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 ka\
dej komórki
" Opierają się na sygnałach systemicznych
wysyłanych z miejsca pora\
enia
Elicytory powszechne i specyficzne
Kozłowska, Konieczny  Biologia odporności
roślin na patogeny i szkodniki Wyd. AR Poznań,
2003
Dwa rozgałęzienia systemu
odporności roślin
" Błonowy i
" Błonowy
wewnątrzkomórkowy
PRRs- pattern
recognition receptors 
" Występuje u biotrofów i
receptory
półbiotrofów
transmembranowe
" Polimorficzne NR-LRR produkty
reagujące na wzór
białkowe, kodowane przez
cząsteczek rozwijający się
większość genów odporności R.
w reakcji rośliny i
Są one nazywane wg.
patogena
charakterystycznych wiązań
MAMPS- microbal
nukleotydów NB- nucleotide
associated molecular
binding i bogatych w leucynę
patterns lub PAMPs-
powtórzeń LRR- leucine reach
pathogen associated
repeat
molecular patterns
Nature 2006, 444, 323-329 REVIEWS The plant immune system
Jonathan D. G. Jones & Jeffery L. Dang
Indukowana obrona roślin przed
bakteriami
Obrona podstawowa Obrona zale\
na od genów R
Pojawia się wkrótce po kontakcie Pojawia się 2-3 godziny po
z patogenem (<10 minut) kontakcie z patogenem
Jest wynikiem rozpoznania Jest wynikiem dostarczenia do
PAMPS pathogen associated cytoplazmy rośliny efektorów
molecular patterns patogenu patogenu przez system
przez PRR pattern recognition wydzielania T3SS
receptors rośliny
Mo\
e obejmować, zale\
nie od
Obejmuje takie zjawiska jak: kombinacji genów R i genów
wzrost pH pozakomórkowego, efektorów, wytworzenie ROS,
wzrost [Ca 2+ ], ET, ROS, NOx, zmiany ekspresji genów,
NOx, aktywację MAPKs, aktywację MAPKs.
wzrost ekspresji pewnych
Typowa dla obrony R- zale\
nej
genów (FRK1 WRKY) oraz
jest reakcja HR w wyniku
depozycję kallozy, wyciek
miejscowej PCD
pewnych barwników z
systemu przewodzącego,
zahamowanie wzrostu siewek
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 zale\
ną od genów R
NATURE REVIEWS VOLUME 7 | AUGUST 2006 | 601
Schemat wewnątrzkomórkowego 4
fazowego modelu odporności roślin
PTI - PAMP-triggered
ETS effector-triggered
immunity
susceptibility
1
3 4
2 5
PRR
rośliny
Maksymalna amplituda odporności = PTI  ETS + ETI
Faza 1 modelu zigzag
" rozpoznanie za pomocą receptorów
PRRs (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 umo\
liwiają
od\
ywianie i rozprzestrzenianie
patogenu, powodując odporność typu
ETI- effector triggered immunity
Efektory patogena i wra\
liwość
rośliny powodowana przez efektory
" Efektory patogena Cząsteczki patogena,
które zmieniają strukturę i funkcje komórki
\
ywiciela, ułatwiając infekcję i /lub
powodując reakcję obronną HR
" ETS effector-triggered susceptibility
wra\
liwość 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 nadwra\
liwości 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 ró\
ne 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, zło\
ony 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,
opóz
niających starzenie i śmierć
komórki
Rozpoznanie efektorów patogenu
bezpośrednie
" Efektory, które przezwycię\
yły 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 ni\
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 ró\
ne reakcje zale\
ne od SA i
ROS w miejscu infekcji, jego otoczeniu i systemiczne. ETI
towarzyszy wyrzut tlenowy zale\
ny 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
Bacterial elicitation and evasion of plant innate immunity
T3SS.
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 ró\
ne i mogą
występować równocześnie w danym patogenie.
" Małe cząsteczki patogenu mogą pełnić rolę efektorów na ró\
ne sposoby:
jako toksyny, hormony, autoinduktory i egzopolisacharydy EPS.
" Autoinduktory podobne do hormonów, wykrywają gęstość danej
populacji bakterii. Jeśli jest ona wystarczająco du\
a 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
ró\
nych bakterii, tak\
e biotroficznych. Patogen wydziela wiele
białek efektorowych o ró\
nej funkcji, tak\
e enzymatycznej
(proteaza cysteinowa, proteaza ubikwitynowa, ligaza,
fosfataza białkowa)
" Typ IVwydzielania (T4SS system), niezbędny w patogenezie
Agrobacterium tumefaciens. Umo\
liwia wydzielenie białek
efektorowych i DNA do gospodarza. Fragment DNA bakterii
włączany jest w DNA gospodarza i umo\
liwia 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 &!-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
\
ywiciela 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
J.Dangi, J. Jones, 2001. Plant pathogens and
integrated defence responses to infection. Nature, vol.
411:826-833.
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 mo\
e być przyłączony
do błony. Największa klasa białek R to białka NB-LRR, z domeną bogatą w powtórzenia
leucyny i domeną wią\
ącą nukleotydy oraz ró\
nymi domenami na końcu N. Są to
prawdopodobnie białka cytoplazmatyczne, choć mogą się wiązać z błoną.
Reakcja zgodności patogenu i
gospodarza zale\
na 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 mo\
e
dokonać detoksyfikacji toksyny
patogenu.
" Odporność, gdy \
ywiciel
posiada gen dominujący R do
enzymatycznej detoksyfikacji
toksyny patogenu
" Odporność tak\
e gdy nie
wra\
liwe jest na patotoksynę
białko docelowe
Odporność roślin na patogen
zale\
na od toksyn