Tom 60 2011
Numer 3 4 (292 293)
Strony 445 457
Halina Ślesak1, ireneusz Ślesak2, 3
1
Instytut Botaniki
Uniwersytet Jagielloński
Grodzka 52, 31-044 Kraków
2
Instytut Fizjologii Roślin im. Franciszka Górskiego PAN
Niezapominajek 21, 30-239 Kraków
3
Katedra Genetyki, Hodowli i Biotechnologii Roślin
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego
Nowoursynowska 159, 02-776 Warszawa
E-mail: [e-mail]
[e-mail]
ODPOWIEDy
ROŚLIN NA ZRANIENIE
WST
P
W odróżnieniu od zwierząt, większość rze obronnym i naprawczym? Wiele danych
roślin jest przytwierdzona systemem korze- wskazuje na to, że rośliny wykształciły odpo-
niowym do podłoża, co powoduje brak moż- wiednik zwierzęcego systemu odpornościo-
liwości zmiany położenia organizmu i aktyw- wego, który indukowany jest w odpowiedzi
nego unikania zagrożenia związanego z ryzy- na zranienie i infekcję przez drobnoustroje
kiem mechanicznego uszkodzenia. Jednym z chorobotwórcze. W niniejszym artykule pod-
pytań, które można zadać jest, czy zranienie jęto próbę przedstawienia wybranych zagad-
rośliny prowadzi do określonej odpowie- nień, dotyczących mechanizmów obronnych
dzi fizjologiczno-biochemicznej o charakte- i odpowiedzi rośliny na zranienie.
DEFINICJA ZRANIENIA
Utrata integralności fizycznej komórek, nie cząsteczek sygnałowych, których prze-
tkanek, czy organów rośliny, polegająca na mieszczanie się aktywuje określone grupy ge-
przerwaniu ciągłości ściany komórkowej nów obronnych. Geny te kodują białka peł-
(apoplastu) może być ogólnie zdefiniowana niące funkcje w szlakach przekazywania sy-
jako zranienie (ang. wounding), stres zranie- gnałów, naprawie uszkodzonych tkanek oraz
nia czy też uszkodzenie mechaniczne. Stres produkcji komponentów odstraszających ro-
zranienia wywołany przez czynniki biotyczne ślinożerców, ograniczających ich żerowanie i
pojawia się najczęściej w wyniku żerowania rozwój (szczegielniak 2007).
na roślinach owadów oraz całej grupy rośli- Wiele gatunków roślin wykształciło bier-
nożerców należących do kręgowców. Obok ne mechanizmy obronne przeciwko zranie-
czynników biotycznych powodujących zra- niu. Należą do nich przede wszystkim przy-
nienie, do uszkodzeń mechanicznych pro- stosowania o charakterze anatomiczno-mor-
wadzą również czynniki fizyczne (abiotycz- fologicznym, takie jak: gruba kutikula na
ne), takie jak np. wiatr, grad czy deszcz (de powierzchni epidermy, kolce, ciernie, czy
Bruxelles i roBerts 2001, león i współaut. adaptacje o charakterze chemicznym, np.
2001). Reakcja rośliny ujawnia się już po kil- produkcja toksycznych dla roślinożerców
ku minutach od zranienia i obejmuje tworze- (np. larw owadów) substancji chemicznych
Halina Ślesak, ireneusz Ślesak
446
Tabela 1. Przykłady wybranych związków chemicznych metabolizmu wtórnego produkowanych
przez rośliny w odpowiedzi na zranienie (wg constaBel 1999, Ślesak i współaut. 2001).
Związek chemiczny Gatunek
Związki fenolowe
Kwasy fenolowe, np. kwas chlorogenowy Lycopersicon esculentum, Solanum sp.
Furanokumaryny, np. ksantotoksyna Pastinaca sativa
Kumaryny, np. skopoletyna Heliantus sp., Nicotiana sp.
Stilbeny, np. pinosylwina Pinus radiata
Taniny Quercus sp., Salix sp., Betula sp.
Ligniny różne gatunki
Terpenoidy
Monoterpeny, kwasy diterpenowe Abies grandis
Alkaloidy steroidowe, np. solanidyna Solanum sp.
Kukurbitacyny Cucurbita maxima
Alkaloidy
Nikotyna Nicotiana attenuata
Alkaloidy tropanowe, np. apoatropina Atropa acuminata
Kwasy hydroksamowe Triticum aestivum
w różnych organach roślinnych (constaBel
1999, león i współaut. 2001, dicke i Van
Poecke 2002, kessler i Baldwin 2002) (Ta-
bela 1).
W uszkodzonych komórkach dochodzi
do znacznego zaburzenia funkcji życiowych.
Oprócz ściany komórkowej, zazwyczaj zerwa-
niu podlega również ciągłość plazmolemy i
innych przedziałów komórkowych, np. wa-
kuoli, chloroplastów itp. (león i współaut.
2001). Zranienie tkanki roślinnej prowadzić
może do znacznej utraty wody, co w efekcie
wywołuje również objawy stresu wodnego.
W przypadku zranienia wywołanego przez
owady roślinożerne dodatkowym czynni-
kiem, oprócz zranienia mechanicznego, jest
oddziaływanie substancji chemicznych (tzw.
elicytorów) zawartych w ślinie owadów, któ-
Ryc. 1. Ogólna charakterystyka odpowiedzi
re wzmacniają odpowiedz
rośliny na uszko-
rośliny na zranienie, które wywołuje tzw. od-
dzenie mechaniczne (dicke i Van Poecke
powiedz
indukowaną (ang. induced response,
2002, kessler i Baldwin 2002). Przykładem
IR).
są inceptyny, nowa klasa białkowych elicyto-
Pokazano wybrane substancje chemiczne produko-
rów odkrytych w cofającym się, strawionym
pokarmie larw, żerujących na fasolniku chiń- wane w odpowiedzi na zranienie; H2O2: nadtlenek
wodoru, JA: kwas jasmonowy, MeJA: jasmonian me-
skim (Vigna unguiculata). Inceptyna w tak
tylu, OGA: kwas oligogalakturonowy, ROS: reak-
małych ilościach jak 1 femtomol (10 15 M)
tywne formy tlenu oraz lotne związki organiczne
na liść indukuje zwiększenie poziomu kwasu
jasmonowego (ang. jasmonic acid, JA) i kwa- (VOC), które są chemoatraktantami dla owadów dra-
pieżnych lub pasożytniczych atakujących roślinożer-
su salicylowego (ang. salicylic acid, SA) w
liściach, a także uwolnienie etylenu i terpe- ców.
