Odporność na choroby

infekcyjne

Dziedziczenie odporności

Sposoby ataku i obrony

Kozłowska, Konieczny ”Biologia odporności roślin na
patogeny i szkodniki” Wyd. AR Poznań, 2003

System odpornościowy roślin

- cechy specyficzne

• Nie posiadają komórek odpornościowych
• Nie posiadają somatycznego układu

odpornościowego

• Opierają się na wrodzonym systemie

odporności każdej komórki

• Opierają się na sygnałach systemicznych

wysyłanych z miejsca porażenia

Elicytory

powszechne i specyficzne

Kozłowska, Konieczny ”Biologia odporności
roślin na patogeny i szkodniki” Wyd. AR Poznań,
2003

Dwa rozgałęzienia systemu

odporności roślin

• Błonowy

PRRs-

pattern

recognition receptors

–

receptory

transmembranowe

reagujące na wzór

cząsteczek rozwijający się

w reakcji rośliny i

patogena
MAMPS-

microbal

associated molecular

patterns

lub PAMPs-

pathogen associated

molecular patterns

• Błonowy i

wewnątrzkomórkowy

• Występuje u biotrofów i

półbiotrofów

• Polimorficzne NR-LRR produkty

białkowe, kodowane przez

większość genów odporności R.
Są one nazywane wg.

charakterystycznych wiązań

nukleotydów NB- nucleotide

binding i bogatych w leucynę

powtórzeń LRR- leucine reach

repeat

Nature 2006, 444, 323-329 REVIEWS The plant immune system
Jonathan D. G. Jones & Jeffery L. Dang

Indukowana obrona roślin przed

bakteriami

Obrona podstawowa

Pojawia się wkrótce po kontakcie

z patogenem (<10 minut)

Jest wynikiem rozpoznania

PAMPS pathogen associated
molecular patterns

patogenu

przez

PRR pattern recognition

receptors

rośliny

Obejmuje takie zjawiska jak:

wzrost pH pozakomórkowego,
wzrost [Ca

2+

], ET, ROS,

NOx, aktywację MAPKs,
wzrost ekspresji pewnych
genów (FRK1 WRKY) oraz
depozycję kallozy, wyciek
pewnych barwników z
systemu przewodzącego,
zahamowanie wzrostu siewek

Obrona zależna od genów R

Pojawia się 2-3 godziny po

kontakcie z patogenem

Jest wynikiem dostarczenia do

cytoplazmy rośliny

efektorów

patogenu

przez system

wydzielania T3SS

Może obejmować, zależnie od

kombinacji

genów R i genów

efektorów

, wytworzenie ROS,

NOx, zmiany ekspresji genów,
aktywację MAPKs.

Typowa dla obrony R- zależnej

jest reakcja HR w wyniku
miejscowej PCD

Bacterial elicitation and evasion of plant innate immunity Robert B. Abramovitch, Jeffrey C.
Anderson, Gregory B. Martin. NATURE REVIEWS, MOLECULAR CELL BIOLOGY 2006,
VOLUME 7: 601-611

Czynniki wpływające na obronę

podstawową i zależną od genów R

NATURE REVIEWS VOLUME 7 | AUGUST 2006 | 601

Schemat wewnątrzkomórkowego 4

fazowego modelu odporności roślin

Maksymalna amplituda odporności = PTI – ETS + ETI

1

2

3

4

PTI - PAMP-triggered
immunity

ETS effector-triggered
susceptibility
5

PRR
rośliny

Faza 1

modelu zigzag

• rozpoznanie za pomocą receptorów

PRR

s (pattern recognition receptors) przez

rośliny białek mikroorganizmu MAMPs
(microbal associated molecular patterns)
lub patogenu PAMPs (pathogen
associated molecular patterns )(czerwone
romby), aby uruchomić

odporność typu

PTI

PAMP-triggered immunity

Faza 2

modelu zigzag

• patogen, który pokonał odporność

PTI, dostarcza cząsteczki
efektorowe, zwiększające jego
wirulentność, które zakłócają PTI lub
w inny sposób umożliwiają
odżywianie i rozprzestrzenianie
patogenu, powodując

odporność typu

ETI-

effector triggered immunity

Efektory patogena i wrażliwość

rośliny powodowana przez efektory

• Efektory patogena Cząsteczki patogena,

które zmieniają strukturę i funkcje komórki
żywiciela, ułatwiając infekcję i /lub
powodując reakcję obronną HR

