zoogleą.

Wielkość plazmidu wynosi do kilku procent długości chromosomu np. u Agrobacterium tumefaciens jest wyjątkowo duży, sięga kilkunastu procent (200 kpz.). Plazmid replikuje się niezależnie od chromosomu.

Geny wchodzące w skład plazmidu związane są z określonymi cechami bakterii, np. kodują syntezę bakteriocyn (toksyn bakteryjnych), czynników odpowiedzialnych za odporność na czynniki środowiska i infekcyjność.

Zdolność bakterii do wytwarzania śluzu odgrywa dużą rolę w patogenezie bakterioz:

• śluz bakteryjny wydzielany przez bakterie na zewnątrz organów rośliny ułatwia adhezję kolejnych komórek bakteryjnych do powierzchni rośliny;

• obecny w przestworach międzykomórkowych uciska na ściany komórek roślinnych, co ułatwia bakteriom migrację w głąb tkanki;

• chroni bakterie przed działaniem toksycznych dla nich związków wytwarzanych przez roślinę.

W y k ł a d 6

Objawy bakterioz

Objawy bakterioz są bardziej specyficzne niż objawy wiroz (łatwiejsza diagnostyka, dodatkowo bakterie często pojawiają się w postaci kolonii bakteryjnych)

• plamy, nekrozy, zgorzele

• zrakowacenia

• więdnięcia

• mokre zgnilizny

• narośla (tumory, włosowate twory)

Z tego względu bakterie fitopatogeniczne dzielimy na: nekrogeny, macerogeny, onkogeny

Patogeneza bakterioz

Bakterie nie są zdolne do czynnego przenikania przez kutynę. Zakażenie rośliny przez bakterie następuje w sposób bierny w wyniku otwarcia wrót zakażenia, np. przez zranienie.

• większość bakterii zakaża rośliny przez rany

• wielkość rany nie ma większego znaczenia

• miejscem infekcji może być uszkodzenie spowodowane przez owady, grad, wiatr, cięcie gałęzi/pędów, obrywanie liści i owoców lub przesadzanie roślin

W warunkach środowiskowych często następuje zakażenie rośliny przez szparki. Zakażenie przez szparki powoduje z reguły plamistość liści, np:

• bakteryjna plamistość liści tytoniu - Pseudomonas syringae pv tabaci

• bakteryjna pierścieniowa plamistość bulwy ziemniaka - Pseudomonas syringae pv solani

• bakterioza obwódkowa fasoli - Pseudomonas syringae pv phaseolus

O zakażeniu organów w roślinie przez szparki decyduje:

• ssące działanie aparatów szparkowych (główny i najważniejszy czynnik)

• ruchliwość bakterii

• działanie chemotaktyczne na bakterie związków wydzielanych przez szparki

Plamistość bakteryjna może rozwinąć się z zakażenia przez hydatody (Xanthomonas campestris pv campestris przez hydatody zakaża liście kapusty).

• W obu przypadkach - po dostaniu się do organizmu przez szparki lub hydatody bakterie najpierw namnażają się w przestworach komórkowych tkanki miękiszowej liści kapusty.

• Jeżeli roślina jest wrażliwa (brak reakcji obronnej) dochodzi do intensywnego namnażania się bakterii i opanowywania przez nie coraz większych stref w tkance, co prowadzi do wystąpienia objawów.

• Następnie bakterie dostają się do naczyń, które czernieją, a liście żółkną i obumierają

Patogeneza bakterioz organy roślinne niepokryte kutikulą (słupki i pręciki kwiatowe, nektaria, włoski). Nektar z uwagi na skład jest dobrą pożywką do namnażania się bakterii.

Przykładem bakterii zakażającej rośliny przez uszkodzone włoski jest Clavibacter michiganesis sub. sp. Michiganesis. Bakteria wywołuje raka pomidora. W tym przypadku zakażeniu ulega najpierw komórka podstawowa włoska.

Istnieją bakterie, które mają zdolność wykorzystywania wielu różnych wrót zakażenia.

Erwina amylovora wywołująca zarazę ogniową u drzew ziarnkowych i pestkowych może do organów rośliny przedostać się przez:

• szparki

• hydatody

• rany

• miodniki

• z nektarem

• z ziarnami pyłku (na ich powierzchni)

Zakres roślin - gospodarzy

Od bardzo szerokiego, obejmującego kilkaset gatunków roślin (np. Agrobacterium tumefaciens) do bardzo wąskiego
(np. Xanthomonas fragariae poraża tylko truskawkę).

W obrębie niektórych gatunków bakterii wyróżnia się patowary, czyli szczepy różniące się zakresem roślin-gospodarzy:

1. Pseudomonas savastanoi pv phaseolicola - patogen fasoli (wywoła chorobę)

2. P. syringae pv syringae - patogen roślin, ale szczep niepatogeniczny dla fasoli (wywoła HR)

3. Pantoea agglomerans (niepatogen, epifit, saprofit)

Inwazyjność to zdolność patogenu do opanowania tkanek gospodarza.

Obejmuje ona mechanizmy kolonizacji (wniknięcie i wstępne namnożenie), produkcję pozakomórkowych substancji ułatwiających inwazję i potrzebnych do ominięcia lub przezwyciężenia mechanizmów obronnych gospodarza.

Pierwszym etapem choroby bakteryjnej jest infekcja.

Zapoczątkowanie procesu infekcji uzależnione jest od wielu czynników, np.:

• odpowiedniej liczebności populacji bakteryjnej w miejscu infekcji

• charakteru interakcji roślina-patogen

• warunków środowiskowych

Bakterie

Odpowiednia liczebność populacji bakteryjnej w miejscu infekcji.

Często występujące zjawisko określane terminem - sygnalizatorów zagęszczenia (QS), związane z regulacją ekspresji genów warunkujących patogeniczność, np. ekspresja genów kodujących enzymy uczestniczące w procesie patogenezy.

• bakterie tworzące kolonię wydzielają na zewnątrz określony związek tzw. autoinduktor. np.:

1. bakterie Gram-ujemne wytwarzają laktony acylo-homoseryny (AHL)

2. bakterie Gram-dodatnie wytwarzają oligopeptydy

• gdy populacja jest liczna, stężenie tego związku w bezpośrednim otoczeniu bakterii staje się dostatecznie wysokie by uruchomić proces ekspresji tych genów. Aby doszło do infekcji populacja bakterii z reguły musi osiągnąć liczebność min. 10⁶ komórek w 1cm³. Przy sztucznej inokulacji zwykle stosuje się populację o liczbie 10⁷-10⁸ komórek w 1cm³ inokulum.

Szybkość namnażania się bakterii zależy głównie od:

• temperatury

• ciśnienia osmotycznego

• dostępności składników pokarmowych

Fazy wzrostu bakterii (in vitro):

1. Faza zastoju (log-faza). W tej fazie bakterie przystosowują się do nowego środowiska jakie stwarza im roślina
   (3-4 godz.)

2. Faza namnażania się bakterii to faza, w której liczba komórek bakteryjnych wzrasta w postępie geometrycznym
   (log-faza) (24-78 godz.)

3. Faza stacjonarna - szybkość namnażania bakterii ulega stabilizacji (wyczerpanie składników pokarmowych, akumulacja metabolitów pochodzących z obumierających komórek roślinnych, trwa od kilku godzin do kilku dni)

4. Faza zamierania

Czynniki patogeniczności i wirulencji (siły zakażenia bakterii)

1. Obecność w genomie bakterii określonej grupy genów

2. Zdolność do syntezy i wydzielanie:

• polisacharydów (EPS)

• lipopolisacharydów (LPS)

• enzymów (poligalakturonazy,liazy, celulazy, proteazy, nukleazy)

• toksyn bakteryjnych, np. agrocyna, syringomycyna, koronatyna, faseolotoksyna, tabtoksyna

• sideroforów i barwników fluorescencyjnych

Inne czynniki związane z patogenezą to zdolność do:

• akumulacji amoniaku

• syntezy białek odpowiedzialnych za krystalizację lodu

• syntezy regulatorów wzrostu

• rzęski, pile, fimbrie (czy posiadają)

Bakterie - wirulencja

Grupy genów (plant inducing genes), od których zależy wirulencja bakterii to geny, których ekspresja jest indukowana przez substancje powstające w procesie rozpadu tkanki roślinnej w czasie interakcji roślina-patogen bakteryjny.

Wirulencja patogenicznych dla roślin bakterii często jest związana z ich zdolnością (zwłaszcza bakterii wywołujących więdnięcia i zgnilizny) do wytwarzania pozakomórkowych polisacharydów, które stymulują namnażanie się bakterii (powstawanie kolonii bakteryjnych) i umożliwiają przeżycie bakterii na zewnątrz i wewnątrz części rośliny.

Proces infekcyjny przeprowadzany przez bakterie bytujące w przestworach międzykomórkowych wiąże się z wydzielaniem zewnątrzkomórkowym enzymów:

• pektynolitycznych (metyloesterazy, acetyloesterazy i liazy pektyn oraz poligalakturonazy

• celulolitycznych (celulazy, hemicelulazy)

Często w procesach infekcyjnych uczestniczą też enzymy przeprowadzające rozkład składników błon komórkowych takich jak: proteazy i fosfolipazy

Konsekwencją uszkodzenia przez bakterie ściany i błony komórkowej jest wyciek treści komórkowej do przestworów międzykomórkowych gdzie jest ona wykorzystywana przez bakterie, które namnażają się i atakują kolejne komórki roślinne.

Charakter podłoża interakcji roślina-bakterie fitopatogeniczne może być zróżnicowany. Może mieć podłoże genetyczne lub mieć związek z toksynami bakteryjnymi:

• genetyczny charakter ma infekcja roślin przez Agrobacterium sp.

Objawem wbudowania do genomu rośliny-żywiciela odcinka DNA Agrobacterium sp. tzw. transferowego T-DNA jest tworzenie się korzeni włośnikowatych (Agrobacterium rhizogenes, włośnikowatość - przerost korzeni) lub zrakowacenia korzeni (Agrobacterium tumefaciens, komórki roślinne w wyniku transformacji ulegają hiperplazji i hipertrofii)

Agrobacterium tumefaciens jest bakterią glebową, która w formie saprofitycznej może przetrwać w glebie nawet kilka lat. Infekuje korzenie roślin dwuliściennych (formy drzewne i zielne) oraz niektórych jednoliściennych. Jest polifagiem i ma największą ze wszystkich patogenów bakteryjnych liczbę roślin-gospodarzy (ok. 800 gatunków). A. tumefaciens jest G(-), tlenową, ruchliwą pałeczką o wymiarach 0,7 - 0,8 x 1,5 - 3 mm.

Zranione komórki roślin wytwarzają szereg związków fenolowych, np. acetosyringon rozpoznawany przez A. tumefaciens. Wzór acetosyringonu (Me = CH₃)

• Pierwszym etapem infekcji jest tzw. "przyczepianie się" bakterii do receptora występującego na powierzchni korzenia

• Bakteria wytwarza celulozowe włókienka, które pomagają jej w zakotwiczeniu się na roślinie (roślina nie ma możliwości rozkładu związków budujących włókienka)

• Z czasem włókienka te stają się bardzo długie i mogą ułatwić przyczepianie się kolejnych bakterii co prowadzi do powstania skupiska bakterii (agregatu) na samym korzeniu jak i w jego pobliżu.

Acetosyringon jest nie tylko czynnikiem chemotaktycznym dla bakterii, powoduje też uaktywnienie genów wirulencji patogenu, tzn. genów vir obecnych w części plazmidu tzw. T-DNA.

T-DNA zanim zostanie przetransportowane do komórki roślinnej wchodzi w skład plazmidu zwanego Ti, w przypadku
A. tumefaciens lub Ri - w przypadku A. rhizogenes.

• Ze względu na znaczny rozmiar - ok. 18tys. do 400tys. p.z., zwykle ok. 200tys. p.z. plazmid Ti i Ri nazywany jest megaplazmidem

• Wielkie plazmidy występują zwykle w komórce w niewielkiej liczbie kopii. W przypadku Agrobacterium liczbę megaplazmidów ocenia się na 1-2.

• Różne szczepy A. tumefaciens przenoszą nieco odmienne plazmidy Ti, ale z reguły każdy z nich zawiera jeden region
  T-DNA

• U niektórych szczepów (tzw. oktopinowych) plazmid Ti zawiera 2 odrębne odcinki T-DNA: lewy (T_L-DNA) i prawy
  (T_R-DNA), albo 3: lewy, prawy i środkowy (T_C-DNA), które niezależnie od siebie wnikają do komórki roślinnej.

• Zakres odcinka T-DNA plazmidu (lub każdego z odcinków T_L, T_C i T_R) określony jest położeniem tzw. sekwencji granicznych, które są sekwencjami zawierającymi ok. 25 p.z. i tworzą niedokładne powtórzenia bezpośrednio przed
  i tuż za każdym odcinkiem T-DNA tzw. ss-DNA R (prawy) i L (lewy).

• Sekwencje graniczne są przenoszone do komórek roślinnych wraz z T-DNA

• Typowy odcinek T-DNA ma wielkość ok. 20 tys. p.z. i zawiera geny, których działanie w roślinie powoduje charakterystyczne objawy chorobowe i nagromadzenie się w tkankach porażonej rośliny nietypowych dla zdrowych roślin metabolitów (opin)

Geny kodujące czynniki wirulencji - geny vir (ok. 24 genów) zgrupowane są w 8 operonach - A, B, C, D, E, F, G, H (oznaczone symbolami virA, virB itd.). Geny te tworzą obszar megaplazmidu zwany regionem vir i współdziałają z genami wirulencji wchodzącymi w skład genoforu (bakteryjnego chromosomu) chvA, chvB, itd. W skład megaplazmidu wchodzą też geny wywołujące tworzenie się korzeni włośnikowatych lub zrakowaceń (geny dla fitohormonów) określano terminem onkogenów i geny umożliwiające bakteriom metabolizm opin (geny metabolizmu opin).