Odpowiedz
roślin na zranienie
447
noidów (Felton i tumlinson 2008). Zranio- local response). Jednocześnie informacja o
na roślina reaguje tzw. odpowiedzią aktywo- uszkodzeniu może być przekazywana do in-
waną zranieniem (ang. wound-activated re- nych, często odległych od miejsca zranienia,
sponse), która ma na celu regenerację uszko- nieuszkodzonych części rośliny. W tym dru-
dzonej tkanki i obronę organizmu przed gim przypadku odpowiedz
rośliny ma cha-
negatywnymi skutkami zranienia (león i rakter systemowy (ang. systemic response) i
współaut. 2001). Uszkodzenie tkanki w okre- często jest określana jako tzw. odpowiedz
in-
ślonym miejscu wywołuje odpowiedz
w ob- dukowana (ang. induced response, IR) (Ryc.
rębie miejsca zranienia i wówczas mamy do 1) (Bostock i współaut. 2001, león i współ-
czynienia z tzw. odpowiedzią lokalną (ang. aut. 2001).
SYGNAA
Y O ZRANIENIU
Obserwowana na poziomie komórek i micznym cząsteczek regulatorowych jest za-
tkanek odpowiedz
jest wynikiem działania angażowanych w przekazywanie informacji
całego zespołu czynników o charakterze o zranieniu. Do podstawowych substancji
egzo- i endogennym (de Bruxelles i ro- sygnałowych należą: systemina, oligosachary-
Berts 2001, león i współaut. 2001). Spośród dy uwalniane z uszkodzonej ściany komórko-
najwcześniejszych zdarzeń biochemicznych wej, głównie kwas oligogalakturonowy (ang.
zaangażowanych w odpowiedz
na uszko- oligogalacturonic acid, OGA) i cząsteczki peł-
dzenie tkanki należy wymienić zmiany w: niące rolę hormonów. Do tej drugiej grupy
tzw. potencjale transbłonowym i wewnątrz- należą przede wszystkim kwas jasmonowy i
komórkowym stężeniu jonów Ca+2, produk- jego pochodne oraz etylen i kwas abscysyno-
cję reaktywnych form tlenu (ang. reactive wy (ang. abscisic acid, ABA) (Ryc. 1) (Paul
oxygen spiecies, ROS), aktywację kanałów i współaut. 2000, de Bruxelles i roBerts
jonowych i związanych z cytoszkieletem re- 2001, león i współaut. 2001).
ceptorów wrażliwych na zmiany napręże- Jak wspomniano powyżej, jedną z pod-
nia (ang. stretch-sensors) oraz modyfikacje stawowych substancji, która pojawia się w
potranslacyjne białek (koo i Howe 2009). tkankach w wyniku zranienia jest systemina
Wiele zróżnicowanych pod względem che- (Ryc. 1, 2). Systeminę zidentyfikowano po-
czątkowo w liściach pomidora (Lycopersicon
esculentum), następnie ziemniaka (Solanum
Ryc. 2. Model transdukcji sygnału zranienia w
odpowiedzi lokalnej i systemowej u Lycopersi-
con esculentum (wg orozco-c�rdenas i współ-
aut. 2001, gateHouse 2002, zmienione).
Uszkodzenie tkanki poprzez zranienie mechaniczne
lub atak roślinożercy aktywuje biosyntezę JA z kwa-
su linolenowego w tzw. szlaku oktadekanoidowym.
Kwas linolenowy powstaje w wyniku związania
przez odpowiedni receptor systeminy i aktywność
fosfolipazy PLA2. JA może być metabolizowany do
różnych pochodnych, spośród których pokazano
MeJA. OGA może aktywować oksydazę NADPH w
błonie komórkowej, co prowadzi do produkcji ROS,
głównie H2O2. W odpowiedz
systemową zaangażo-
wana jest systemina i pochodne JA. W efekcie tej
odpowiedzi roślina produkuje PIN, PPO oraz wiele
związków metabolizmu wtórnego (león i współaut.
2001); CM: kalmodulina, ko: komórki okołowiązko-
we, MeJA: jasmonian metylu, OGA: kwas oligogalak-
turonowy, PIN: inhibitory proteinaz, PLA2: fosfolipa-
za A2, PPO: oksydaza polifenolowa, R: receptor dla
systeminy (SR 160), wp: wiązka przewodząca.
Halina Ślesak, ireneusz Ślesak
448
tuberosum), papryki (Capsicum sp.) i wilczej z 165 aminokwasowego prekursora, nie wy-
jagody (Atropa belladonna) (szczegielniak kazującego homologii do prosysteminy. Ak-
2007). Systemina jest 18-aminokwasowym tywują one syntezę obronnych białek PIN w
oligopeptydem, który powstaje w wyniku sposób zbliżony do systeminy. Wskazuje to,
zranienia z 200-aminokwasowego prekursora że strukturalne różnice pomiędzy hormona-
tzw. prosysteminy (matsuBayasHi i współaut. mi peptydowymi różnych gatunków roślin
2001, ryan i współaut. 2002). Biosynteza nie stanowią przeszkody, aby hormony te
prosysteminy zachodzi w komórkach mię- pełniły podobną funkcję. Co ciekawe, sytu-
kiszowych floemu (narVaez-Vasquez i ryan acji takiej nie spotyka się w świecie zwierząt
2004). Systemina jest oligopeptydem, który (Pearce i wpółaut. 2001).
pojawia się zarówno w odpowiedzi lokalnej Obok wspomnianych związków chemicz-
jak i systemowej, albowiem może być trans- nych wskazuje się również inne czynniki
portowana na duże odległości w obrębie ro- lub układy sygnałowe uczestniczące w odpo-
śliny (de Bruxelles i roBerts 2001, león i wiedzi systemowej. Zalicza się do nich im-
współaut. 2001). Stwierdzono, że systemina pulsy elektryczne pojawiające się w wyniku
jest transportowana w soku floemowym, acz- zranienia, jak również falę hydrauliczną (de
kolwiek mechanizm tego transportu nie zo- Bruxelles i roBerts 2001, león i współaut.
stał dotychczas szczegółowo poznany (ryan 2001).
i współaut. 2002). Aktywność fizjologiczną W wyniku uszkodzenia tkanki obserwuje
systemina wykazuje już w ilościach femtomo- się również wzmożoną produkcję reaktyw-
lowych (w przeliczeniu na świeżą masę rośli- nych form tlenu (ROS), takich jak aniono-
ny) i dlatego zaliczana jest do grupy peptydo- rodnik ponadtlenkowy (O2�Ł) czy nadtlenek
wych hormonów roślinnych (matsuBayasHi i wodoru (H2O2). W obrębie liścia H2O2 był
współaut. 2001, ryan i współaut. 2002). Jej generowany zarówno w odpowiedzi lokal-
główną funkcją jest indukcja genów dla in- nej, jak i systemowej (orozco-cardenas i
hibitorów proteinaz (PIN). Inhibitory prote- ryan 1999). orozco-cardenas i ryan (1999)
inaz (PIN) mają kluczowe znaczenie w ge- stwierdzili ponadto, że zarówno uszkodzenie
nerowaniu odporności roślin na zranienie mechaniczne, jak i obecność systeminy, OGA
i atak roślinożerców. Ich działanie obronne i JA wywołują akumulację H2O2 w tkankach
polega na inaktywacji enzymów trawiennych na drodze systemowej. Badania prowadzo-
owadów, takich jak trypsyna i chymotryp- ne na Pisum sativum przez liu i współaut.