• ETS

effector-triggered susceptibility

wrażliwość gospodarza wywoływana
przez efektorowe cząsteczki
patogenu

Faza 3

modelu zigzag

• jeden efektor (zaznaczony na

czerwono) jest rozpoznany,
bezpośrednio lub pośrednio, przez
białko rośliny NB-LRP, aktywując i
przyśpieszając odporność
wzmocnioną PTI, która często
przekracza próg indukcji śmierci
komórki w reakcji nadwrażliwości

HR

Faza 4

modelu zigzag

• zostają wyselekcjonowane patogeny,

które straciły czerwony efektor a
zyskały nowy, niebieski, przez
poziomy przepływ genów i to
pomaga patogenowi zwalczyć
dotychczasowy ETI

Faza 5

modelu zigzag

• Selekcja prowadzi u patogenu do

unikania reakcji ETI i do wykluczenia
genu efektorowego R. Nowe efektory
uruchamiają nowe właściwości R.
Selekcja wyodrębnia nowe roślinne
allele NB-LRP, które rozpoznają
nowe efektory patogenu, dając nowa
odporność typu ETI

PAMP - pathogen-associated

molecular pattern

• Mała cząstka wyzwalająca obronę rośliny

przed patogenem

• Przykładem wyzwalacza jest bakteryjna

flagellina- peptyd lub chityna z grzyba,
uruchamiające reakcje obronne u wielu
roślin

• Rozpoznana przez roślinę wywołuje

obronę niespecyficzną

receptory PRRs

• PRR –receptory rozpoznające

rozpoznające wzór patogenu
PAMPS/MAMPS patogenu to w

Arabidopsis

liczne LRR kinazy,

Efektywne patogeny zmniejszają

reakcję PTI powodując PTS

• Efektory patogenu , wydzielane przez TTSS-

type III system sekrecji, przełamują odporność

PTI i ETI na sposoby, których mechanizmy mogą

być różne lub wspólne. Mogą np. pełnić rolę

strukturalną w budowie ssawki grzyba

patogenicznego, powodować wyciek przez

błony, transport pęcherzyków błonowych lub

ułatwiać rozprzestrzenianie patogenu i zaburzać

funkcje komórek gospodarza w sposób jeszcze

nie odkryty.

• T3SS jest to system sekrecji patogenu, złożony z

ponad 20 białek i wydzielający 15-30 białek-

efektorów w obrębie szczepu bakteryjnego.

Rola efektorów patogenu

• Białka efektorowe patogenu mają

za zadanie zakłócić przekazywanie
sygnału w gospodarzu i przystosować
jego metabolizm do swoich potrzeb.

• Efektory mogą naśladować działanie

hormonów rośliny np. cytokinin,
opóźniających starzenie i śmierć
komórki

Rozpoznanie efektorów patogenu

bezpośrednie

• Efektory,

które przezwyciężyły PTI, określane jako

białka Avr, są

rozpoznawane w większości przez specyficzne białka NB-LRR,

produkty genów odporności na choroby R gospodarza i powodują

odporoność ETI

• ETI jest szybszą i silniejszą reakcją niż PTI i często kończy się

reakcją HR (hypersesnsivity response) zainfekowanej komórki

gospodarza. HR często ogranicza wzrost patogenu grzybowego, ale

nie jest konieczna do ETI.

• Na etapie aktywacji białek NB-LRR następuje rozpoznanie patogenu

biotroficznego ( sygnał SA miejscowy i systemiczny) i

nekrotroficznego (kombinacja sygnału JA i ET)

• Aktywacja białek NB-LRR indukuje różne reakcje zależne od SA i

ROS w miejscu infekcji, jego otoczeniu i systemiczne. ETI

towarzyszy wyrzut tlenowy zależny od oksydazy NADPH. W

lokalnych i systemicznych zmianach ekspresji genów uczestniczą

czynniki transkrypcyjne z rodziny WRKY i TGA.