W obszarach T-DNA znajdują się geny syntezy opin, auksyn i cytokinin. W T-DNA identyfikowano min. 3 geny dla regulatorów wzrostu odpowiedzialnych za wzrost tkanki guzowej. 2 z tych genów odpowiadają za syntezę IAA, trzeci za syntezę cytokinin (trans-zeatyny lub/i izopentylodiadeniny)

Geny dla auksyn:

• IaaM - monodehydrogenaza tryptofanu

• IaaH - hydrolaza indoloacetoamidowa

Geny dla cytokinin:

• ipt - transferaza izopentynylowa

Geny domen T-DNA nie ulegają ekspresji w komórce Agrobacterium

• Do komórki roślinnej T-DNA przenoszony jest w postaci kompleksu białko-DNA. Białko znajduje się na końcu 5'-T-DNA
  i bezpośrednio odpowiada za wprowadzenie bakteryjnego DNA do DNA komórki roślinnej

• Rola białka sprowadza się do nacięcia jednej nici DNA gospodarza i przyłączenia jednoniciowego T-DNA do jednej nici DNA rośliny

• Prowadzi to do powstania naprężeń w cząsteczce DNA rośliny w wyniku czego pęka długa nić roślinnego DNA

• Następnie przy udziale ligaz następuje dobudowanie komplementarnej do wprowadzonej nici bakteryjnego DNA nici DNA w genomie rośliny

• Ostatecznie następuje interakcja T-DNA z DNA infekowanej rośliny

• W tym czasie może dojść do rekombinacji genów (mutacji)

Zakażona A. tumefaciens komórka gospodarza obok proliferacji w tkankę guza zaczyna syntetyzować jedną z grup pochodnych aminokwasów - opiny. Geny katabolizmu opin nie są składnikiem T-DNA (stanowią osobny obszar megaplazmidu) i nie są przekazywane do genomu rośliny. Rośliny nie są zdolne do włączania opin w swoje szlaki metaboliczne.

Opiny mogą mieć charakter związków azotowych i bezazotowych:

• opiny azotowe to połączenia aminokwasów (najczęściej argininy) z ketokwasami (kwas 2-ketoglutarowy, kwas pirogronowy)

• opiny bezazotowe to agrocynopiny (opiny fosforylowane), są zbudowane z kilku cząsteczek cukrów prostych

Opiny są źródłem energii dla bakterii i występują tylko w zainfekowanych komórkach. Ich tworzenie wynika z ekspresji genów bakteryjnych w komórce gospodarza.

Rodzaj tworzonej opiny (czasami kilku) jest podstawą klasyfikacji szczepów Agrobacterium.

Przykłady opin:

• nopalina (1,3-dikarboksypropylo-L-arginina)

• leucynopina (dikarboksypropyloleucyna)

• agrocynopiny A, B, C, D

• sukcynamopina

• chryzopina

• oktopina

• agropina

• mannopina

Guzy powstają w miejscach uszkodzeń mechanicznych. Początkowo mają postać niewielkich obrzmień pod tkanką okrywająca. Z czasem osiągają wielkość od kilku mm do nawet kilkudziesięciu cm. Wielkość tworzącego się guza zależy od gatunku rośliny gospodarza, intensywności jego wzrostu i warunków środowiska. Młode guzy mają kształt kulisty, są gładkie
i miękkie o jasnokremowym zabarwieniu. W miarę starzenia się drewnieją, zmienia się ich kształt, powierzchnia staje się chropowata w wyniku obumierania zewnętrznej warstwy komórek, a barwa zmienia się na ciemnobrązową do czarnej. Szkodliwość bakteriozy powodowanej przez A. tumefaciens polega na ograniczeniu przewodzenia wody i składników mineralnych od korzeni do części nadziemnych rośliny. Najbardziej szkodliwe są guzy powstające w obrębie szyjki korzeniowej i korzeniach głównych, ponieważ dodatkowo osłabiają podstawę pędu lub pnia, zwiększa się ryzyko złamań,
a powstanie nowych ran najczęściej prowadzi do zakażeń wtórnych. Powstające na szyjce korzeniowej guzy zwykle zmniejszają długość pędu i wielkość rośliny o ok. 20%. Guzowate narośla mogą tworzyć się tylko na korzeniach, ale też na nadziemnych częściach rośliny.

Bakterie

Szkodliwość bakterii może wynikać z ich toksykogenności.

Toksykogenność to zdolność do wytwarzania endo- i egzotoksyn.

Endotoksyny to główne związki występujące w ścianie komórkowej bakterii uwalniane do środowiska po śmierci komórki bakteryjnej. W klasycznym sensie, termin endotoksyna odnosi się do składnika lipopolisacharydu zewnętrznej błony bakterii G(-). Endotoksyny mogą być uwolnione do środowiska, np. w wyniku skutecznej reakcji obronnej gospodarza, która prowadzi do lizy komórki bakteryjnej lub działań niektórych antybiotyków

Egzotoksyny są wydzielane przez żywe komórki bakteryjne do tkanek roślinnych.

Toksyny bakteryjne mogą być transportowane przez floem i działać cytotoksycznie na tkanki odległe od pierwotnego punktu inwazji lub wzrostu. Niektóre toksyny bakteryjne mogą również działać w miejscu kolonizacji i odgrywać rolę
w inwazji

Toksyny bakteryjne mogą działać w sposób:

• specyficzny (powodują uszkodzenia tylko u roślin żywicielskich)

• niespecyficzny (uszkadzają wszystkie rośliny lub host-specyficzne)

Większość toksyn bakterii fitopatogenicznych to toksyny niespecyficzne w stosunku do rośliny - gospodarza choć powodując bezpośrednią reakcję u gospodarza dają charakterystyczne objawy.

Najważniejsze toksyny bakteryjne:

• dipeptydy - wywołują chlorozę (degradacja lub zahamowanie syntezy chlorofilu), np.:

• tabtoksyna (Pseudomonas syringae)

• fazeolotoksyna (P. syringae pv. phaseolicola)

• tagetitoksyna (P. syringae pv. tagetis)

• koronatyna (P. syringae pv. coronatofaciens)

• taboksyna (P. syringae pv. tabaci)

• cykliczne polipeptydy (LDPs) powodujące neurozy w wyniku otwierania kanałów w błonie komórki roślinnej, przez które następuje wyciek treści komórkowej

• syringotoksyna i syringostatyny (P. syringae pv syringa)

• tolaazyna (P. tolaasii)

• antybiotyki

• toksoflawina (Burkholderia glumate) powoduje objawy więdnięcia

• glikoproteiny (Clavibacter michiganesis subsp. s i subsp. sepadonicus)

• cykliczne dipeptydy wywołujące objawy parcha

• taksomina A i B (Streptomyces scabies)

• zewnątrzkomórkowe polisacharydy (EPS)

• P. syringae

• Xanthomonas sp.

• Erwinia amylovora (amyloworyna - zawiera 98% galaktozy, powoduje objawy więdnięcia na zainfekowanych pędach)

Bakterie fitopatogeniczne mogą syntetyzować i wydzielać na zewnątrz fitohormony (auksyny (IAA) i cytokininy), które są odpowiedzialne za tworzenie narośli na roślinach, np.:

• P. savastanoi pv savastanoi

• Rhodococcus fascians

• A. tumefaciens

• Pantoea agglomerans pvs gypsophilae i milleiae

Tworzenie ośrodków krystalizacji lodu (ang. ice nucleation active, INA). W ścianie komórkowej niektórych bakterii fitopatogenicznych (P. syringae, P. vividiflava, Pantoea stewavtii, Xantomonas translucens) występują białka, które działają jak ośrodki krystalizacji lodu.

• woda obecna na powierzchni rośliny lub w przestrzeniach międzykomórkowych zamarza w obecności INA
  w temperaturze powyżej 0ºC

• tkanka roślinna ulega uszkodzeniu i może być szybko zasiedlana przez bakterie

Bakterie - zasiedlanie i rozmnażanie w roślinie - gospodarzu

Zdolność do zasiedlania i rozmnażania w roślinie-gospodarzu uwarunkowana jest przez:

1. czynniki ochronne np. egzopolisacharydy śluzu bakteryjnego zapobiegają wysychaniu komórek bakteryjnych, zatrzymują wodę, ograniczają przewodzenie wody w roślinie, nie dopuszczają do unieruchomienia bakterii w ścianie komórkowej komórki roślinnej, uczestniczą w pobieraniu związków węglowodanowych z rośliny

• lewan i amyloworan (E. amylovora)

• alginian, polimer kwasu mannuronowego (P. syringae)

• stewartian (Pantoea stewartii)

• guma ksantonowa (X. campestris pv campestris)

• enzymy

• fimbrie i pile

• elementy antygenowe umożliwiające rozpoznanie między bakterią a rośliną

• białka określające specyficzność żywiciela - białka Avr

• histo- i organotropizm - zdolność bakterii do zasiedlania i rozmnażania w określonych tkankach / organach roślin (główny czynnik warunkujący patogeniczność wielu bakterii i występowania objawów choroby na gospodarzu)

• enzymy pektynolityczne, które powodują degradację ściany komórkowej co prowadzi do maceracji tkanki roślinnej (Pectobacterium, Dickeya)




• liaza pektynowa

• pektynoesteraza

• poligalakturonaza

• polimetylogalakturonaza




Większość bakterii patogenicznych dla roślin kolonizuje apoplast (pozostaje poza komórką roślinną)

• w apoplaście bakterie namnażają się

• ponieważ apoplast jest tzw. pożywką minimalną dla bakterii stąd powiększająca się liczba bakterii powoduje,
  że muszą one pozyskać składniki pokarmowe z komórek roślinnych

W Y K Ł A D 7

Proces pozyskiwania składników pokarmowych jest związane z bakteryjnymi genami patogeniczności:

• geny hrp - geny odpowiedzialne za indukcję reakcji nadwrażliwości (HR) u nie gospodarzy, dla gospodarzy są patogeniczne

• geny wirulencji avr

Geny hrp kodują tzw. III system sekrecji białek odpowiedzialny za przenoszenie przez błonę do komórki roślinnej białek efektorowych i części białek efektorowych tzw. białek Hrp.

System III sekrecji białek jest bardzo konserwatywny filogenetycznie. Białka przekazywane przez ten system nie posiadają sygnalnej amino-terminalnej części peptydowej. Białka przekazywane przez ten system są zróżnicowane (odpowiadają za występowanie objawów choroby), np.:




• toksyny

• fitohormony

• białka awirulencji Avr

• białka Hrp




• enzymy degradujące ścianę komórkową

Wśród białek Hrp wyróżniamy 2 podstawowe klasy: Harpiny i Piliny

Harpiny są białkami termostabilnymi, bogatymi w glicynę, nie zawierają cysteiny. Ich funkcją jest indukcja PCD komórki.

Piliny warunkują patogeniczność i indukcję HR.

Białka Hrp pełnią główną rolę w rozpoznawaniu przez bakterię gospodarza.

Geny hrp mogą być zlokalizowane w:

• Plazmidzie (R. solanacearum)

• Chromosomie akteryjnym (E. amylovora, P. syringae, Xanthomonas ssp.)

Erwinia amylovora

Charakter podłoża interakcji roślina-bakteria filopatogenetycznie może mieć związek z toksynami bakteryjnymi, np. zaraza ogniowa.

E. amylovora wytwarza i wydziela na zewnątrz szereg białek o charakterze toksyn.

Do najważniejszych zalicza się grupę harpin (Hrp) - N,W,A oraz tzw. specyficzne białka patogenezy (Dsp) - A,C,D,E.

• Harpina N (HrpN) - determinuje patogenetyczność i wirulencję bakterii.

• Białko DspE odgrywa decydującą rolę w procesie infekcji roślin gospodarza.

Obydwa białka powoduję zaburzenia w funkcjonowaniu błon komórkowych rośliny i generację RFT.

Wydzielane na zewnątrz: amyloworan i levan są związkami umożliwiającymi bakterii kolonizację tkanek gospodarza.

Hrp i Dsp są uwalniane do apoplastu komórek roślinnych,

Harpina

• Inhibuje działanie WTP-az i kanałów jonowych co powoduje :

• Wyciek elektrolitów (głównie potasu)

• Depolaryzację błon

• Alkalizację środowiska komórkowego

• Blokuje syntezę ATP (inhibicja kompleksu III i IV w mitochondriach)

Przykłady bakterioz roślin sadowniczych:




• Rak bakteryjny na kwiatach gruszy

• Rak bakteryjny na czereśni

• Bakteryjna plamistość drzew pestkowych

• Guzowatość korzeni

• Zaraza ogniowa

• Bakteryjna zgorzel orzecha włoskiego




Przykłady bakterioz roślin warzywnych:




• Bakterioza obwódkowa fasoli

• Bakteryjna nekroza rdzenia łodygi pomidora

• Bakteryjna cętkowatość pomidora

• Śluzak

• Rak bakteryjny pomidora

• Gnicie róż kalafiora (objawy na liściach)




Przykłady bakterioz roślin ozdobnych:




• Pęcherzykowata srebrzystość tulipana

• Żółta bakterioza hiacynta

• Bakteryjna plamistość anturium (storczyk)

• Proliferacja pędów chryzantemy

• Zgnilizna sadzonek chryzantemy

• Guzowatość chryzantemy




Klasyfikacja bakterii dla potrzeb diagnostycznych

• Wg. Bergey's Hannah oh Systenic Bacteriology bakterie (Bacteria) stanowią 1 z 3 domen, na które podzielono wszystkie organizmy prokariotyczne. Domeny podzielone są na : typy (phylum), klasy, rzędy, rodziny, rodzaje i gatunki.