syna (constaBel 1999, kessler i Baldwin (2008) dowiodły, że zarówno JA jak i H2O2
2002). W ziemniaku i pomidorze stwierdzo- są włączone w transdukcję sygnału o zranie-
no indukcję serynowych inhibitorów pro- niu i odgrywają ważną rolę w odpowiedzi
teinaz i wyróżniono ich dwie rodziny, tzw. obronnej indukowanej zranieniem. Uszko-
PIN I i PIN II (constaBel 1999, ryan 2000). dzenie stymuluje szybką syntezę de novo JA.
Z liści pomidora (Lycopersicon esculentum) Zwiększony poziom JA wywołuje natomiast
wyizolowano też trzy bogate w hydroksy- produkcję H2O2 przez błonową oksydazę
prolinę glikopeptydy, o długości: 20, 18 i 15 NADPH. Ponadto, orozco-c�rdenas i współ-
aminokwasów, które były odpowiedzialne aut. (2001) wykazali, że egzogenny H2O2 in-
za aktywację genów obronnych, podobnie dukował ekspresję genów PIN. Na skutek
jak systemina (Pearce i ryan 2003). Pepty- uszkodzenia mechanicznego stwierdzono
dy te powstają z pojedynczego, indukowa- również wzrost aktywności jednego z pod-
nego zranieniem prekursora o długości 146 stawowych enzymów antyoksydacyjnych ja-
aminokwasów. Traktowanie młodych łodyg kim jest dysmutaza anionorodnika ponadtlen-
pomidora tymi peptydami w ilościach fem- kowego (ang. superoxide dismutase, SOD)
tomolowych indukowało syntezę białek PIN, (cHandru i współaut. 2003, Ślesak i współ-
co sugeruje, że stanowią one istotną część aut. 2008) oraz wzrost aktywności niespecy-
sygnału o zranieniu, który z kolei aktywuje ficznych oksydaz polifenolowych (ang. po-
obronę przeciwko roślinożercom i patoge- lyphenol oxidase, PPO), a także peroksydaz
nom. Uważa się, że wymienione wyżej pepty- (constaBel 1999, gateHouse 2002). Oksyda-
dy zaliczane do rodziny systemin, są syntety- zy polifenolowe katalizują reakcje utleniania
zowane w odpowiedzi na atak roślinożerców związków monofenolowych i orto-difenolo-
lub inne uszkodzenie mechaniczne, zarówno wych przy udziale tlenu cząsteczkowego, a
w liściach uszkodzonych jak i w tych niezra- produktem ich działania są wysoce reaktyw-
nionych (Pearce i ryan 2003). U tytoniu na- ne orto-chinony, które spontanicznie polime-
tomiast opisano dwa polipeptydy powstające ryzują z innymi biomolekułami. Efektem tych
Odpowiedz
roślin na zranienie
449
reakcji jest charakterystyczne brązowienie co-cardenas i współaut. (2001) sugerują, że
tkanki w miejscu zranienia. Wiązanie się chi- poligalakturonaza w obrębie komórek oko-
nonowych pochodnych z białkami prowadzi łowiązkowych może aktywować błonową
do ich wytrącania i utrudnia trawienie ta- oksydazę NADPH, która z kolei przyczynia
kich kompleksów roślinożercom (constaBel się do wzmożonej produkcji O2�Ł i H2O2. W
1999). Peroksydazy natomiast utleniają wiele tym modelu wiązki przewodzące stanowiły-
substancji, m. in. związki fenolowe. Ocenia by główny system, który umożliwia transport
się, że zasadniczą funkcją peroksydaz w reak- nadtlenku wodoru (Ryc. 2). Endogenne po-
cji na zranienie jest udział w procesach na- chodzenie oligogalakturonidów potwierdzają
prawczych, takich jak biosynteza ligniny pod- wyniki doświadczeń, w których systemina
czas odbudowy uszkodzonej ściany komór- indukowała gen dla poligalakturonazy. Po-
kowej (constaBel 1999). W reakcjach kata- nadto, oligogalakturonidy aktywują ekspresję
lizowanych przez peroksydazy substratem indukowanych zranieniem genów PIN u So-
jest H2O2, stąd też nadtlenek wodoru, oprócz lanaceae. Chociaż oligosacharydy mogą po-
wspomnianych wcześniej funkcji sygnało- chodzić z mechanicznego uszkodzenia ścian
wych, pełni również rolę czynnika uczest- komórek roślinnych, indukowane zranieniem
niczącego w naprawie ściany komórkowej geny poligalakturonazy, opisane u pomidora,
i ograniczającego wzrost mikroorganizmów mogą być odpowiedzialne za produkcję en-
chorobotwórczych, które mogą wnikać do dogennych oligogalakturonidów podczas zra-
zranionej tkanki. Opisana powyżej wzmożo- nienia. Biorąc pod uwagę fakt, że poligalak-
na produkcja H2O2, jaką obserwuje się w wy- turonidazy są indukowane przez systeminę,
niku zranienia, jest bardzo podobna do ana- oligogalakturonidy mogą reprezentować etap
logicznego procesu, który ma miejsce pod- pośredni w sygnalizacji odpowiedzi lokalnej,
czas zakażenia rośliny patogenami (HeatH już po wytworzeniu systeminy w miejscu
2000, Bostock i współaut. 2001). Co cieka- uszkodzenia. Ponadto, w komórkach pomido-
we, podobne zjawisko zwiększonej produkcji ra oligogalakturonidy wywołują  wybuch tle-
ROS, tzw.  wybuch tlenowy (ang. oxidative nowy , co sugeruje, że przynajmniej w tym
burst), występuje u ssaków podczas reakcji przypadku sekwencja zdarzeń: zranienie
neutrofili na stan zapalny wywołany wnik- systemina oligogalakturonidy ROS nale-
nięciem do organizmu drobnoustrojów cho- ży do tego samego szlaku transdukcji sygna-
robotwórczych (l�tHje i współaut. 2000). łu. Natomiast u Arabidopsis oligogalakturoni-
Innym ważnym czynnikiem chemicz- dy pośredniczą w zahamowaniu szlaku sygna-
nym, zaangażowanym w odpowiedz
lokalną, łowego zależnego od JA, oddziałując lokalnie
jest wspomniany wcześniej OGA (Ryc. 1, 2). poprzez produkcję etylenu w uszkodzonych
Związek ten jest produktem hydrolizy polisa- tkankach. Z kolei w odpowiedzi systemowej
charydów ściany komórkowej, katalizowanej w pełni funkcjonuje ścieżka sygnałowa zależ-
przez poligalakturonazę mikroorganizmów na od JA (león i współaut. 2001).