Wirulencja bakterii

• Zwiększenie stopnia wzrostu i wielkości

populacji oraz nasilenie objawów chorobowych,
które sprzyja rozprzestrzenieniu patogenu w
roślinie i otoczeniu.

• Wniknięcie do komórki roślinnej wymaga

enzymów trawiących lub toksyn przenikających
przez ścianę komórkową.

• Najefektywniejszym sposobem pokonania

ściany komórkowej gospodarza jest system
wydzielania białek efektorowych do rośliny typu
T3SS.

Bacterial elicitation and evasion of plant innate immunity
Robert B. Abramovitch, Jeffrey C. Anderson, Gregory B. Martin
NATURE REVIEWS, MOLECULAR CELL BIOLOGY
2006, VOLUME 7: 601-611

Czynniki wirulencji bakterii

•

Systemy sekrecji czynników wirulencji czyli

białek efektorowych

z

bakterii do apoplastu lub cytoplazmy komórek gospodarza są różne i mogą
występować równocześnie w danym patogenie.

•

Małe cząsteczki patogenu mogą pełnić

rolę efektorów

na różne sposoby:

jako toksyny, hormony, autoinduktory i egzopolisacharydy EPS.

•

Autoinduktory podobne do hormonów, wykrywają gęstość danej
populacji bakterii. Jeśli jest ona wystarczająco duża do infekcji, bakteria
uruchamia ekspresję genów odpowiedzialnych za czynniki wirulencji-
białka efektorowe.

•

Egzopolisacharydy zwiększają wirulencję prawdopodobnie chroniąc je
przed antybakteryjnym środowiskiem rośliny np. w ksylemie.

•

Toksyny bakteryjne, pełniące funkcje czynników wirulencji, to np.
koronatina, syringomycyna, syringopeptina, tabtoksyna i fazeolotoksyna

.

•

Sposoby działania toksyn bakteryjnych obejmują: mimikrę hormonów
roślinnych, tworzenie dziur w błonach komórkowych, hamowanie
enzymów metabolizmu gospodarza, chlorozę , nekrozę

Bacterial elicitation and evasion of plant innate immunity. Robert B. Abramovitch, Jeffrey C.
Anderson, Gregory B. Martin. NATURE REVIEWS, MOLECULAR CELL BIOLOGY
2006, VOLUME 7: 601-611

Strategie wirulencji bakterii

Bacterial elicitation and evasion of plant innate immunity.
Robert B. Abramovitch, Jeffrey C. Anderson, Gregory B.
Martin. NATURE REVIEWS, MOLECULAR CELL BIOLOGY
2006, VOLUME 7: 601-611

Systemy sekrecji patogenu

bakteryjnego

• Typ II wydzielania (T2SS = Out system) charakterystyczny

dla bakterii gnilnych jak Ervinia, wydziela enzymy
degradujące ściany komórkowe np. pektynazy,
endoglukanazy, celulazy.

• Typ III wydzielania (T3SS system), charakterystyczny dla

różnych bakterii, także biotroficznych. Patogen wydziela wiele
białek efektorowych o różnej funkcji, także enzymatycznej
(proteaza cysteinowa, proteaza ubikwitynowa, ligaza,
fosfataza białkowa)

• Typ IVwydzielania (T4SS system), niezbędny w patogenezie

Agrobacterium tumefaciens. Umożliwia wydzielenie białek
efektorowych i DNA do gospodarza. Fragment DNA bakterii
włączany jest w DNA gospodarza i umożliwia syntezę
hormonu powodującego powstawanie narośli.