• Do celów identyfikacji i diagnostyki bakterii filopatogenicznych wyodrębniono 4 kategorie podzielone na grupy (35), w których wydzielono rodzaje i gatunki.

• Podstawą tej klasyfikacji jest analiza sekwencji 16S rDNA (pokrewieństwo filogenetyczne)

Bakterie powodujące choroby roślin znajdują się w 3 typach




2. Proteobacteria

3. Firmicutes

4. Actinobacteria




Diagnostyka bakterii chorobotwórczych roślin.

Wszystkie bakterie patogeniczne dla roślin spełniają podstawy Kocha.

Podstawy metod diagnostycznych;

1. Symptomologia

2. Etiologiczna ….

Testem do bezpośredniej identyfikacji patogenu jest jego izolacja z zakażonej rośliny i poddanie testom, np. serologicznym.

Po udowodnieniu, że badany izolat bakterii jest patogenem określa się jego cechy fenotypowe.

• Barwienie Gramma (traktowanie 3% KOH)

• Morfologia kolonii

• Morfologia komórek bakteryjnych 9kształt, urzęsienie)

• Cechy fizjologiczne, np. charakterystyka wzrostu w różnych temperaturach.

• Cechy biochemiczne, ekspresja różnych systemów enzymatycznych, np. zdolność do wykorzystywania różnych źródeł węgla i azotu.

Testy serologiczne

• Aglutynacja - zlepiania komórki bakterii pod wpływem działania swoistych przeciwciał.

Najpopularniejszą wersją jest DAS-ELISA.

• Immunofluorescencja (IF)

Diagnostyka biochemiczna

Analiza kwasów tłuszczowych (FAME) bakterie zawierające lipidy stanowiące 0,2-50% ich suchej masy (zwykle 5%) występujące głównie w ścianie komórkowej. W analizie ważne są te, które zawierają zestryfikowane kwasy tłuszczowe (fosfolipidy, lipidy A w liposacharydach oraz β-polyhydromaślany).

Analizę przeprowadza się metodą chromatografii gazowej w wyniku, której otrzymuje się profile zawartości kwasów tłuszczowych badanych bakterii.

Uzyskane dane są następnie porównywalne z komputerową bazą danych szczepów referencyjnych i na podstawie analizy podobieństwa wyrażanego w % identyfikuje się dany izolat.

Do analizy cech biochemicznych używa się AP/20E, AP/50CH.

Charakterystyczne są przebarwienia, które porównuje się ze specjalną tabelą identyfikacyjną.

Techniki molekularne

Hybrydyzacja kwasów nukleinowych.

Sondy molekularne (jednoniciowe aa, sztucznie wytworzone fragmenty DNA, kompletne w stosunku do poszukiwanego kwasu nukleinowego lub jego odcinka o reprezentatywnej sekwencji identyfikowanej bakterii).

PCR - łańcuchowa reakcja polimerazy, reakcja polega na selektywnym zwielokrotnieniu wybranych regionów DNA w warunkach in vitro. W fitopatologii PCR wykonuje się m.in. w identyfikacji i określaniu pokrewieństwa patogenów roślin oraz jako technikę pomocniczą w wykrywaniu patogenów.

OCHRONA ROŚLIN

1. Podstawowe zasady zapobiegania i zwalczania chorób bakteryjnych.

• Wybór metody powinien być oparty na znajomości specyficznych cech bakterii, ich zdolności chorobotwórczych
  i możliwości przeżywania na roślinach, w tkankach roślin i poza roślinami - gospodarzami;

• Działania ochronne powinny obejmować lokalizację i eliminację pierwotnego źródła infekcji;

• Eradykacja - wyniszczanie patogenu przez całkowite usunięcie jego rośliny—gospodarza lub porażonych roślin;

• Produkcja materiału siewnego powinna być ograniczona dla terenów wolnych od chorób przenoszonych przez nasiona - lustracja, indeksacja nasion;

• Uprawa odmian odpornych i/lub tolerancyjnych;

• Chemiczna ochrona, głównie związki miedzi (wodorotlenek, tlenochlorek, siarczan miedzi - sól bordowska)

2. Stosowanie antybiotyków

Rośliny dobrze reagują na antybiotykoterapię. W UE stosowanie antybiotyków do ochrony roślin jest zabronione od
1 stycznia 2005r.; w sytuacjach szczególnych doraźna decyzja o użyciu pozostaje w gestii ministra rolnictwa danego państwa. Zakaz stosowania antybiotyków przy zwalczaniu chorób bakteryjnych roślin (szczególnie w przypadku roślin uprawnych) wynika z możliwości wywołania antybiotykoodporności u ludzi.

Zaleca się zapobieganie wprowadzania i rozprzestrzeniania się patogenów bakteryjnych na drodze procedury kwarantannowej i środków prawnych:

• Siew i sadzenie tylko materiału ze świadectwem zdrowotności i paszportem pochodzenia;

• Stosowanie zabiegów agrotechnicznych;

• Stosowanie metod biologicznych.

3. Biologiczna ochrona roślin

• Ograniczenie rozwoju i/lub występowania patogenów roślin za pomocą czynników biologicznych, np. grzybów, wirusów z wyłączeniem hodowli odpornościowej;

• Metoda jest oparta o antagonizm występowania miedzy organizmami (antybiozie, współzawodnictwie o pokarm i/lub miejsce, pasożytnictwie), a także indukowaniu odporności poprzez traktowanie rośliny odpowiednim mikroorganizmem;

• Określone szczepy bakterii wykorzystuje się obecnie do ochrony roślin przed bakteriozami;

• Działanie bakterii w takich przypadkach dzielimy na działanie bezpośrednie i pośrednie.

4. Szczepy bakterii w ochronie roślin przed chorobami infekcyjnymi.

1. Działanie bezpośrednie wykazują bakterie antagonistyczne w stosunku do patogenów roślinnych i może ona polegać na : antybiozie, współzawodnictwie o pokarm i/lub miejsce, pasożytnictwie.

Antybioza - wydzielanie do środowiska specyficznych metabolitów, np. czynników litycznych, enzymów, związków lotnych, substancji toksycznych, antybiotyków, które nawet w bardzo niskich stężeniach hamują wzrost innych bakterii.

Pseudomonas syringae wytwarza syringomycynę, antybiotyk toksyczny dla grzybów Opistoma ulmi.

Bacillus subtilis wykazuje antybiozę w stosunku do Erwinia amylovora i Pseudomonas syringae.

2. Działanie pośrednie wykazują bakterii stymulujące wzrost i plonowanie roślin.

• Np. pseudomonas sp. odgrywa istotną rolę w tzw. glebach odpornych; bakterie te wytwarzają i wydzielają do gleby sidenofory, które wychwytują jony Fe ze środowiska, co sprzyja rozwojowi roślin (roślina może pobierać bakteryjne sidenofory ze związkami Fe;

• Konkurencja

• Konkurencja i/lub pasożytnictwo

Metoda agrotechniczna

• Odpowiednie zmianowanie, np. przez zachowanie przynajmniej 6-letniej rotacji upraw szkółkarskich drzew owocowych i krzewów róży ze względu na guzowatość korzeni (przeżywanie bakterii w glebie)

• Właściwe nawadnianie, np. przez unikanie nawadniania deszczówką w sadach o szkółkach zagrożonych zarazą ogniową

• Regulacja nawożenia, np. ograniczanie nawożenia azotem, a zwiększenie potasem w sadach i szkółkach zagrożonych zarazą ogniową

• Inne zabiegi agrotechniczne, np. usuwanie kwiatów wtórnych u jabłoni w celu uniknięcia infekcji wtórnych przez Erwinia amylovora.

Hodowla odpornościowa

Hodowla konwencjonalna

Ocena zasobów genowych




- stare odmiany

- dzikie gatunki

- odmiany aktualnie w rejestrze




- krzyżowanie w celu wprowadzenia genów odporności

Transformacja

• Terapia genowa

• Markery molekularne

Transformacja jabłoni i gruszy genów odporności przeciwko zarazie ogniowej. Źródła obcych genów związanie z odpornościowe.

Produkty genu pochodzące z bakteriofaga gEa1h.

Białko jaja kurzego: lizozym, białko antybakteryjne.

Wyciszanie genów kodujących DIPM - białka z grupy kinaz wytwarzane przez jabłonie i innych gospodarzy E. amylovora, wchodzące w interakcje z białkiem DspE.

Na bazie harpiny opracowano preparat Messengas, który stosowany na jabłonie w fazie różowego pąka i w pełni kwitnienia.

Inne strategie: transformacja roślin genem kodującym harpinę (hrpN) = wywołanie reakcji HR indukowanie odporności.

G R Z Y B Y

Grzyby stanowią największą grupę patogenów roślinnych.

Każda roślina jest podatna na chorobotwórcze działanie przynajmniej 1 gatunku grzyba, a większość roślin jest podatna na wiele gatunków grzybów.

Wszystkie grzyby są heterotrofami

• Odżywiające się materią żywą nazywamy pasożytami

• Odżywiające się materią martwą - roztoczami lub saprofitami

Wśród grzybów pasożytniczych występują

• Pasożyty bezwzględne (obligatoryjne) odżywiające się tylko materią żywą

• Pasożyty względne (okolicznościowe) odżywiające się w zależności od okoliczności materią żywą lub martwą

• Nekrotrofy odżywiające się tylko materią martwą, ale same doprowadzają do śmierci komórki, a następnie wykorzystują je jako źródło substancji pokarmowych, np. szara pleśń wywoływana przez Botrytis cinerea

Patogeny grzybowe są stosunkowo łatwe do zlokalizowania, gdyż porażona roślina wykazuje obok objawów typu: plamistości, zgnilizny, nekrozy; objawy etiologiczne takie jak obecność charakterystycznego dla danego grzyba zarodników, plechy.

Rhizoctonia solani powodująca antraknozę może powodować zróżnicowanie objawy w zależności od gatunku gospodarza i rodzaju infekowanej tkanki.

Grzyby rozmnażają się za pomocą zarodników w zależności od tego czy zarodniki mogą zaraz kiełkować czy musza przejść okres spoczynku, rozróżnia się zarodniki propagacyjne służące do rozprzestrzeniania się grzyba i zarodniki przetrwalnikowe.

Obydwa typy zarodników mogą powstawać na drodze :

• Płciowej (zarodniki workowe, podstawkowe)

• Bezpłciowej - wegetatywnej (konidia, oidia)

Zarodnikowanie płciowe nazywany zarodnikowaniem głównym, a bezpłciowe zarodnikowaniem ubocznym.

Jeśli zarodnik tworzy się wewnątrz strzępek to są to endospory ( zarodniki workowe), a jeśli na zewnątrz strzępki to są to egzospory (konidia, zarodniki podstawkowe).

Jeżeli zarodniki tworzą się wewnątrz strzępek to są to endospory, np. zarodniki workowe (konidia, zarodniki podstawkowe).

Formą zarodników ubocznych są:

• Oidia - cienkościenne zarodniki propagacyjne powstałe przez rozpad strzępek wegetatywnych na fragmenty.

• Chlamydospory - zarodniki grubościenne o charakterze przetrwalnikowym powstające na tej samej drodze.

Anamorfa - stadium wegetatywne (niedoskonałe) odznacza się brakiem zarodników powstałych drogą zarodnikowania płciowego.

Telomorfa - płciowe stadium grzyba, np. owocniki zawierają ….. z zarodnikami powstałymi na drodze płciowej.

Konidium - zarodnik wegetatywny powstający zazwyczaj na konidioforze.

Płciowy i bezpłciowy sposób tworzenia zarodników powoduje, że przy określeniu grzybowego czynnika chorobotwórczego podaje się obok nazwy systematycznej, rodzaj zarodników.

Zarodniki uboczne często maja własną nazwę, np.

• Thanathephorus cucmeris to stadium konidialne Rhizoctonia solani.

• Botrytis cinerea to stadium konidialne Botryotina.

Systematyka patogenów grzybowych nie została jeszcze opracowana.

Przyczyny:

• Patogeny roślin występują we wszystkich jednostkach systematycznych grzybów.

• Grzyby mają z reguły skomplikowane cykle rozwojowe, np. cykl rozwojowy raka drzew, kędzierzawki, głowni, zarazy ziemniaczanej itd.

• Często nie jest znany pełny cykl życiowy grzyba (po jego ustaleniu następuje zwykle zmiana jego usytuowania systematycznego)

Testem do bezpośredniej identyfikacji patogenu grzybowego jest jego izolacja z zakażonej rośliny na specyficzne podłoże (identyfikacja), a następnie zakażenie zdrowej rośliny uzyskanym szczepem.

Jest to możliwe gdyż patogeny grzybowe stosują się do reguły Kocha (diagnostyka chorób infekcyjnych).

Z uwagi na znaczenie chorób odgrzybowych opracowano też metody biochemiczne, immunologiczne i genetyczne identyfikacji wielu patogenów grzybowych.

Zakażenie roślin przez grzyby patogeniczne jest zakażeniem czynnym. Oznacza to, że może ono zachodzić przez:

• nieuszkodzoną skórkę

• naturalne otwory (szparki, przetchlinki, hydatody, pęknięcia)

• rany

W Y K Ł A D 8

Grzyby

Infekcja przez nieuszkodzone tkanki okrywające jest możliwa, ponieważ grzyby w odróżnieniu od innych patogenów mają możliwość enzymatycznego degradowania związków stanowiących składniki kutykuli i ściany komórkowej komórek epidermy.