chorobotwórczych (gateHouse 2002). oroz-
ROLA FITOHORMONÓW
Wspólną cechą odpowiedzi na zranienie z etapów biosyntezy ABA jest aktywowany
u roślin, związaną z pojawieniem się systemi- przez zranienie. Dobrze udokumentowany
ny i OGA, jest lokalna i systemowa akumula- jest fakt, że poziom ABA rośnie w tkankach
cja JA i ABA (de Bruxelles i roBerts 2001, roślinnych poddanych stresowi suszy (wil-
león i współaut. 2001, gateHouse 2002). kinson i daVies 2002) i przypuszcza się, że
Przypuszcza się, że za wzmożoną produkcję szlak syntezy ABA w zranionych organach
ABA na skutek zranienia odpowiedzialne jest przebiega podobnie jak w przypadku stresu
odwodnienie tkanek (reymond i współaut. wodnego (león i współaut. 2001).
2000). Niemniej jednak nie wiadomo, który
KWAS JASMONOWY i jego PocHodne
Istotną rolę w odpowiedzi roślin na zranie- wy. W ostatniej dekadzie zbadano szlak sygna-
nie odgrywa wspomniany już kwas jasmono- łowy z udziałem JA u przedstawicieli roślin
Halina Ślesak, ireneusz Ślesak
450
dwuliściennych, takich jak np.: Arabidopsis szych godzin po zranieniu rośliny akumulują
thaliana, Lycopersicon esculentum, Nicotiana kwas fosfatydowy i niezestryfikowane kwasy
tabacum, i na mniejszą skalę u roślin jedno- tłuszczowe, które powstają na skutek działa-
liściennych (np. Hordeum vulgare, Oryza sa- nia głównie fosfolipazy typu A2 (PLA2) i fosfo-
tiva) (kazan i manners 2008). W dojrzałych, lipazy typu D (PLD) (de Bruxelles i roBerts
nie poddanych działaniu elicitorów liściach, 2001, león i współaut. 2001). Kluczowym
JA jest utrzymywany na niskim poziomie, acz-  punktem kontrolnym w syntezie JA jest
kolwiek pod wpływem specyficznej stymu- wspomniana wcześniej syntaza tlenku allenu
lacji, po kilku minutach, następuje indukcja (AOS). W zranionych roślinach stwierdzono
jego syntezy (glauser i współaut. 2008). Po wzrost poziomu mRNA dla AOS jak i ilości
zranieniu lub ataku roślinożercy sygnał jest samego enzymu (león i współaut. 2001). Wy-
szybko przekazywany do plastydów w celu kazano również, że synteza 12-OPDA, jednego
rozpoczęcia natychmiastowej produkcji JA. z prekursorów JA zachodzi w chloroplastach,
Szybka odpowiedz
musi wynikać z aktywacji skąd najprawdopodobniej związek ten jest
enzymów biosyntezy JA, obecnych w tkance transportowany do peroksysomów i tam ule-
dzięki dostępności substratów i/lub modyfi- ga b-oksydacji prowadzącej do powstania JA
kacji potranslacyjnych odpowiednich enzy- (scHaller 2001, weBer 2002). Warto zwrócić
mów (kallenBacH i współaut. 2010). Ostatnio uwagę, że w modelu transdukcji sygnału o
zidentyfikowano kilka czynników regulacyj- zranieniu proponowanym przez orozco-car-
nych, które wpływają na produkcję JA. Nato- denas i współaut. (2001) głównym z
ródłem
miast nadal nie wiadomo w jaki sposób regu- kwasu linolenowego są fosfolipidy błony ko-
latory te wpływają na biosyntezę kwasu jasmo- mórkowej, a szlak oktadekanoidowy zachodzi
nowego. Przykładowo, u Nicotiana attenuata w cytozolu (Ryc. 2). Lokalizacja biosyntezy JA
wykazano, że w biosyntezie JA uczestniczą in- w kompleksie komórki towarzyszące-elementy
dukowana salicylanami kinaza białkowa (ang. sitowe floemu jest ważna w kontekście ba-
salicylic acid-induced protein kinase, SIPK), dań, które dowodzą akumulacji prosysteminy
indukowana zranieniem kinaza białkowa (ang. w komórkach miękiszowych floemu (narVa-
wound-induced protein kinase, WIPK), biał- ez-Vasquez i ryan 2004). Wyraz
ne oddziele-
ko regulatorowe NPR1 (ang. non-expressor nie prosysteminy i enzymów biosyntezy JA i
PR-1) oraz elicytor owada 18:3-Glu (ang. ich lokalizacja w różnych typach komórek,
N-linolenoyl-glucose). Dodatkowo wykazano, sugeruje model, w którym przyłączanie syste-
że hamowana zranieniem plastydowa glicero- miny do tzw. receptora SR160 na powierzch-
lipaza (GLA1) odgrywa zasadniczą rolę w in- ni komórek towarzyszących inicjuje syntezę
dukcji biosyntezy de novo JA, co sugeruje, że transportowanego floemem JA (scHilmiller i
wymienione powyżej czynniki (SIPK, NPR1, Howe 2005). Większość genów, które kodu-
18:3-Glu) mogą zwiększać efekt działania tego ją enzymy niezbędne w biosyntezie JA jest
enzymu przez regulację jego aktywności. Prze- aktywowana zranieniem, a część z nich: lipo-
ciwnie do SIPK i NPR1, WIPK nie wpływa na oksygenaza (ang. lipooxygenase, LOX), synta-
produkcję kwasu linolenowego, ale kontrolu- za tlenku allenu (AOS), reduktaza 12-OPDA
je jego przekształcenie do kwasu 12-okso-fy- są również indukowane przez egzogenny JA,
todienowego (ang. 12-oxo-phytodienoic acid, co sugeruje kontrolę na zasadzie sprzężenia
12-OPDA). Kontrola ta polega na, co najmniej zwrotnego dodatniego, tzn. JA stymuluje swo-
częściowej, regulacji aktywności syntazy tlen- ją dalszą produkcję (Ryc. 2) (león i współaut.