Bacterial elicitation and evasion of plant innate immunity. Robert B.
Abramovitch, Jeffrey C. Anderson, Gregory B. Martin. NATURE REVIEWS,
MOLECULAR CELL BIOLOGY
2006, VOLUME 7: 601-611

Model aktywacji obrony

podstawowej aktywującej PRR-

pathogen recognition receptors

Model aktywacji obrony podstawowej

aktywującej PRR roślin i hamowanie tej

obrony przez efektory z T3SS -opis

Plants possess plasma-membrane-localized pattern recognition receptors (PRRs)
that consist of an extracellular leucine-rich repeat (LRR) domain and a cytoplasmic
serine/threonine kinase domain. In Arabidopsis, FLS2 and elongation factor Tu (EF-
Tu) receptor (EFR) are PRRs that recognize the flg22 peptide of flagellin or the elf18
peptide of EF-Tu, respectively. Other bacterial elicitors such as lipopolysaccharide
(LPS), harpins, and cold-shock protein have been identified. PRR activation triggers
signalling events that lead to the upregulation of over 300 plant genes. A complete
mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway and several WRKY transcription
factors that function downstream of FLS2 and induce the expression of genes such
as FRK1 and NHO1 have been identified. Phenotypes that are associated with
activated basal defences include cell wall fortifications and the production of reactive
oxygen species (ROS) and nitrogen species (NO). Delivery of effector proteins
through the type III secretionsystem (T3SS) into plant cells is one strategy that
is used by bacteria to suppress PRR-mediated defences. As many as 16
effectors have been identified that suppress basal defences. The model highlights the
effector AvrPto that is required for suppressing the recognition of flg22 and other
pathogen-associated molecular patterns (PAMPs). In Arabidopsis, AvrPto functions
upstream of MAPK kinase kinase (MAPKKK), indicating that it targets components
that function early on in the PRR pathway. The residue I96, which resides within an
extended Ω-loop, is required for the basal defence suppression of AvrPto in
Arabidopsis.

Odporność „gen na gen”

Model odporności na patogeny

w.g Harolda H. Flor`a „gen na gen”

•

Odporność przy
dopełnianiu się genów
dominujących

patogenu

Avr

żywiciela

R

•

Choroba czyli zgodność
przy

Zmianie genu odporności R

na r lub utracie genu R

Utracie genu awirulencji Avr

patogenu lub zmianie Avr
na avr

Geny R

Wykazują homologię w sekwencji DNA
Ich białkowe produkty
• mają wspólny plan budowy
• wchodzą w skład receptorów błonowych

roślin, rozpoznając elicytory patogenów
awirulentnych

• Oprócz roli receptorowej mogą pełnić

funkcje regulacyjne w transkrypcji genów

• Wykazują aktywność w fosforylacji białek

Biologia w szkole
2001,No1:4-10.

Geny R warunkujące odporność

Klasyfikacja genów R

Postępy Biologii Komórki, 2000, 27 940;624-632. Józefowski Sz.
„Detekcja i transdukcja sygnału w reakcjach odpornościowych roslin
II Aktywacja transkrypcji genów”.

Struktura i lokalizacja głównych klas genów R

Białka Xa21 and Cf-X mają demeny śródbłonowe i pozabłonowe domeny LRR.
Sklonowano ostatnio produkt genu RPW8, z domeną CC (coiled coil) na końcu N. Gen
Pto koduje serynowo-treononową kinazę cytoplazmatyczną, ale może być przyłączony
do błony. Największa klasa białek R to białka NB-LRR, z domeną bogatą w powtórzenia
leucyny i domeną wiążącą nukleotydy oraz różnymi domenami na końcu N. Są to
prawdopodobnie białka cytoplazmatyczne, choć mogą się wiązać z błoną.

J.Dangi, J. Jones, 2001. Plant pathogens and
integrated defence responses to infection. Nature, vol.
411:826-833.

Reakcja zgodności patogenu i

gospodarza zależna od toksyny

•

Tox

gen dominujący syntezy

przez patogen toksyny
niezbędnej w patogenezie

•

tox niefunkcjonalny allel
recesywny genu Tox

•

Choroba

występuje tylko

wtedy, gdy roślina nie może
dokonać detoksyfikacji toksyny
patogenu.

•

Odporność, gdy żywiciel
posiada gen dominujący R do
enzymatycznej detoksyfikacji
toksyny patogenu

•

Odporność także gdy nie
wrażliwe jest na patotoksynę
białko docelowe

Odporność roślin na patogen

zależna od toksyn