Kutynazy wydzielane na zewnątrz strzępki ułatwiają grzybom patogenicznym penetrację tkanek okrywających komórki roślinne.

Zakażenie rośliny najczęściej odbywa się przez zarodniki, rzadziej przez grzybnię. Bardzo często jeden gatunek grzyba może infekować roślinę na kilka sposobów.

Kiełkowanie zarodników zależy od warunków środowiska zewnętrznego (głównie wilgotności). Z tego względu zakażeniu roślin przez grzyby sprzyjają opady deszczu.

Zarodniki większości grzybów kiełkują w kropli wody, wyjątkiem są zarodniki mączniaków prawdziwych, które kiełkują nawet w warunkach niskiej wilgotności. Zarodniki mączniaka prawdziwego mogą kiełkować w niskiej wilgotności, gdyż zawierają 55-75% wody, podczas gdy zarodniki innych grzybów tylko ok. 20%.

Ścisła zależność kiełkowania zarodników od zakażenia organów roślinnych umożliwia określenie tzw. okresów krytycznych, w których występuje zwiększone ryzyko zakażenia rośliny przez dany patogen grzybowy, np. Venturia inaegnalis (stadium konidialne Spilocea pomi) powodujący parch jabłoni zakaża zwykle jabłoń w czasie 9-48 godzin zależnie od występującej temperatury. Optymalna temperatura umożliwiająca zakażenie w ciągu 9 godzin to temperatura 17-24 ºC. Warunkiem zakażenia jest to, że liście jabłoni w tym czasie są wilgotne.

Kiełkowanie zarodników w mniejszym stopniu zależy od temperatury otoczenia. Większość zarodników kiełkuje w szerokim spektrum temperatury, od kilku do 20 a nawet 30ºC. Patogen Phytopfthora infestans temperatura minimalna - 2-3ºC, temperatura optymalna - 12-16ºC, temperatura maksymalna - 25-26ºC.

Światło i pH w procesie kiełkowania mają małe znaczenie. Zarodniki kiełkują zarówno w ciemności jak i na świetle.
Zakres pH w granicach 4,5-7,0 jest optymalny dla większości grzybów.

Penetracja tkanki przez patogen grzybowy

W warunkach odpowiedniej wilgotności zarodnik grzyba pęcznieje, w miejscu wzrostu strzępki tworzy się wypukłość, której później wyrasta strzępka kiełkowa (rostkowa). Kiełkujący zarodnik przytwierdza się do podłoża za pomocą przycistki (przylgi, appressorium). Przycistka tworzy się na końcu strzępki kiełkowej pod wpływem mechanicznego kontaktu zarodnika z podłożem, może mieć różny kształt. Przycistka często wytwarza substancję kleistą zapobiegającą zmyciu kiełkującego zarodnika z powierzchni organu rośliny, np. przez krople deszczu. Z przycistki wyrasta strzępka infekcyjna (klin infekcyjny) przystosowana do penetracji kutikuli i ściany komórkowej. Strzępka infekcyjna jest bardzo cienka, charakteryzuje się zaokrąglonym wierzchołkiem, który nie jest pokryty ścianą komórkową, co ułatwia wydzielanie na zewnątrz strzępki enzymów zaangażowanych w proces lityczny kutikuli i ściany komórkowej. Po przejściu przez kutynę i ścianę komórkową komórki roślinnej strzępka rozwija się w grzybnię o strzępkach prawidłowych (o normalnej grubości, zwykle kilka razy grubszych niż strzępka infekcyjna).

Wnikanie strzępki infekcyjnej do komórki roślinnej jest wypadkową 2 procesów:

1. Nacisku szybko rosnącej strzępki infekcyjnej

2. Działania grzybowych enzymów litycznych

Enzymy lityczne wydzielane przez strzępkę grzyba to głównie enzymy rozkładające kutynę i związki budujące ścianę komórkową komórek roślinnych.

Główne działające tu enzymy to:

• Esteraza kutynowa

• Pektynazy (metyloesteraza pektynowa, metylopoligalakturonaza)

• Celulazy

• Hemicelulazy

• Enzymy ligninolityczne i proteolityczne

Enzymy rozkładające węglowodany (skrobię) i rozkładające lipidy funkcjonują zarówno w procesie infekcji jak i kolonizacji przez patogen tkanek roślinnych.

Grzyby wykazują znaczne zróżnicowanie sposobów pasożytowania wewnątrzkomórkowego.

Wyróżniamy:

• Pełne endobionty - grzybnia wrasta w komórki, np. Plasmodipora brassicae (kiła kapusty)

• Częściowe endobionty - tylko część grzybni wrasta w komórki roślinne, np. mączniaki, grzyby z rodzaju Ustilaginales, polifagiczne grzyby z rodzaju Verticillium.

W przypadku częściowych endobiontów grzybnia głównie rozrasta się na powierzchni organu roślinnego i w przestworach międzykomórkowych. Do komórek wrastają strzępki przekształcone w ssawki (haustoria). W tym czasie następuje nawiązanie pełnego kontaktu pasożytniczego grzyb-roślina.

Ssawki to organy typowe dla grzybowych pasożytów bezwzględnych. Najczęściej spotykane z tej grupy patogeny to grzyby patogeniczne z rodzaju:




• Uredinales

• Erysiphales

• Peronosporales

• Verticillium




Ssawki to przekształcone strzępki grzybni za pomocą których grzyb pobiera z komórki roślinnej substancje odżywcze i wodę. Ssawki mogą być prostymi lub rozgałęzionymi strzępkami o kształcie buławkowatym, gruszkowatym, bulwiastym, kłębka splątanych nici czy tworów palczasto-rozgałęzionych.

Pobieranie substancji pokarmowych przez grzyb odbywa się na powierzchni styku ssawki grzyba i protoplastu komórki roślinnej, stąd dla pasożyta ważne jest by powierzchnia styku była jak największa.

Budowa ssawki jest cechą charakterystyczną dla określonego rodzaju grzyba. Występujące różnice w budowie ssawki nie mają wpływu na jej funkcjonowanie.

Najczęściej ssawka zbudowana jest z:

• Korpusu ssawki

• Szyjki ssawki (nie wszystkie grzyby ją tworzą)

U niektórych grzybów ssawki mają bardziej zróżnicowaną budowę, w której wyróżnia się obok samej ssawki błonę zewnątrzssawkową, kołnierz i otoczkę.

Ssawka wrastając w komórkę przebija tylko ścianę komórkową (nie przebija błony komórkowej). Błona komórkowa komórki roślinnej pod naciskiem ssawki cofa się, ulega pofałdowaniu i otacza ssawkę. Między powierzchnią ssawki a błoną komórkową komórki roślinnej tworzy się pęcherz wypełniony płynną treścią lub żelem. W miejscu przebicia ściany komórkowej rośliny przez ssawkę i bezpośrednio pod tym miejscem tworzy się w wyniku reakcji obronnej komórki roślinnej kołnierz (najczęściej wokół szyjki ssawki).

• Kołnierz powstaje z brodawki utworzonej między ścianą komórkową a błoną plazmatyczną komórki roślinnej

• Ssawka otoczona jest ścianą komórkową, która w pierwszej fazie infekcji jest przedłużeniem ściany komórkowej rośliny, a w późniejszym czasie jest wytwarzana przez grzyb

• Błona zewnątrzssawkowa powstaje w wyniku stopniowego uwypuklenia się błony cytoplazmatycznej gospodarza i stanowi granicę między cytoplazmą komórki roślinnej a otoczką ssawki (lub kołnierza)

• U niektórych mączniaków ssawka może łączyć się z przycistką (w tym przypadku ssawka powstaje bezpośrednio w wyniku przekształcenia strzępek infekcyjnych wyrastających i przycistki)

Grzyby - wnikanie przez naturalne otwory

Grzyby najczęściej wnikają przez szparki, rzadziej przez przetchlinki i hydatody.

Zakażenie przez szparki może nastąpić w różny sposób, np.:

1. Zarodniki grzybów rdzawnikowatych (Uredinales) ecjospory i urediniospory kiełkują na powierzchni liścia, a po dotarciu do szparki tworzą przycistkę

2. W przycistce gromadzi się większa część protoplazmy zarodnika i strzępki kiełkowej

3. Przycistka odcina się od strzępki poprzeczną ścianą

4. Z dolnej części przycistki wyrasta cienka strzępka infekcyjna przenikająca przez otwartą lub zamkniętą szparkę do komory szparkowej

W komorze szparkowej strzępka infekcyjna zwiększa swoją objętość i wytwarza strzępki rosnące w różnych kierunkach w przestworach międzykomórkowych tkanki miękiszowej gospodarza. Odgałęzienia strzępek mogą wrastać do komórek rośliny tworząc ssawki (haustoria), następuje nawiązanie pełnego kontaktu grzyba pasożytniczego grzyb - roślina.

Cercospora beticola (patogen grzybowy powodujący chwościk buraka) wnika do tkanek gospodarza przez szparki i przez komórki skórki znajdujące się w bezpośrednim sąsiedztwie szparki. Przez szparki wnikają do liści zarodniki pływkowe Plasmopara viticola (mączniak rzekomy winorośli). Ruch zarodników pływkowych w kierunku szparki jest stymulowany przez związki wydzielane przez szparkę. W komorze szparkowej zarodnik pływkowy przestaje się poruszać i kiełkuje. Powstaje strzępka infekcyjna, która wrasta w tkankę liścia, np. mączniak rzekomy winorośli, wytwarza też haustoria).

Mniejszą rolę w patogenezie chorób grzybowych ma zakażenie przez hydatody. W tym przypadku zarodnik kiełkuje w kropli cieczy wydzielanej przez roślinę zakażenie przez przetchlinki odbywa się na tej samej zasadzie co przez rany.

Grzyby - wnikanie przez rany

Zakażeniu przez zranienia najczęściej ulegają organy trwałe drzew i krzewów (Pezicula malicorticis - gorzka zgnilizna jabłek, Nectria galligena - rak drzew i zgnilizna jabłek, Chondrostareum purpureum - srebrzystość liści) oraz organy gromadzące substancje zapasowe (bulwy, cebule, korzenie, kłącza itp.).

Zakażone części roślin ulegają rozkładowi stąd częste objawy takiego zakażenia to:

• Zgorzele

• Zgnilizny, np. zgnilizna mokra ziemniaka, fuzaryjna sucha zgnilizna bulwy ziemniaka

• Zrakowacenia

Inne drogi wnikania grzybów do organizmów roślin

Wnikanie może odbywać się przez infekcję korzeni włośnikowych:

• Włośniki nie posiadają kutikuli i stąd mogą być łatwo infekowane przez grzyby bytujące w glebie (z rodzaju Fusarium, Verticillium, Plasmodiphora - Plasmodiphora brassicae - kiła kapusty).

• Zakażenie może nastąpić przez zarodniki albo przez grzybnię. Thanatheporus cucmeris (Rhizoctonia solani) tworzy na powierzchni korzeni splot zbitej grzybni, a następnie strzępki wrastają w miękisz korowy korzenia.

Wnikanie przez kiełki

Infekcja zachodzi najczęściej przez zarodniki, np. teliospory śnieci cuchnącej pszenicy (Tillatia caries) głownie zwarte większości zbóż.

Zarodniki rozwijają się w porażonych kiełkach, a objawy chorobowe na roślinie pojawiają się dopiero w chwili, gdy roślina zaczyna wytwarzać organy generatywne (kwiaty), np. Tilliata caries.

Wnikanie przez organy kwiatowe

W tym przypadku następuje infekcja słupka lub pręcików.

• Zarodniki Monillina laxa i Monillina fructigena (brunatna zgnilizna drzew pestkowych) kiełkują na słupkach i pręcikach

• Strzępka infekcyjna wrasta w szyjkę słupka lub nitkę pręcika do kielicha, a następnie do szypułki kwiatowej i dalej do krótkopędu, np. Monillina laxa - objaw porażenia krótkopędu czereśni

Przez słupki zakażają głownie pylące, np. kukurydzy, pszenicy, jęczmienia (Ustilago nuda)

Grzyby - rola toksyn grzybowych (mikotoksyn) w patogenezie chorób roślin

Toksyny to produkty metabolizmu patogenów (działają toksycznie w kierunku komórek żywiciela).
Toksyny (patotoksyny) dzielimy na specyficzne i niespecyficzne

• Specyficzne są wytwarzane przez określony typ grzyba

• Niespecyficzne to związki o podobnym działaniu wytwarzane przez wiele rodzajów grzybów (np. Fusarium, Alternaria, Botrytis, Ascochyta, Cercospora, Ceratocystis, Endothia, Fusicoccum, Rhytophthora)

Przykłady toksyn specyficznych:

• Cochliobolus victriae (stadium konidalne Helminthospirum victoriae) powoduje zgniliznę podstawy źdźbła zbóż wytw. wiktorynę.

• Toksyna powoduje plamistość i zgorzel źdźbła zbóż

• Stopień patogeniczności grzyba jest ściśle związany z ilością wytwarzanej wiktoryny

• Wiktoryna jest polipeptydem i wywołuje objawy chorobowe już w stężeniu 0,2 ppm.

Mechanizm działania wiktoryny polega na:

1. Zmianie przepuszczalności błon cytoplazmatycznych komórki gospodarza

2. Zmianie funkcjonowania enzymów i fitohormonów, co bezpośrednio powoduje zahamowanie:




• Wzrostu korzeni

• Transpiracji

• Działania toksyn




Do toksyn specyficznych należy również koletonina wytwarzana przez Colletotrichum fuscum (antralinoza roślin z rodziny Digitalis).