ku allenu (ang. allene oxide synthase, AOS) 2001, deVoto i turner 2003). Kwas jasmo-
(kallenBacH i współaut. 2010). JA jest synte- nowy ulega różnym enzymatycznym trans-
tyzowany w uszkodzonych tkankach w tzw. formacjom, w efekcie których powstają jego
szlaku oktadekanoidowym (Ryc. 2). Wiele do- pochodne, różniące się aktywnością biolo-
wodów wskazuje na to, że związkiem, który giczną. Do głównych szlaków metabolicznych
aktywuje szlak oktadekanoidowy jest systemi- kwasu jasmonowego należy: (1) metylacja C-1,
na (Ryc. 2) (ryan 2000, gateHouse 2002). W w efekcie której powstaje lotny ester mety-
szlaku regulowanym przez systeminę funkcjo- lowy JA (MeJA), który zidentyfikowano jako
nuje kaskada sygnałowa zachodząca z udzia- zapachowy komponent kwiatów jaśminu, (2)
łem fosfolipaz, które uwalniają z błony fosfo- dekarboksylacja C-1, prowadząca do formo-
lipidowej pierwszy prekursor JA, czyli wspo- wania innej lotnej substancji: cis-jasmonu, (3)
mniany wyżej 18-węglowy kwas linolenowy hydroksylacja C-12 (lub C-11) prowadząca do
(Ryc. 2) (ryan 2000, león i współaut. 2001). powstania kwasu tuberonowego i pokrew-
Ponadto zaobserwowano, że podczas pierw- nych pochodnych, które mogą być następnie
Odpowiedz
roślin na zranienie
451
modyfikowane przez sulfonowanie lub gli- komórkach nie poddanych stresowi zranie-
kozylację, (4) redukcja C-6, dająca w efekcie nia, zawierających niski poziom JA, czynni-
kwas kukurbinowy, który może być dalej es- ki transkrypcyjne, które stymulują ekspresję
tryfikowany do pochodnych cukrowych oraz genów odpowiedzi zależnej od JA, są hamo-
(5) wiązanie za pośrednictwem grupy ami- wane przez represory transkrypcji białka JAZ
dowej grupy karboksylowej z izoleucyną lub (ang. JAsmonate ZIM-domain). Zwiększony
z innymi aminokwasami, które prowadzą do poziom JA stymuluje przyłączanie JAZ do
powstania m. in. koniugatu kwas jasmonowy- COI1 (ang. coronatine insensitive 1), białka
izoleucyna (JA-Ile) (Browse i Howe 2008). z domeną F, będącego podjednostką ligazy
Ponadto, uwolniony z błon biologicznych ubikwitynowej E3 typu SCF. Indukowana
kwas linolenowy może być przekształcony w hormonem interakcja COI1-JAZ wyzwala de-
szlaku oktadekanoidowym w inne, obok JA, gradację JAZ poprzez proteasom 26S, powo-
tzw. oksylipiny, które pojawiają się w rośli- dując odblokowanie (derepresję) czynników
nach w wyniku zranienia (constaBel 1999, transkrypcyjnych (Browse i Howe 2008,
león i współaut. 2001, turner i współaut. Browse 2009, Howe 2010). Białku COI1,
2002). Oksylipiny powstają również w re- wykazującemu strukturalne i funkcjonalne
zultacie utleniania enzymatycznego innych podobieństwo do receptora auksyn TIR1
kwasów tłuszczowych i większość z nich wy- (ang. transport inhibitor response 1), coraz
kazuje aktywność biologiczną (weBer 2002). częściej przypisuje się funkcję receptora JA.
Warto tutaj podkreślić fakt, że wspomniany Percepcja opisanego powyżej sygnału prowa-
już prekursor JA, czyli 12-OPDA, jest pod dzącego do aktywacji ligazy ubikwityny E3
względem strukturalnym bardzo podobny ma miejsce na terenie jądra komórkowego
do prostaglandyn, które powstają w tkan- (Frankowski i współaut. 2009).
kach ssaków w stanach zapalnych, w wyniku Interakcja COI1-JAZ nie jest stymulowana
przemian kwasu arachidonowego (mueller przez JA, MeJA czy też 12-OPDA, ale przez
1997). Podobieństwa pomiędzy szlakiem bio- koniugat JA-izoleucyna (JA-Ile) (koo i Howe
syntezy prostaglandyn i JA sugerują, że jest to 2009). Mimo, że koniugaty są powszechnie
archaiczna droga metaboliczna o podstawo- uważane za formę magazynowania lub trans-
wym znaczeniu obronnym dla organizmów portowania hormonu, dzięki której roślina
wyższych, która powstała na dość wczesnych utrzymuje hormonalną homeostazę, to jednak
etapach ewolucji. JA-Ile pełni rolę aktywnej i specyficznej czą-
Wytworzony w szlaku oktadekanoido- steczki sygnałowej, promującej oddziaływa-
wym JA sam może działać jako sygnał sys- nia białek COI1 i JAZ (Frankowski i współ-
temowy aktywując różne grupy genów i aut. 2009). Obecny model dotyczący roli JA
enzymów uczestniczących w reakcji rośliny w przekazie sygnału zranienia, wskazuje, że
na stres zranienia, takich jak: inhibitory pro- sygnał jest inicjowany poprzez kumulację JA-
teinaz, peroksydazy, oksydazy polifenolowe Ile do poziomu wystarczającego do indukcji
(tHaler i współaut. 1996) oraz SOD (comPa- interakcji COI1-JAZ. Mechaniczne uszkodze-
rot i współaut. 2002). Badania prowadzone nie tkanki już po 5 minutach od zranienia
przez yang i współaut. (2011) wykazały, że powoduje ok. 25-krotny wzrost akumulacji
u Nicotiana attenuata gen NaBAK1 jest nie- JA i JA-Ile. Tak duża szybkość produkcji JA i
zbędny dla indukowanej przez roślinożercę JA-Ile sugeruje, że wszystkie enzymy zaanga-
akumulacji JA. Gen ten koduje fragment re- żowane w ich biosyntezę są obecne w nie
ceptora dla brassinosteroidów, i dodatkowo, poddanych stresowi zranienia komórkach.
na zasadzie kontroli negatywnej, reguluje ak- Uszkodzone liście akumulują również inne
tywność białkowych inhibitorów trypsyny in- koniugaty JA z aminokwasami, takie jak: JA-
dukowanej przez roślinożercę. Val i JA-Leu. Jednak badania wskazują, że
Wspomniany wyżej MeJA jest substancją poziom JA-Ile jest co najmniej 10-krotnie
lotną, którą można zaliczyć do tzw. lotnych wyższy niż dwóch pozostałych koniugatów,
związków organicznych (ang. volatile organic co może wskazywać, że JA-Ile jest główną
compounds, VOC). Dlatego też MeJA odgry- cząsteczką sygnałową u Arabidopsis w odpo-
wa istotną rolę w komunikacji międzykomór- wiedzi na zranienie zależnej od COI1 (koo i
kowej jak również w wywoływaniu reakcji współaut. 2009).
obronnych u innych roślin w populacji (seo Warto dodać, że u Arabidopsis thalia-
i współaut. 2001, Baldwin i współaut. 2002). na oprócz znanych pochodnych kwasu
Odpowiedz
na JA jest zwykle zależna od jasmonowego takich jak: kwas hydroksy-
szerokiej gamy zmian w ekspresji genów. W jasmonowy (HOJA), koniugat JA-Ile i jego
Halina Ślesak, ireneusz Ślesak
452
12-hydroksylowe pochodne (12-HOJA-Ile), wach głównych (ang. midvein) zranionych
został odkryty nowy związek, indukowa- liści, co wyraz
nie odróżniało je od innych
ny zranieniem: 12-karboksyjasmonianoylo- badanych pochodnych JA (glauser i współ-
L-izoleucyna (12-HOOCJA -Ile). Obecność aut. 2008).
HOJA i 12-HOOCJA-Ile stwierdzono w ner-
ETYLEN
Substancją o charakterze hormonalnym powiedzi lokalnej, a pozostaje bez wpływu
produkowaną w dużej ilości na skutek zra- na efekty systemowe regulowane przez JA
nienia jest etylen. Świadczy o tym induk- (wang i współaut. 2002).
cja genów zaangażowanych w biosyntezę W przekaz sygnałów w obrębie komórek
tego hormonu (Bouquin i współaut. 1997). i tkanek włączony jest szereg jeszcze innych
Stwierdzono również, że systemina, OGA i związków chemicznych. Między innymi wy-
JA powodowały wzmożoną produkcję ety- kazano, że w wyniku stresu mechanicznego
lenu w kulturach komórkowych pomidora wzrasta poziom tlenku azotu (NO) (garcęs
oraz etylen wywoływał ekspresję genów dla i współaut. 2001). W innych doświadcze-
PIN II (o donnell i współaut. 1996). Z dru- niach stwierdzono, że rośliny traktowane ni-
giej strony, pojawiły się fakty świadczące o troprusydkiem sodu, który jest powszechnie
tym, że u Arabidopsis w odpowiedzi lokalnej stosowanym donorem NO, wykazywały zaha-
etylen może inhibować ekspresję genów za- mowanie akumulacji H2O2 i syntezy PIN w
leżną od JA (rojo i współaut. 1999). Ponad- wyniku zranienia (orozco-cardenas i ryan
to sądzi się, że etylen może hamować szlak 2002).
metaboliczny zależny od JA głównie w od-
LOTNE ZWI
ZKI ORGANICZNE
Najlepiej poznaną odpowiedzią fizjologicz- Vickers i współaut. (2009) zapropono-
ną roślin na atak roślinożercy jest synteza de wali model  pojedynczego biochemicznego
novo lotnych związków organicznych (VOC), mechanizmu dla wielu fizjologicznych stre-
które są następnie uwalniane do atmosfery sorów , wprowadzający ujednolicone wy-
i pełnią rolę chemoatraktantów dla natural- jaśnienie ochrony sprawowanej przez lot-
nych wrogów roślinożerców (szczegielniak ne terpeny w zróżnicowanych warunkach
2007) (Ryc. 1). Dodatkowo, uwolnienie VOC, stresowych. Według ww. autorów węgiel
jako skutek ataku roślinożercy, może być jest przekierowywany do produkcji lotnych
efektem uszkodzenia istniejących struktur, w związków w warunkach stresowych, a na-
których lotne związki są zmagazynowane, ta- stępnie obecność tych związków powoduje
kich jak kanały żywiczne lub włoski gruczo- ochronę rośliny przed niekorzystnymi czyn-
łowe (HoloPainen i gersHenzon 2010). Co nikami stresowymi, co wyjaśnia ich wysoki
ciekawe, wykazano, że VOC mogą być uwal- metaboliczny koszt produkcji. W badaniach
niane przez znacznie większy obszar tkanek prowadzonych przez laotHawornkitkul i
niż tylko te uszkodzone i nawet fluktuacje współaut. (2008) nad transgenicznym tyto-
w natężeniu światła i temperatury regular- niem, jako modelem interakcji roślina-owad,
nie obserwowane w naturze, mogą induko- po raz pierwszy wykazano, że izopren (jeden
wać emisję VOC (loreto i współaut. 2006). z VOC, spokrewniony z mono- i seskwiterpe-
Dwoma najbardziej popularnymi składnikami nami) może być rozpoznawany przez żerują-
mieszaniny lotnych związków są terpeny (C10 ce gąsienice, zniechęcając je do spożywania
monoterpeny i C15 seskwiterpeny) oraz lotne wydzielającej go rośliny. Chemiczne sygnały
związki z zielonych liści (C6 aldehydy, alkoho- VOC od roślin uszkodzonych przez roślino-
le i estry uzyskane z rozkładu przez lipoksy- żerców alarmują zdrowych sąsiadów do pod-
genazę kwasów tłuszczowych, wchodzące w jęcia obrony w celu efektywniejszej odpo-
skład typowego zapachu uszkodzonych liści) wiedzi na potencjalny atak (Felton i tumlin-
(unsicker i współaut. 2009). Lotne terpeny son 2008). W rozważaniach dotyczących zło-
zwiększają zdolności roślin w radzeniu sobie żonych interakcji roślina-roślinożerca, warto
z wewnętrznymi zmianami oksydacyjnymi i z wziąć pod uwagę fakt, że tylko wieloaspek-
odpowiedzią roślin na stres. towe podejście obejmujące fitohormony, od-
Odpowiedz
roślin na zranienie
453
powiedz
transkrypcyjną i biosyntezę meta- nych przez roślinożerców roślinnych lotnych
bolitów, pozwoli na zbadanie mechanizmów związków (ang. herbivore-induced plant vola-
leżących u podstaw emisji tzw. indukowa- tiles, HIPV) (dicke i współaut. 2009).