Przykłady toksyn niespecyficznych:

• Lykomarazmina ( wytwarzana przez Fusarium oxysporum i Fusarium lycopersici) jest dipeptydem (C₉H₁₅O₇N₃) powoduje więdnięcie, nekrozy blaszek liściowych między nerwami i zwijanie się liści

• Kwas fuzariowy wytwarzany przez wszystkie grzyby z rodzaju Fusarium powoduje brunatnienie wiązek przewodzących i więdnięcie roślin

• Kwas alternariowy (Alternaria solani) powoduje plamistość liści pomidora i ziemniaka, wywołuje chlorozę liści

Grzyby - zmiany na poziomie cytologicznym w komórkach gospodarza

Zmiany cytologiczne obserwowane w komórce gospodarza zostały najlepiej poznane w przypadku grzybów rdzawnikowatych (Uredinales)

Grzyby rdzawnikowate charakteryzują się polimorfizmem (wielopostaciowością) zarodników.

Pełny cykl życiowy tych grzybów wiąże się z wytworzeniem:




• Piknidospor

• Encjospor

• Ureidinospor

• Teliospor

• Basidospor




Zmiany na poziomie cytologicznym w komórkach gospodarza uzależnione są od:




• Rodzaju infekujących zarodników

• Miejsca i sposobu wnikania strzępek

• Fazy choroby

• Rodzaju wydzielanych toksyn




Ogólne zmiany na poziomie cytologicznym w zainfekowanych komórkach gospodarza, w których stwierdza się obecność ssawek to:

• Zwiększenie struktur ER i przemieszczanie się ich w pobliże ssawki

• Wzrost liczby pęcherzyków aparatu Golgiego w pobliżu ssawki

• Grupowanie się plastydów wokół ssawki

• Spadek zawartości skrobi w plastydach (hydroliza skrobi przez β-amylazę grzyba lub stymulacja aktywności przez grzyb β-amylazy roślinnej)

• Degradacja chloroplastów - rozpad tylakoidów i wzrost liczby plastoglobul

• Powiększanie się rozmiaru jądra komórkowego i w końcowej fazie jego rozpad

Najczęściej występujące w Polsce choroby grzybowe roślin:




• Mączniak prawdziwy

• Mączniak rzekomy

• Zaraza ziemniaczana - fytoftoroza

• Parch ziemniaka, jabłoni

• Rdza igieł sosny

• Fuzarioza

• Brunatna zgnilizna owoców pestkowych

• Monilioza (grusza)

• Smołowata plamistość klonu - Rhytisma acerarum

• Brunatna pleśń śniegowca np. na trawniku

• Plamistość łusek żywotnika

• Osutka igieł sosny

• Biała plamistość gruszy




Najczęściej występujące choroby grzybowe zbóż:

• Głownie pylące

Główne grupy mikotoksyn

Zwalczanie chorób odgrzybowych jest ważne nie tylko z uwagi na straty w produkcji ….

Mykotoksyny wytwarzane przez Fusarium sp. :




• Toksyna T-2

• Toksyna HT-2

• Zearalenon

• Niwalenol

• Fumonisiny




• Deoksyniwalenol (DON, womitoksyna)

Działanie na organizm człowieka:

1. Zaburzenia metabolizmu lipidów

• Blokowanie metabolizmu sfingolipidów - w wyniku inhibicji syntazy ceramidowej

• Blokowanie metabolizmu glicerofosfolipidów

• Zaburzenia przemian kwasów tłuszczowych

2. Indukcja procesów prooksydacyjnych

3. Genotoksyczność - zmiana ekspresji genów

Mikotoksyny:

• ochratoksyna - dipeptyd L-fenyloalaniny i kwasu izokumarynowego. Występuje w ziarnie wszystkich odmian zbóż
  i w produkowanych z nich wytworów spożywczych i paszowych

Ma działanie:




• Immunosupresyjne

• Genotoksyczne

• Kancerogenne

• Teratogenne




Okres półtrwania w organizmie człowieka wynosi 840 godzin

Głównie powoduje:

1. Niewydolność nerek (uszkodzenia błon kanalików nerkowych)

2. Nowotwory nerek i pęcherza

• zearalenon - toksyczne działanie związku wynika z obecności w jego strukturze bardzo trwałego (nie podlegającego hydrolizie) pierścienia makrocyklicznego (połączenie pierścienia laktonowego z pierścieniem rezorcyny) co upodabnia związek do hormonów sterydowych człowieka - wywołuje tzw. syndrom estrogenowy.
  Występuje w ziarnie wszystkich odmian zbóż - głównie w ziarnie kukurydzy, silnie zaburza metabolizm lipidów.

Głównie powoduje:

1. Nowotwory wątroby

2. Nowotwory nerek

• aflatoksyna - o toksyczności aflatoksyn decyduje obecność w ich strukturze pierścienia laktamowego tworzącego z pierścieniem benzenowym układ charakterystyczny dla kumaryny oraz obecność 2 pierścieni furanowych (struktura jest bardzo trwała).

Obecność aflatoksyn stwierdza się w:




• Orzeszkach ziemnych

• Migdałach

• Ziarniakach zbóż

• Sorgo

• Soi

• Kukurydzy

• Orzechach włoskich

• Śrutach z nasion roślin oleistych

• Przyprawach

• Mące

• Produktach mlecznych




Mikoryza

W ekosystemach użytkowanych przez człowieka w wyniku nawożenia, odprowadzania plonów i nawadniania może nastąpić eliminacja lub zmiana składu jakościowego i ilościowego mikroorganizmów glebowych, a w tym grzybów wchodzących w układy symbiotyczne z roślinami.

Obecnie trwają badania nad skutkami celowego wprowadzania określonych typów grzybów do siedlisk uprawnych (poprawa plonów).

Grzyby wprowadza się pod postacią szczepionki (indula).

W USA i Europie Zachodniej jest to gałąź gospodarki tzw. „przemysł mikoryzowy” (efektywne mikroorganizmy - probiotyki).

Skuteczna szczepionka powinna:

• Zawierać odpowiedni rodzaj grzyba (liczba gatunków grzybów w jednej szczepionce powinna być ograniczona)

• Grzyb powinien pochodzić z tych samych ekosystemów, co rośliny podlegające mikoryzacji, ale nie z naturalnego siedliska, tylko z banku genów (namnażanie in vitro)

• Sposób przygotowania powinien zapewniać wysoką żywotność grzyba

• Powinna być przygotowana dla konkretnej grupy roślin lub nawet dla ściśle określonej odmiany z danego gatunku roślin

Formy szczepionek mogą być różne:




• Zarodniki (spory)

• Żywe strzępki (propagule)

• Mieszane - strzępki i zarodniki




Jeżeli szczepionka zawiera spory, to efekt uzyskuje się po 3-4 tyg., w przypadku propaguli po kilku dniach.

Efektywność mikoryzy zależy od:




• Rodzaju szczepionki

• Metody jej zastosowania

• Stadium rozwojowego rośliny

• Metody uprawy roślin

• Obecności innych roślin




Najczęściej używane szczepionki zawierają grzyby formujące mikoryzę niespecyficzną (na równi z drzewami liściastymi i iglastymi):




• Lakówka pospolita

• Włosianka rosista

• Purchawka




Utrzymanie odpowiedniej równowagi między roślinami a grzybami mikoryzowymi powoduje wzrost plonów. W związku z tym stosowanie szczepionek mikoryzowych jest zalecane w ramach programu zrównoważonego rolnictwa. Skuteczność szczepienia mikoryzowego jest związana z:

• Stosowanie nawożeniem związkami fosforu tylko w czasie indukcji i tworzenia korzeni

• Dostarczenie szczepionki w odpowiedniej ilości…

Ograniczeniami w stosowaniu szczepionek jest brak równowagi między rośliną a grzybem (roślina zbyt młoda nie jest w stanie dostarczyć grzybowi potrzebnych związków i szybko rosnąca strzępka może stać się częściowym pasożytem - roślina więcej traci niż zyskuje).

Najlepiej inokulować rośliny dojrzałe.

Efekty mikoryzacji:

• Do pozytywnych efektów stosowania mikoryzy w uprawie zaliczamy:

• Obniżenie lub całkowita eliminacja chemizacji: niższe nawożenie (głównie nawozami sztucznymi zawierającymi fosfor)

• Ograniczenie środków ochrony roślin (fungicydy, pestycydy)

• Eliminacja środków chemicznych stosowanych do odkwaszania gleb

• Przywracanie równowagi biologicznej

• Lepszy wzrost części nadziemnej i podziemnej (truskawka, jabłoń, pelargonia, borówka)

• Podwyższona tolerancja roślin na stresy (borówka amerykańska, żurawina, różanecznik, pelargonia)

Funkcje mikoryzy

1. Mikoryza zwiększa powierzchnię chłonną korzenia, czego wynikiem jest ułatwione pobieranie…

2. Ustabilizowana symbioza…

Efektem tego jest zwiększona aktywność fotosyntetyczna …

Wpływ mikoryzy na podatność roślin na stres biotyczny:

Wzrost odporności: nekrotrofy…

Wzrost podatności: biotrofy i szkodniki owadzie żerujące na soku floemowym

W y k ł a d 9

P A S O Ż Y T N I C Z E R O Ś L I N Y N A S I E N N E

Rośliny pasożytnicze stanowią ok. 1% wszystkich roślin nasiennych, wyłącznie dwuliściennych.

Rośliny tego typu występują w stosunkowo niewielkiej liczebności (obecnie znamy ok. 4 tys. gatunków z 22 rodzin roślin), głównie na terenach o ciepłym i tropikalnym klimacie.

20% to pasożyty całkowite, z czego:

• 60% to rośliny pasożytujące na korzeniach

• 40% na łodygach

Większość pasożytów to rośliny zielne, kilka to zdrewniałe (jemioła), a sandałowiec jest drzewem.

W Polsce jest ich niewiele i tylko lokalnie wywołują większe szkody (głównie, jako wektory chorób wirusowych, bakteryjnych i grzybowych).

Gatunki występujące w Polsce należą do 3 rodzin:

1. Kaniankowate Cuscutaceae (pasożyty całkowite, nie posiadają wykształconych korzeni, nie wytwarzają chlorofilu)

2. Trędownikowate Scrophulariaceae (półpasożyty)

3. Gązewnikowate Loranthaceae (półpasożyty)

Pasożyty mogą zmniejszać plon nawet o 30%.

Najważniejsze pasożyty (z uwagi na straty ekonomiczne) to pasożyty z rodzaju Striga, pasożytujące na zbożach i orzechach ziemnych w Afryce, Azji i Ameryce.

Część pasożytniczych roślin nasiennych może rozwijać się bez żywiciela, ale ich wzrost jest wtedy znacznie ograniczony, podobnie jak kwitnienie i wytwarzanie nasion.

Optymalne warunki do wzrostu i rozwoju występują tylko po nawiązaniu kontaktu z żywicielem.

Nasiona roślin pasożytujących na korzeniach kiełkują tylko w obecności odpowiedniego sygnału chemicznego (ksenognozydu).

Ksenognozydy to związki wydzielane przez gospodarza do środowiska (najczęściej przez korzenie żywiciela). Ksenognozydy mogą mieć różny charakter chemiczny, np. mogą być związkami lotnymi (β-felandren i β-minen).

Ksenognozydy typu strigogalaktozydy, np. strigol uwalniane przez korzenie roślin stymulują kiełkowanie gatunków pasożytniczych Striga i Orobanche.

Po wykiełkowaniu z nasiona wyrasta krótki korzeń zarodkowy, który wchodzi w bezpośredni kontakt z włośnikami korzenia rośliny żywicielskiej (jeśli nie ma takiego kontaktu to kiełkujące nasiono zamiera).

Po dotarcie do włośnika przykleja się do niego i następuje penetracja włośnika w wyniku nacisku mechanicznego i/lub działanie enzymów hydrolizujących składniki ściany komórkowej żywiciela.

Jednym z pierwszych etapów nawiązywania kontaktu pasożytniczego jest wytworzenia pierwotnego haustorium.

Proces ten trwa, aż do momentu dotarcia pierwotnego haustorium do naczyń żywiciela i wytworzenia haustorium wtórnego.

Nasiona pasożytów kiełkujące na częściach nadziemnych rośliny po zetknięciu z żywicielem, np. kora, wytwarzają przycistki, z których wyrastają nitkowate ssawki wrastające w tkanki żywiciela.

Strukturą odpowiedzialną za bezpośrednie i pełne nawiązanie kontaktu pasożytniczego jest wytworzone przez pasożyta haustorium.

Niektóre rośliny pasożytnicze nie wytwarzają haustoriów tylko liczne i cienkie pasma podobne do strzępek grzyba, które przerastają komórki kory i kambium korzenia gospodarza.

Pasożyty pobierając wodę i sole mineralne osłabiają swojego gospodarza. Czasami powodują znaczne uszkodzenia tkanki naczyniowej, co najczęściej objawia się więdnięciem.

Większość roślin pasożytniczych to półpasożyty, często zdolne w określonej fazie rozwojowej do przeprowadzenia procesu fotosyntezy.

• W fazie rozwojowej, w której są zdolne do fotosyntezy od żywiciela pobierają …

• Do tej grupy należą: pszeniec gajowy, świetlik, jemioł, gnidosz, szelężnik

Korzeniówka (Monotropa hypopitis) zaliczana do saprofitów może tworzyć układy symbiotyczne. Występuje w cienistych lasach liściastych i iglastych.

Jemioła (Viscum) - 70 gat., niektóre chronione.

Pasożytem zupełnym jest, np. zaraza (Orobanche sp.). Pasożytuje na:




• Roślinach motylkowych (najczęściej na fasoli)

• Rzepaku

• Słoneczniku

• Pomidorze




Pasożyt wykształca liście zredukowane do łusek. Nasiona są bardzo trwałe (zachowują zdolność do kiełkowanie przez kilka lat) i z tego względu są na liście kwarantannowej.

Zaraza żółta

• Kiełkujące nasiona pasożyta tworzą nitkowaty organ, w pierwszej fazie wzrostu niezróżnicowany w korzeń i pęd.

• Organ ten rozrasta się i dociera do korzeni żywiciela.

• Następnie na korzeniu żywiciela zaraza tworzy organ przyczepny i ssawki wrastające w wiązki naczyniowe żywiciela.

Pełnym pasożytem naczyniowym obszarów liściastych i iglastych jest łuskiewnik różowy.

Kanianka - 170 gat., w Polsce 8, najczęstszą jest kanianka pospolita i macierzankowa. Pasożyt roślin :




• motylkowych (lucerna, koniczyna)

• lnu

• buraków

• roślin zielnych uprawnych

• roślin ozdobnych




Nasiona kanianki kiełkują w glebie tworząc delikatne korzenia oraz cienką, nitkowatą i wykazującą okrężne ruchy łodygę.

W miejscy zetknięcia z żywicielem kanianka wytwarza ssawki wrastające w łodygę żywiciela aż do wiązek przewodzących.

Po nawiązaniu kontaktu pasożytniczego kanianka „odrywa się” od podłoża (następuje zanik korzeni).

Kanianka po kwitnieniu tworzy drobne nasiona, które wysypuje go gleby. Nasiona te są bardzo trwałe, mogą przetrwać

w glebie nawet kilka lat.

S Z K O D N I K I R O Ś L I N - N I C I E N I E

Nicienie stanowią ponad 90% zwierząt wielkokomórkowych w glebie.

Część z nich wywołuje choroby roślin.

Nicienie wywołujące choroby u roślin mogą prowadzić ekto- i endopasożytniczy tryb życia.

Głównie należą do rodzin:

• Tylenchidae (rodzaj Rotylenchus, Tylenchohynchus)

• Dorylamidae (rodzaj Longidorus, Xiphinema, Trochidomus)

Szkodliwość nicieni wynika z ich żerowania na korzeniach.

Szczególnie często atakują korzenie siewek w szkółkach drzew i krzewów.

Pierwsze objawy ich żerowania na roślinach obserwuje się na początku czerwca, objawy te nasilają się i są bardzo wyraźne ok. lipca.

• Porażone siewki sosny i innych drzew iglastych są mniejsze od siewek zdrowych.

• Igły są skrócone, pędzelkowato skupione, początkowo lekko chlorytyczne lub zaczerwienione, ostatecznie brązowieją i obumierają.

• System korzeniowy siewek jest silnie zredukowany.

Nicienie mogą być wektorami wirusów, bakterii i grzybów pasożytniczych.

Najczęściej jednak powodując rany u roślin są sprawcami otwarcia wrót zakażenia.

W niektórych przypadkach mogą być pożyteczne, np. niszcząc grzyby patogeniczne wywołujące zgorzele czy larwy owadów uszkadzających rośliny.

Z reguły liczba nicieni nie przekracza 50 osobników na 1 gram gleby.

W przednim odcinku ciała głowa z otworem gębowym prowadzącym do torebki gębowej, przekształconej u pasożytów roślinnych w tzw. sztylecik. Sztylecik wysuwany z otworu gębowego służy do nakłuwania ścian komórek roślinnych i pobierania treści komórkowej.

W czasie pobierania przez nicienie treści komórkowej następuje wprowadzenie do tkanek roślinnych śliny zawierającej enzymy, które ułatwiają trawienie ścian komórkowych następnych komórek roślinnych.

Żerowanie nicieni prowadzi do zagłodzenia rośliny.

Objawy żerowania nicieni widoczne są najszybciej na powierzchni korzeni. Obserwuje się występowanie bardzo drobnych, licznych brunatnych plamek. Przy silnym porażeniu korzenie są ciemno wybarwione, na końcach martwe i łamliwe. Niekiedy na funkcjonujących jeszcze korzeniach obserwuje się liczne, ale bardzo drobne korzenie boczne.

Pod względem wielkości szkód wyrządzanych przez zwierzęta w uprawie roślin nicienie zajmują drugie miejsce po owadach.

Znaczenie tych zwierząt w gospodarce rolnej odkryto ok. 100 lat temu, kiedy prowadzono badania nad mątwikiem burakowym.

W skrajnych przypadkach straty plonów w wyniku żerowania mątwików sięgają 70-90%.

Mątwiki - najczęściej mątwik buraczany, żerujący głównie na buraku cukrowym.

Początkowe objawy jak w przypadku bakterioz.

Larwy mątwika buraczanego wiosną po wykluciu z jaj wnikają do młodych korzeni buraka. Po przeobrażeniu samce pozostają w korzeniu, gdzie dalej żerują, a samice przedostają się do gleby, gdzie następuje kolejny cykl rozwojowy.

S Z K O D N I K I O W A D Z I E

Szkodliwość owadów dla roślin związana jest najczęściej z ich żerowaniem na roślinach.

Obecnie znanych jest ponad 6 mln gatunków owadów, z czego połowa to owady żerujące na roślinach.

Żerowanie powoduje znaczne zmiany w morfologii i fizjologii roślin, często prowadzące do śmierci rośliny.

Szkodniki owadzie wykazują znaczne przystosowanie do żerowania na określonych organach rośliny.

Istnieją gatunki, które wyspecjalizowały się w żerowaniu na częściach podziemnych roślin (korzenie, bulwy, rozłogi, itp.), inne żerują na częściach nadziemnych rośliny uszkadzając pędy, liście, kwiaty, owoce i nasiona, np., szarańcza wędrująca, bielinek kapustnik.

Są też takie gatunki zwierząt, które żerują tylko w drewnie i łyku drzew.

Forma uszkodzenia rośliny przez żerujący owad jest bezpośrednio związana z budową jego narządu gębowego.

Inny charakter mają uszkodzenia powodowane przez owady o aparacie gębowym gryzącym, a inne przez szkodniki o aparacie gębowym ssąco-kłującym.

Dodatkowo specyficzna reakcja roślin na żerowanie szkodnika zwiększa różnorodność obserwowanych objawów.

Uszkodzenia powodowane aparatem gryzącym.

Uszkodzenia korzeni, szyjki korzeniowej, bulw i cebul.

Szkodniki niszczą podziemne części rośliny, wyżerają chodniki lub jamki, często niszczą całkowicie organy podziemne.

W ten sposób żerują chrabąszcze, sprężyki, rolnice, lenie i komornice oraz larwy oprzędzików, pchełek i śmietek.

Prowadzi to do osłabienia wzrostu rośliny, chlorozy liści i zamierania całych organów.

Zgryzanie pędów, pni i gałęzi.

Szkodniki zgryzają części podporowe i wierzchnie roślin: skórkę, miękkich, drewno i korę. W ten sposób żerują ploniarka zbożówka, stonkowate, ryjkowcowate, kornikowate i owady drążące kanały w pędach - omacnica prosowianka (kukurydza), ździeblarz pszeniczny, trzep szparagówka, chowacze. Prowadzi to do osłabienia wzrosty rośliny, złamań i zamierania całych roślin.

Uszkodzenie blaszki liściowej może mieć różny charakter.

1. Dziurawienie liści - piętnówki, ślimaki, pchełki, pędrusie, tantniś krzyżowiaczek;

2. Żer zatokowy (płytkie półkola na brzegu liścia) - oprzędziki, opuchlaki;

3. Gołożery (pozostają tylko nerwy główne liścia) - stonka ziemniaczana, bieliki, błyszczka jarzynówka;

4. Minowanie - zgryzanie miękiszu (skórka górna i dolna zostaje nienaruszona) - śmietka ćwiklanka, wgryzka szczypiorka;

5. Szkieletowanie liści - owad zjada miękisz wraz z górną skórką - śluzownica ciemna.

Uszkodzenia kwiatostanów.

Pąki kwiatowe mogą być zgryzane z zewnątrz (piędzik przedzimek) i od środka (larwy kwieciaków i słodyszka rzepakowego)

Kwiatostany roślin motylkowych uszkadzają larwy pędrusi, a zbóż i traw larwy ploniarki zbożówki.

Uszkodzenia owoców i nasion.

Zawiązki owoców są najczęściej niszczone przez larwy owocnic, a dojrzałe owoce przez owocówki i nasionnicę trześniówkę.

Nasiona roślin strączkowych uszkadzają larwy strąkowców i pachówki strąkóweczki.

Ziarniaki zbóż uszkadzają larwy wołków.

Uszkodzenia powodowane aparatem gębowym ssąco-kłującym.

Niszczenie podziemnych części roślin.

Szkodniki pobierając składniki pokarmowe z komórek korzeni powodują ich zasychanie (larwy chrabąszczy).

Obroną roślin jest intensywne wytwarzanie nowych korzeni (miotlastość korzeni). Często na korzeniach powstają guzowate naroślą (guazki).

Uszkodzenia łodyg, gałęzi i pni.

Powstają w wyniku żerowania np. mszyc i przędziorków. Obserwuje się silne zniekształcenia rośliny, np. przebarwienia
i zasychanie, skręcanie.

Deformacje i chlorozy liści.

Owady odżywiają się tkanką miękiszową blaszki liściowej.

W ten sposób uszkadzają roślinę mszycę, wciornastki, czerwce, przędziorki i warzywnice.

Uszkodzenia części generatywnych.

Wciornastki, mszyce i żółwinek zbożowy żerują na ziarniakach zbóż, co prowadzi do ich zasychania.

Żerowanie na owocach prowadzi do deformacji tych organów - mszyca jabłonowa zielona.

Większość owadów żerujących na częściach nadziemnych rośliny preferuje, jako pokarm młode liście, które są:

• Bardziej miękkie niż liście dojrzałe

• Zawierają więcej wody

• Zawierają mniej metabolitów wtórnych

Te owady, które odżywiają się liśćmi dojrzałymi z reguły wolniej rosną.

Owady bardzo dobrze lokalizują gospodarzy nawet w bardzo licznych skupiskach roślin, które nie są dla nich gospodarzami.

Najczęściej to rozpoznanie odbywa się przez związki lotne uwalniane konstytutywnie przez roślinę.

Te związki lotne przyciągają (wabią) określonego szkodnika, mogą też odstraszać inne szkodniki, co sprzyja temu pierwszemu w konkurowaniu o związki pokarmowe.

Do chwili obecnej scharakteryzowano ponad 1700 związków lotnych wydzielanych przez rośliny z ponad 90 rodzin botanicznych.

Wydzielanie lotnych związków do otoczenia daje roślinom możliwość komunikowania się z innymi organizmami nawet na znaczące odległości. W naturalnym siedlisku istnieje sieć wymiany informacji.

Konstytutywne związki lotne wydzielane przez roślinę stanowią ok. 1% wszystkich roślinnych metabolitów wtórnych i są głównie reprezentowane przez:




• Terpenoidy

• Związki aromatyczne

• Pochodne kwasów tłuszczowych

• Pochodne aminokwasów




Związki te są konstytutywnie emitowane przez roślinę do atmosfery, ale wielkość ich emisji znacznie wzrasta po ataku szkodników, np. geranium, jaśmin.

W odpowiedzi na atak owadów uszkadzających niektóre rośliny uwalniają one związki lotne przywabiające naturalnych wrogów żerującego roślinożercy - drapieżniki albo pasożyty. Najczęściej występujące związki lotne to np. metyl jasmonowy, etylen, metyl salicylowy, ocimen.

Taki mechanizm działania stwierdzono u wielu roślin, w tym roślin uprawnych - fasoli, ogórka, bawełny, kukurydzy, soi.

Rośliny atakowane przez przędziorki lub roztocza wydzielają atraktanty dla owadów drapieżnych.

Najczęściej substancje lotne wydzielane przez rośliny z kwiatów są atraktantami dla owadów zapylających, a wydzielane
z części wegetatywnych odstraszają roślinożerców i przywabiają owady żerujące na tych roślinożercach.

Sygnalizacja zagrożenia w obrębie zaatakowanej rośliny (wew- i zewnątrzkomórkowa) i w siedlisku (gatunkowa
i uniwersalna).

Związki lotne uwalniane przez roślinę zaatakowaną przez szkodnika pełnią podobną rolę jak te wydzielane konstytutywnie, ale dodatkowo pełnią rolę sygnału dla innych roślin (nie tylko dla roślin z tego samego gatunku) o konkretnym zagrożeniu (np. zapach skoszonej trawy zapach strachu i śmierci - jasmoniany)

Część związków lotnych uwalnianych przez zaatakowaną roślinę jest syntetyzowana de novo.

Proces syntezy tych związków charakteryzuje się tzw. fazą opóźnienia (lag faza), która waha się w granicach 4-8 godzin od momentu uszkodzenia rośliny do emisji tych związków.

Skład mieszanin związków lotnych, które mogą zawierać nawet do 200 różnych związków zależy od”

• Rodzaju atakującego szkodnika

• Sposobu jego żerowania - pojedyncze nagryzienia czy ciągłe zgryzanie

• Od tego czy zostały złożone jaja

Najczęściej emisja związków odbywa się w ciągu dnia (może jednak odbywać się i w dzień i w nocy).