ZALEŻNOŚĆ POMI
DZY ODPOWIEDZI
NA ZRANIENIE A REAKCJ
NA INFEKCJ
PRZEZ
PATOGENY
Na roślinę w naturalnym środowisku uważyć podobieństwa pomiędzy odpowie-
oddziałuje cały wachlarz czynników streso- dzią typu HR i SAR a lokalną i systemową
wych. Dlatego trudno sobie wyobrazić, aby odpowiedzią rośliny na zranienie, czyli opi-
transdukcja sygnału o zranieniu nie pokry- sywaną wcześniej odpowiedzią indukowaną
wała się, przynajmniej częściowo, z innymi (IR). Istotne różnice pomiędzy odpowiedzią
znanymi szlakami sygnałowymi w komórce rośliny na atak patogena i odpowiedzią na
roślinnej, zwłaszcza z tymi, które pojawiają zranienie pojawiają się przede wszystkim na
się w rezultacie działania innych niż uszko- poziomie molekularnym. Główną substancją
dzenie mechaniczne czynników stresowych. sygnałową w reakcji typu SAR jest kwas sa-
Zranienie stwarza drobnoustrojom chorobo- licylowy (SA) (metraux i współaut. 2002).
twórczym sprzyjające warunki do zainfeko- O odmienności dróg sygnałowych odpowie-
wania rośliny. Dlatego uzasadnione wydaje dzialnych za reakcję na zranienie i infekcję
się przypuszczenie, że odpowiedz
na zranie- patogenami świadczą doniesienia, w których
nie i reakcja na infekcję przez patogeny będą SA lub drobnoustroje chorobotwórcze hamo-
podobne. Umownie wyróżnia się dwie klasy wały zależną od JA odpowiedz
na zranienie
odpowiedzi roślin na zakażenie patogenem. (Preston i współaut. 1999). Z drugiej strony,
Jedna z nich to tzw. reakcja nadwrażliwości uszkodzenie ściany komórkowej przez enzy-
(ang. hypersensitive response, HR). Istotą tej my organizmu patogennego Erwinia caro-
odpowiedzi, wywołanej przez awirulentnego tovora indukowało odpowiedz
zależną od
dla danej rośliny patogena, jest powstawanie JA (norman i współaut. 1999). Jedną z cech
martwiczych brunatnych plam w zainfeko- charakterystycznych SAR jest indukcja genów
wanych miejscach. Ponadto obszar zakażenia dla tzw. białek PR (ang. pathogenesis-related
zostaje odizolowany od reszty zaatakowane- proteins), które są białkami obronnymi skie-
go organu (np. liścia) warstwą odcinającą, w rowanymi przeciwko drobnoustrojom cho-
której zachodzi szybkie obumieranie komó- robotwórczym (Felton i kortH 2000, n�rn-
rek, czyli tzw. programowana śmierć komór- Berger i scHeel 2001, Ham i Bent 2002). W
ki (ang. programmed cell death, PCD). W przeciwieństwie do SAR, szlak sygnałowy
efekcie prowadzi to do  odrzucenia przez pojawiający się w odpowiedzi na zranienie
zdrową część rośliny chorej tkanki lub orga- jest rezultatem działania głównie szlaku okta-
nu i zapobiega rozprzestrzenianiu się infekcji dekanoidowego i JA, bez udziału SA (Ryc. 2).
(HeatH 2000, Ham i Bent 2002). Podobnie Zatem istnieje pogląd na temat odmienno-
jak w przypadku zranienia, w reakcję typu ści szlaków sygnałowych zaangażowanych w
HR zaangażowane są ROS, jony Ca2+ i okre- odpowiedz
na infekcję patogenem i reakcję
ślone kinazy białkowe (scHaller 2001). Re- na zranienie (Felton i kortH 2000, Paul i
akcja HR ma zazwyczaj charakter miejscowy, współaut. 2000). Obecnie zaczyna obowiązy-
ale może być również związana z odpowie- wać opinia, że również JA może być odpo-
dzią systemową (metraux i współaut. 2002, wiedzialny za odporność na pewne patogeny
wHitHam i dinesH-kumar 2002). Drugi typ i odwrotnie  elicytory pochodzące od pa-
odpowiedzi na atak patogena jest określa- togenów mogą wzmagać produkcję JA (Bo-
ny mianem tzw.  nabytej odporności syste- stock 1999, scHaller i weiler 2002). Wyda-
mowej (ang. systemic acquired resistance, je się, że szlaki sygnałowe, w których udział
SAR). Podstawowa funkcja SAR polega na bierze SA i JA mogą się wzajemnie pokrywać
tym, że roślina zaatakowana przez drobno- (Bostock 1999, walling 2000). Przykłado-
ustroje chorobotwórcze w jednym miejscu wo, zranienie tkanek jakie wywołują owady
(np. odpowiedz
lokalna typu HR) wysyła żywiące się sokiem floemowym (np. mszyce)
informację do innych niezakażonych części wzmaga ekspresję wspomnianych wyżej ge-
i niejako przygotowuje je ( zaszczepia ) na nów PR (walling 2000, kessler i Baldwin
kolejne zakażenie (odpowiedz
systemowa). 2002). Podstawowym punktem wspólnym w
W tym bardzo skrótowym opisie łatwo za- transdukcji sygnału w odpowiedzi na zranie-
Halina Ślesak, ireneusz Ślesak
454
nie i infekcję przez patogeny jest wzmożona sujących szczegółów dotyczących transdukcji
produkcja ROS oraz aktywność określonych sygnału w odpowiedzi roślin na zranienie,
kinaz (HeatH 2000, n�rnBerger i scHeel których nie poruszono w niniejszym artyku-
2001, zHang i klessig 2001, Fujita i współ- le, znajduje się w pracy przeglądowej szcze-
aut. 2006). Warto podkreślić, że wiele intere- gielniak (2007).