Skład emitowanych związków zależy też od czynników abiotycznych takich jak:

• Dostępność azotu i fosforu

• Intensywność światła docierającego do rośliny

• Wilgotność powietrza

• Obecność metali, głównie miedzi, rtęci i żelaza

Ostatnio zidentyfikowano geny niektórych kluczowych enzymów szlaków biosyntezy związków lotnych uwalnianych po ataku roślinożerców (Zea mays, Solanum tuberosum, A. thalina).

Lotne terpenoidy:




• Syntaza linabolu - linabol

• Synataza mircenu - mircen

• Syntaza indolu nerolowego - indol nerolu




Lotne związki wydzielane przez organy zielone:

• Lipoksygenaza - kwas 1,3-hydroksy linolenowy

• Liaza hydroperoksydowa - 1-heksanal

• Metylotransferaza salicylowa - ester metylowy salicylu

• Metylotransferaza jasmonianowa - ester metylowy jasmonianu

Podstawową obroną konstytutywną (bierną) roślin przed roślinożercami jest wytworzenie barier fizycznych takich jak gruba kutykula i synteza metabolitów wtórnych deponowanych w takich kompartymentach komórki, aby nie wpływały na metabolizm (najczęściej ściana komórkowa i wakuola).

Metabolity te mogą różnie działać, np.:

• Piretroidy (monoterpeny) działają toksycznie

• Fitoekdysony działają pośrednio, stymulują działanie hormonów (ekdysonów) odpowiedzialnych za linienie

• Taniny i inhibitory enzymów trawiennych utrudniające trawienie (taniny dodatkowo zamieniają walory smakowe)

Owady w toku ewolucyjnym uzyskały odporność na szereg związków toksycznych syntetyzowanych przez rośliny.

Niektóre owady kumulują w swoich organizmach toksyczne związki roślinne i wykorzystują je do własnej obrony.

Masowość występowania szkodników owadzich jest warunkowana przez:

• Obecność roślin żywicielskich

• Czynniki abiotyczne (temperatura, wilgotność, prądy powietrzne, struktura terenu)

• Czynniki biotyczne (obecność gatunków konkurencyjnych i drapieżników)

• Czynniki antropogeniczne (chemizacja środowiska, stosowanie regulatorów wzrostu)

Jeden gatunek roślin może być atakowany przez wiele różnych gatunków szkodników owadzich, np. rynnica wierzbowa, mszyca wierzbowa, pienik wierzbowy.

Jeden gatunek szkodnika może atakować wiele gatunków roślin, np. mszyce.

Mszyce żywią się sokiem floemowym. Po wkłuciu się do wiązki przewodzącej gospodarza praktycznie nie muszą nic więcej robić, gdyż sok wypływa przez kłujkę pod wpływem ciśnienia hydrostatycznego występującego w rurkach sitowych.
Duża część soku nie jest wykorzystywana przez mszycę (ograniczone możliwości trawienia) i jest usuwana na zewnątrz organizmu mszycy pod postacią spadzi. Spadź zawiera wysokie stężenie cukrów i jest zbierana przez mrówki i pszczoły (miód spadziowy).

Pozostająca spadź jest pożywką dla grzybów sadzaków - Capnodia (grzyby niepatogeniczne dla roślin, ale ich rozwijająca się na blaszce liściowej grzybnia ogranicza powierzchnię fotosyntetyczną).

W y k ł a d 10

F I T O P A T O G E N Y

Mechanizmy odporności

Fitopatogeny - odporność

Rośliny w swoim naturalnym środowisku są stale narażone na kontakt z patogenem. Jednak tylko w nielicznych przypadkach dochodzi do infekcji i rozwoju choroby.

Rośliny wykazują odporność na przynajmniej część obecnych w środowisku patogenów.

Naturalna odporność na stresy biotyczne jest cechą dość powszechną, wykształconą w toku ewolucji i gwarantuje przeżycie gatunkom dziko rosnącym.

Bezpośredni wpływ patogenów na rośliny kształtowany jest przez zjawisko określane jako predyspozycja rośliny na choroby powodowane przez czynniki biotyczna.

Odporność roślin na patogeny jest związana z ich stosunkiem do określonych patogenów.

Do choroby roślin prowadzi jedynie taki rodzaj współżycia patogenu z rośliną, gdy patogen staje się pasożytem. Roślina musi być zdolna do udzielenia patogenowi schronienia i dostarczenia mu substancji odżywczych.

Patogeny atakują tylko wybrane rośliny żywicielskie:

- w określonych fazach rozwojowych rośliny

- w sposób zależny od czynników środowiskowych

Jeżeli patogen charakteryzuje się dużą agresywnością (wirulencją), a roślina jest podatna (wrażliwa) dochodzi do tzw. interakcji zgodnej (kompatybilnej), w wyniku której następuje zaburzenie metabolizmu komórkowego, pojawiają się symptomy choroby, a nawet zamieranie rośliny.

Jeżeli patogen jest awirulentny (mało agresywny) lub roślina charakteryzuje się wysokim potencjałem obronnym to występuje interakcja niezgodna (niekompatybilna) i roślina pozostaje zdrowa.

Reakcje roślin na patogeny.

Rośliny są stale narażone na atak z ziemi i z powietrza, co komplikuje obraz reakcji obronnych. Odpowiedź obronna rośliny będzie inna, gdy atakuje ją 1 organizm, a inna gdy 2 lub więcej.

Najważniejsze reakcje obronne roślin:

• Immunia - niezakażalność (odporność absolutna); jeżeli patogen nie może nawiązać z rośliną kontaktu pasożytniczego to roślina jest niezakażalna (immunna).

W pozostałych przypadkach mówimy o stopniu podatności (wrażliwości) i o reakcjach kompatybilnych
i niekompatybilnych;

• Odporność właściwa - zdolność rośliny żywicielskiej do powstrzymywania rozwoju patogenu uwarunkowana cechami anatomicznymi i biochemicznymi tkanek roślinnych.

Brak zdolności ze strony rośliny do nawiązania stosunku pasożytniczego z patogenem nazywany odpornością bierną (aksenią, niegościnnością).

W przypadku, gdy roślina może dostarczyć patogenowi schronienia i substancji pokarmowych, a mimo tego nie toleruje patogena to mówimy o odporności czynnej.

Odporność bierną nazywamy opornością, a czynną odpornością (obydwie są warunkowane genetycznie).

Obrona typu niegościnność jest cechą wielu roślin i dotyczy wielu typów patogenów. Ten typ obrony przeciwko, np. patogenom grzybowym jest pod kontrolą wielu genów i jest inny niż w przypadku odporności typu odporność / wrażliwość gospodarza.

Reakcje roślin na patogen.

• Unikanie choroby

Jeżeli roślina unika choroby przez izolację przestrzenną lub czasową to jest to odporność pozorna (ekologiczna);

Np. liczne odmiany truskawek silnie porażone w Anglii przez wirusy są w Polsce praktycznie odporne na wiroizy, ponieważ
w Polsce nie występuje powszechnie wektor dla tych wirusów - mszyca Pentatrichopus fragaefolii.

• Odporność indukowana - znane są przypadki uodpornienia się rośliny na wirus po uprzednim zakażeniu pokrewnym szczepem wirusa.

• Tolerancje - patogen nawiązuje z rośliną kontakt pasożytniczy, lecz powoduje tak słabe zakłócenie funkcji fizjologicznych, że rozwój rośliny przebiega normalnie. Tolerancja oznacza też zdolność rośliny do regeneracji uszkodzeń powodowanych przez patogen, np. szybsze tworzenie nowych organów u ogórka.

Odporność typu niegościnność (nie-gospodarz, aksenia) ma podstawowe znaczenie w przetrwaniu gatunków.

Odporność ta dotyczy tych wszystkich sytuacji, kiedy roślina nie spełnia wymogów troficznych lub ze względów anatomiczno-morfologicznych nie jest możliwa ani infekcja ani penetracja tkanek rośliny przez patogen.

Ten typ odporności jest mało specyficzny, ale bardzo efektywny wobec wielu typów patogenów. Często stanowi podstawową odporność w obrębie gospodarza, czyli 1 gatunku rośliny, 1 rodzaju, 1 grupy systemicznej.

Podstawą funkcjonowania odporności typu niegościnność jest obrona preinfekcyjna (preformowana) [przez kontakt
z patogenem].

Odporność bierną w zależności od sposobu i miejsca działania dzielimy na :

• Niedostępność - określony rytm rozwoju rośliny i patogenu powoduje, ze roślina jest nieosiągalna dla patogenu całkowicie lub jest osiągalna tylko w określonym czasie (apadrosis - grec. umykanie chorobie);

• Odporność infekcyjna - związana głównie z barierami anatomiczno-morfologicznymi (budową tkanek okrywających, a szczególnie skórki i szparek).

Powierzchnia skórki może być pokryta kutyną lub włoskami, szparki mogą mieć specyficzną budowę anatomiczną, przez co stają się niedostępne dla patogenów, np. szparki u mandarynki mają szerokie listewki przedsionkowe, co powoduje, że dojście do szparki jest bardzo wąskie; u grapefruita listewki są szersze i jest bardziej narażony na patogeny.

Utrudnienie infekcji przez głownie pylące pszenicy i jęczmienia polega na kwitnieniu przy zamkniętych plewkach, co uniemożliwia dotarcie zarodnikom grzyba do zalążni.

Żyto, pszenica, jęczmień mają zbliżoną somatyczną podatność na sporysz.

Żyto jest silnie porażane przez Claviceps purpurea (buławinka czerwona) niż pszenica i jęczmień. Wynika to z genetycznie zaprogramowanych rytmów rozwojowych tych gatunków zbóż.

Żyto jest rośliną obcopylną, musi więc po otwarciu kwiatu czekać na zapylenie przez ziarna pyłku innej rośliny żyta, dopiero po tym kwiat się zamyka. Taki mechanizm nie występuje u pszenicy i jęczmienia, stąd są one krócej narażone na możliwość infekcji przez zarodniki grzyba.

Liście berberysu pospolitego (Berberis vulgaris)z powodu słabo wykształconej okrywy liści są bardziej podatne na infekcję zarodnikami podstawkowymi rdzy źdźbłowej (Puccinia graminis), podczas gdy gruba warstwa kutyny odkładana na powierzchni skórki liści berberysu Thunberga (Berberis thurinbergii)wyklucza możliwość takiego zakażenia.

Bariery anatomiczno-morfologiczne są też istotnym czynnikiem ograniczającym działanie szkodników owadzich.

Ścisłe przyleganie do kolb łuskowatych liści kukurydzy utrudnia owadom dostęp do tych kolb.

Włoski pokrywające liście bawełny odstraszają skoczki (Jassidae).

Odporność bierna może być uwarunkowana:

• Liczbą szparek i ich wielkością;

• Grubością ściany komórkowej skórki;

• Liczbą i budową przetchlinek;

• Grubością kutikuli i warstwy wosku;

• Występowaniem włosków;

• Występowaniem tkanki korkowej;

• Zdolnością do szybkiego tworzenia komórek przyrannych i ich szybkiej suberynizacji (korkowacenia);

• Czynnikami biochemicznymi, np. obecność związków chemicznych hamujących np. kiełkowanie zarodników grzybów (flawonoidy, antocyjany, alkaloidy, związki fenolowe o działaniu fungistatycznym);

• Ciśnieniem osmotycznym komórek skórki.

Patogen po przedostaniu się przez tkanki okrywające do organizmu roślinnego może wewnątrz zetknąć się
z tzw. preinfekcyjną odpornością generalizacyjną w postaci barier utrudniających patogenom rozprzestrzenianie się, np.:

• Mechaniczny opór ściany komórkowej

• Brak odpowiednich składników pokarmowych lub substancji wzrostowych

• Obecność związków toksycznych dla patogenu będących produktami ogólnych przemian roślin

Związki preinfekcyjne:

1. Prohibityny - konstytutywnie występujące w cytoplazmie lub określonych kompartymentach komórkowych metabolity wtórne, które mogą być szybko uwalniane i wykorzystane do obrony przed patogenami (współdziałanie odporności biernej i czynnej), np. kwas protokatechowy i katechol występujące w łuskach cebuli pigmentowanej.

Związki te wykazują dużą toksyczność w kierunku zarodników grzyba Colletotrichum cricinans. Ekstrakty z łusek odmian cebuli odpornych na C.cricinans hamują kiełkowanie ich zarodników powyżej 98%
(in vitro).

2. Inhibitory roślinne - metabolity obecne konstytutywnie, a ich zawartość wzrasta po infekcji osiągając poziom zapewniający odpowiednią toksyczność (współdziałanie odporności biernej i czynnej). Infekcja wielu roślin przez mikroorganizmy prowadzi do akumulacji w okolicach zakażenia związków głownie z grupy kumaryn.

U ziemniaka zarażonego sporami Phytophtora infestans obserwuje się powstawanie specyficznej strefy rozdzielającej tkankę zdrową i zainfekowaną.

Porównanie składników fenolowych w tkance zdrowej i strefie oddzielającej ją od tkanki zainfekowanej wskazuje, że w obszarze tym zachodzi intensywna synteza dwóch związków fenolowych - kwasu chlorogenowego i skopoliny.


Przykład preinfekcyjnej odporności generalizacyjnej w postaci braku odpowiednich substancji wzrostowych.

• Większość grzybów potrzebuje jako substancji wzrostowej aneuryny (wit. B1); większość z nich sama syntetyzuje aneurynę, są jednak takie, które pobierają ten związek od rośliny.
  Roślina mimo, że też potrzebuje aneuryny do procesów wzrostowych, jest zdolna zablokować jej syntezę. W tym czasie dla potrzeb własnych zwiększa syntezę auksyn nieprzydatnych patogenowi (współdziałanie odporności biernej i czynnej).

Odporność bierna

T A N I N Y

Przykładem związków fenolowych chroniących rośliny przed zwierzętami roślinożernymi są taniny (proinhibityny).

Rozróżnia się dwa rodzaje tych związków:

• Taniny łatwo hydrolizujące - powstają poprzez polimeryzacją cząstek kwasu galusowego lub innych kwasów fenolowych i niektórych cukrów;

• Taniny skondensowane - utworzone przez połączenie wielu jednostek flawonoidowych.

Właściwości odstraszające tanin powodują cierpki, nieprzyjemny smak.

Toksyczne działanie tanin wiążą i denaturują białka.

Taniny występują powszechnie w stosunkowo dużych stężeniach w liściach roślin drzewiastych i stanowią ważną barierę dla żerujących owadów, np. piędzik przedzimek, odżywia się wiosną liśćmi dębu. Roślina wytwarza w rozwijających się liściach konstytutywnie duże ilości tanin, w wyniku czego w połowie czerwca ustaje żerowanie larw.

Owady unikają pobierania dużych ilości tanin ze względu na ich toksyczne działanie.

Taniny wiążą się z białkami nabłonka jelita owada wywołując uszkodzenia jelita środkowego.

Oprócz tanin rośliny mogą syntetyzować w celach obronnych również inne związki fenolowe.

• U wierzby karłowatej występują glikozydy fenolowe (głównie z grupy salicylanów), chronią roślinę przed ssakami ogryzającymi kore drzewa oraz salikortyny, które hamują przepoczwarzanie się niektórych gatunków chrząszczy.

W przyrodzie występują gatunki zwierząt zaadaptowanych do żerowania na roślinach zawierających w swoich organach wysokie stężenia tanin. Ich odporność na toksyczne działanie tanin wynika ze zdolności do powierzchniowego
(na nabłonku jelita) wydzielania lipidów, które zapobiegają kompleksowaniu tanin z białkami strukturalnymi.

Odporność czynna ujawnia się postinfekcyjnie i wymaga uruchomienia w roślinie mechanizmów zapobiegających opanowaniu tkanek gospodarza przez patogen.

• Polega na zmianach strukturalnych i metabolicznych w komórkach zainfekowanej rośliny.

• Obejmuje liczne, zróżnicowane, aktywnie indukowane mechanizmy dające możliwość obrony wynikającą z genetycznych predyspozycji organizmu roślinnego do indukowania zmian metabolicznych następujących po kontakcie z patogenem.

• Jest związana z regulacją genów odpowiedzialnych za syntezę różnych metabolitów np. inhibitorów proteaz patogenu, toksyn, związków lotnych, repelentów czy atraktanów dla owadów żerujących na owadzich szkodnikach roślin.

Odporność bierna roślina wytwarza peptydy, proteazy i inhibitory proteaz (specyficzne dla proteaz owadzich, czy proteaz grzybowych). Inhibitory roślinne działające na protezy owadzie i grzybowe to głównie inhibitory proteaz cysteinowych.

Odporność czynna

Mechanizmy odporności czynnej są uruchamiane po rozpoznaniu przez rośliną atakującego ją organizmu.

Indukcja tych mechanizmów powoduje systemiczne zmiany w całej roślinie bez względu na to czy atak nastąpił w części nadziemnej czy podziemnej rośliny.

Do tych mechanizmów zaliczamy:

• Zamieranie komórek, które zetknęły się z patogenem (nadwrażliwość) w reakcji HR (reakcja nadwrażliwości);

• Tworzenie zatyczek tylozowych, brodawek, papilli;

• Wydzielanie gumy przez drzewa

• Synteza substancji toksycznych itp.;

• Synteza de novo białek, w tym PR (białka patogenezy), chityny, pektyny, związków fenolowych itp.;

• Synteza inhibitorów enzymów patogenów (głownie proteinaz);

• Wzrost syntezy enzymów typu chitynazy i glukanazy.

Odporność czynna:

• Oksydacja związków fenolowych i tworzenie inhibitorów wzrostu grzyba

• Inaktywacje toksyn patogenów

• Synteza fitoaleksyn (niskocząsteczkowe związki powstające w reakcji obronnej wokół miejsca infekcji grzyba)

• Tworzenie dodatkowych barier przez zwiększenie warstwy korka, wzmocnienie ścian komórkowych ligniną i kalozą oraz przez gromadzenie w ścianie specyficznych glikoprotein, np. na wewnętrznej stronie ściany komórkowej tworzy się ochronna otoczka składająca się z lignin i kalozy impregnowanych fenolami, suberyną, białkami i krzemem.

Otoczka ochronna otacza i odcina strzępkę infekcyjną grzyba od dostępu do związków pokarmowych.

Rośliny mają zdolność do obrony indukowanej, która prowadzi do syntezy uczestniczących w niej związków.

Ten typ mechanizmów obronnych jest aktywowany tylko w obecności patogenu i ma różny przebieg w zależności od typu patogenu (specyfika interakcji roślina-patogen).

Mechanizmy związane z obroną indukowaną prowadzą do powstania w komórkach związków poinfekcyjnych o charakterze toksycznym dla mikroorganizmów. Związki te stanowią ważny element strategii obronnej zaatakowanego organizmu.

Składnikami tego mechanizmu obronnego są zarówno związki:

1. Konstytutywne dla rośliny: alkaloidy, fenole i polifenole, flawonoidy, glukozynolany, terpeny;

2. Syntetyzowane de novo: fitoaleksyny, defensyny roślinne, baiłka PR (ang. pathogenesis-related protein).

Odpowiedź czynna - związki poinfekcyjne

Pierwsza grupa związków o charakterze metabolitów wtórnych występuje powszechnie w roślinach i wykazuje dużą specyfikę gatunkową.

Druga grupa powstaje w wyniku aktywacji tzw. genów stresu, których ekspresja zachodzi w odpowiedzi na specyficzny sygnał hormonalny.

Do związków poinfekcyjnych zaliczamy postinhibityny - substancje powstające w wyniku modyfikacji (hydrolizy lub utlenienia) związków nietoksycznych obecnych w roślinie (następuję też wzmożona synteza de novo tych związków).

• Zwiększenie toksyczności fenoli może zachodzić w wyniku utleniania 3,4-dihydroksyfenoli, co prowadzi do powstania silnie toksycznych o-chinonów.

• Powstające o-chinony mogą ulegać kondensacji ze związkami o charakterze aminokwasowym, w wyniku czego powstają związki o jeszcze większej toksyczności, np. u jabłoni związkiem występującym konstytutywnie w blaszkach liściowych jest florydzyna, która ulega hydrolizie do floretyny; w wyniku utlenienia florentyny powstaje
  3-hydroksyfloretyna, a ta w obecności enzymy fenolazy podlega dalszemu utlenieniu do chinonu.

Najlepiej poznaną grupą związków o działaniu toksycznym dla mikroorganizmów są mikrocząsteczkowe związki organiczne - fitoaleksyny.

Prekursorami tych związków są najczęściej różnego rodzaju związki fenolowe (kwas kofeinowy, kwas chlorogenowy itp.).

Fitoaleksyny syntetyzuje wiele gatunków roślin należących do 21 rodzin botanicznych, w tym rodzin o dużym znaczeniu gospodarczym - Grominae, Solanaceae, Leguminaceae, Chemopodiaceae.

F I T O A L E K S Y N Y

Fitoaleksyny są syntetyzowane dopiero po zakażeniu rośliny (synteza de novo).

Są to niskocząsteczkowe, lipofilne, o zróżnicowanej budowie chemicznej metabolity wtórne o właściwościach antybiotycznych, które są kumulowane w tkankach rośliny w odpowiedzi na :

• Infekcję przez mikroorganizmy patogeniczne

• Żerowanie owadów uszkadzających roślinę

• Zranienia

• Wysokie stężenia jonów metali ciężkich w podłożu

• Promieniowanie UV

• Obecność niektórych grup fungicydów

Fitoaleksyny (Pha) wykazują dużą skuteczność działania, ale tylko w stosunku do słabo wirulentnych patogenów.

Znaczenie Pha : mutanty rzodkiewnika pad 3-1(phytoalexin-deficient 3-1) nie syntetyzują fitoaleksyn i są wrażliwe na zbliżonym poziomie na dany rodzaj patogena.

Najczęściej i w największych ilościach fitoaleksyny są syntetyzowane wtedy, gdy roślina zostaje zaatakowana przez grzyby lub pod wpływem infekcji bakteryjnej lub wirusowej.

Obecnie znanych jest ok. 200 przedstawicieli fitoaleksyn.

Większości z nich ma budowę:

1. Chelkonu, tj. charakterystyczna dla flawonoidów i izoflawonoidów o szkielecie C6-C3-C6.

Związki fenolowe pełniące rolę fitoaleksyn mają zablokowane grupy hydroksylowe w wyniku zmetylowania lub uformowania pierścienia metyloano-dioksy. W wyniku takich modyfikacji są dobrze rozpuszczalne w lipidach.

Najlepiej poznanym związkiem fenylowym należącym do Pha chalkonowych jest pizatyna będąca pochodną pterokarpanu. Należy ona do izoflawonoidów i powstaje w strąkach grochu po zakażeniu grzybem wywołującym brunatną zgniliznę.

2. Fitoaleksyny należące do terpenoidów o szkielecie izoprenowym C5 (seskwiterpeny 3xC5)

3. Fitoaleksyny należące do stilbenów o szkielecie C6-C2-C6 (np. resweratrol)

Rośliny należące do tej samej rodziny botanicznej syntetyzują Pha o zbliżonej strukturze, np.

• Strączkowe głównie flawonoidowe

• Psiankowate głównie terpenoidowe

Pha o budowie stilbenowej wykazują silniejsze działanie toksyczne w stosunku do patogenów niż pozostałe grupy fitoaleksyn. Ten typ Pha występuje jednak w u niewielkiej grupy roślin. Warunkiem możliwości rośliny do syntezy fitoaleksyn stilbenowych jest obecność w komórce aktywnej syntazy stilbenowej.

Gatunek rośliny	Kumulowane po infekcyjnie fitoaleksyny stilbenowe
Morus nigra	oksyresweratrol
Arachis hypogaea	resweratrol
Vitis vinifera	a-winiferyna, resweratrol
Pinus sp.	dihyropinosylwin

Ogólne działanie fitoaleksyn na patogeny:

• Hamują kiełkowanie zarodników

• Hamują wzrost strzępek

• Hamują syntezę i aktywność enzymów patogenów

• Działają bakteriobójczo i bakteriostatycznie

Działanie fitoaleksyn jest mało specyficzne.

Bakterie G(-) są mniej wrażliwe niż G(+) (tak jak w przypadku antybiotyków) na bezpośrednie działanie bakteriobójcze / bakteriostatyczne Pha flawonoidowych.

Synteza fitoaleksyn flawonoidowych przebiega dwuetapowo: pierwszy pierścień C6 pochodzi z kwasu malonowego, drugi człon -C3-C6 od kwasu kumarowego, dla którego prekursorem jest fenyloalanina. Związkiem pośrednim jest chalkon.

Metabolitem wyjściowym do syntezy fitoaleksyn terpenoidowych jest acetylo-Co-A. Z acetylo-Co-A powstaje kwas mewalonowy - prekursor aktywnego izoprenu (pirofosforanu izopentenylu).

Niezależnie od bezpośredniego prekursora synteza Pha wykazuje znaczny związek z metabolizmem tryptofanu, którego synteza warunkuje obecność cynku, a także stan odżywienia rośliny siarką.

Budowa chemiczna fitoaleksyn powoduje, ze związki te blokują możliwość przenikani patogenów przez błony komórek roślinnych. Ponadto budowa Pha przypominająca steroidy umożliwia zakłócenie metabolizmu związków sterydowych patogenów.

Biosynteza Pha zachodzi zarówno u roślin podatnych jak i odpornych na patogeny, ale u odmian odpornych proces ich syntezy zachodzi szybciej (czasowo) i intensywniej.

• Ponieważ obrona indukowana związana z Pha jest uruchamiana w gospodarzy i niegospodarzy sugeruje to, że jest ona prowadzona przez specyficzne i niespecyficzne sygnały wytwarzane przez patogen.

Mechanizm detoksykacji fitoaleksyn przez patogeny.

Niektóre patogeny wykazują tolerancję na fitoaleksyny w wyniku zdolności do ich detoksykacji.

W przypadku fitoaleksyn flawonoidowych detoksykacja polega głównie na:

• Hydroksylacji pierścieni beznoesowych

• Demetylacji

Obydwa procesy zwiększają rozpuszczalność Pha w wodzie oraz podatność na utlenienie pierścieni aromatycznych, co wiąże się ze spadkiem ich toksyczności.

Detoksykacje fitoaleksyn.

Wirulencje szczepów grzyba Nectria hematococco zależy od ich zdolności do demetylacji pizatyny warunkowanej aktywnością patogenowej demetylozy.

Pizatyna hydroksymakiaina

Medikarpina - fitoaleksyna koniczyny charakteryzująca się wysoką toksycznością dla grzyba Helminthiosporium carbonum, ale po hydroksylacji jej toksyczność spada.

Detoksykacja może następować też w wyniku:

• Redukcji

• Utleniania

• Rozszczepienia pierścienia benzenowego

Wirulencja Gibberella pulicans (patogen suchej zgnilizny ziemniaka) jest zależna od możliwości patogeny do demetylacji fitoaleksyn seskwiterpenowych.

Niektóre patogeny mają możliwość bezpośredniego hamowania syntezy fitoaleksyn.

43

---