ODPOWIEDy
ROŚLIN NA ZRANIENIE W KULTURACH IN VITRO
Hodowla roślin w warunkach in vitro nia eksplantatu, była obserwowana przez maes
daje niepowtarzalną możliwość analizy lot- i współaut. (2001) u hodowanego in vitro po-
nych związków organicznych (VOC), ponie- midora (L. esculentum). Wiadomo, że synteza
waż wyklucza zewnętrzne zanieczyszczenia, terpenów jest indukowana przez stres mecha-
zarówno chemiczne jak i mikrobiologiczne niczny i uszkodzenie, co związane jest z tech-
oraz ich możliwy wpływ na wzrost roślin. Po- nikami mikropropagacji. Badania dotyczące
nadto, monitorowanie VOC wewnątrz naczyń tego zagadnienia prowadził w warunkach in
hodowlanych do kultur tkankowych, stanowi vitro Vercammen i współaut. (2001) z użyciem
niedestrukcyjne narzędzie analityczne, użytecz- zautomatyzowanego systemu do monitorowa-
ne do określenia produkcji lotnych związków, nia emisji terpenów z uszkodzonego mecha-
potencjalnie ważnych dla przemysłu farmaceu- nicznie Hedera helix i hodowanego in vitro
tycznego i do oceny fizjologicznej aktywności pomidora, poddanego zgryzaniu przez rośli-
kultury (maes i współaut. 2001). Wśród VOC nożerne gąsienice Spodoptera littoralis. Głów-
uwalnianych przez rośliny zranione w warun- nymi komponentami obecnymi w atmosferze
kach in vitro i obecnych w atmosferze kultur kultury, zarówno pomidora, jak i bluszcza (He-
tkankowych bardzo ważną rolę odgrywają ter- dera helix) były terpeny: mono- i seskwiterpe-
peny, ponieważ mogą odzwierciedlać status fi- ny. Wymienioną powyżej metodę zastosowali
zjologiczny roślin (Predieri i raPParini 2007). również maes i deBergH (2003) do badania
Monitorowanie emisji terpenów, jako odpo- emisji terpenów w kulturze in vitro pędów
wiedzi rośliny na stres mechaniczny w warun- pomidora poddanych zranieniu poprzez atak
kach in vitro, prowadzone u Prunus avium x roślinożernych gąsienic. Stres zranienia wywo-
P. pseudocerasus, wykazało zwiększone tempo łany przez owady spowodował natychmiasto-
emisji izoprenów i monoterpenów w pierw- wą, wysoką emisję mono- i seskwiterpenów,
szej godzinie po przeszczepieniu kultur. Stęże- co potwierdza hipotezę, że komponenty te są
nie terpenów było znacznie wyższe w naczy- obecne wewnątrz liści a ich emisja następuje
niach hodowlanych zawierających pędy zranio- w efekcie uszkodzenia włosków przez gąsieni-
ne skalpelem w porównaniu do kultur pędów ce. Natomiast emisja tzw. związków indukowa-
niezranionych (Predieri i raPParini 2007). Po- nych, takich jak linalol i indol, miała miejsce
dobnie szybka odpowiedz
w emisji VOC (cis-3- dopiero 1 2 dni po usunięciu z liści roślino-
heksenalu i cis-3-heksenolu), w efekcie zranie- żerców.
PODSUMOWANIE
Z przedstawionej powyżej charakterysty- różne czynniki stresowe, jak zasolenie, stres
ki dotyczącej reakcji roślin na uszkodzenie suszy, zranienie, czy infekcja przez patogeny
mechaniczne wyłania się pewien całościowy wywołują podobne efekty na poziomie eks-
obraz skomplikowanych i zaawansowanych presji określonych genów (reymond i współ-
mechanizmów obronnych jakimi dysponuje aut. 2000, cHeong i współaut. 2002). Przykła-
roślina. Dalsze badania na poziomie moleku- dowo, szczegółowe badania domBrowskiego
larnym wymagają zidentyfikowania określo- (2003) pokazały, że stres solny u pomidora
nych regionów promotorowych jak i wszyst- indukował mRNA dla genów zaangażowa-
kich czynników transkrypcyjnych dla genów nych w odpowiedz
na zranienie, takich jak:
aktywowanych zranieniem. Technika badaw- PIN II, LOX, czy prosysteminy (PS).
cza jaką jest metoda mikromacierzy DNA Badania nad stresem zranienia wywoła-
(ang. DNA microarray) daje możliwość po- nego zgryzaniem przez roślinożerców mają
znania ekspresji setek genów jednocześnie. również aspekt praktyczny. Rośliny uprawne
Badania z jej zastosowaniem wskazują, że tak są powszechnie atakowane przez różne ga-
Odpowiedz
roślin na zranienie
455
tunki owadów roślinożernych, powodujących prób z transgenicznymi roślinami Arabidop-
straty rzędu 10-20% plonów roślin upraw- sis, wykazującymi wzmożoną produkcję okre-
nych i stanowiące znaczący czynnik ograni- ślonych terpenoidów są bardzo zachęcające
czający produkcję żywności (Ferry i współ- (turlings i ton 2006). Najprawdopodobniej
aut. 2004). Zrozumienie reakcji biochemicz- w najbliższych latach pojawi się więcej fascy-
nych, które decydują o odporności roślin na nujących informacji na ten temat.
zranienie zapewne pozwoli w przyszłości le-
piej przeciwdziałać szkodliwym skutkom ak-
tywności roślinożerców. Planuje się między Praca była częściowo finansowana w ra-
innymi otrzymać rośliny transgeniczne, pro- mach: grantu nr 595/N-COST/2009/0, projektu
dukujące więcej substancji lotnych, będących Welcome 2008/1 z Fundacji na Rzecz Nauki
chemoatraktantami dla naturalnych wrogów Polskiej oraz z funduszy strukturalnych z Unii
owadów roślinożernych. Wyniki pierwszych Europejskiej.
ODPOWIEDy
ROŚLIN NA ZRANIENIE
S t r e s z c z e n i e
Rośliny narażone są na różnorodne biotyczne sygnałowymi u roślin, do których należy: odwracalna
i abiotyczne czynniki stresowe, które mogą powo- fosforylacja białek, zmiany wewnątrzkomórkowego
dować zranienie organizmu roślinnego. Odpowiedz
stężenia jonów wapnia, regulowane przez kalmodu-
rośliny na uszkodzenie mechaniczne może mieć linę oraz produkcja reaktywnych form tlenu, takich
charakter lokalny i/lub systemowy i obejmuje m. in. jak anionorodnik ponadtlenkowy i nadtlenek wo-
transdukcję sygnału o zranieniu, która prowadzi do doru. Niektóre substancje chemiczne zaangażowane
ekspresji wielu różnych genów. W odpowiedzi roślin w transdukcję sygnału o zranieniu funkcjonują rów-
na zranienie główną rolę odgrywa kwas jasmonowy nież w szlakach sygnałowych jako rezultat działania
i jego pochodne. Ważną rolę przypisuje się również czynników stresowych, innych niż uszkodzenie me-
innym związkom chemicznym, takim jak: oligopep- chaniczne, np. w reakcji na infekcję przez patogeny.
tyd systemina, oligosacharydy, lotne związki orga- Zrozumienie mechanizmów, które są odpowiedzial-
niczne oraz fitohormony (np. kwas abscysynowy). W ne za reakcje na zranienie, zarówno w obrębie orga-
odpowiedzi na zranienie biorą również udział czyn- nizmu roślinnego jak i w kontekście oddziaływania
niki fizyczne, takie jak: fala hydrauliczna, czy impul- roślina  środowisko, ma istotne znaczenie poznaw-
sy elektryczne. Wymienione komponenty szlaków sy- cze i może mieć zastosowanie praktyczne, zwłaszcza
gnałowych są kontrolowane i regulowane przez in- w szeroko pojętej ochronie roślin.
terakcje z innymi wewnątrzkomórkowymi kaskadami
THE RESPONSE OF PLANTS TO WOUNDING
S u m m a r y
Plants during life are exposed to different abiot- by interactions with other signaling cascades in
ic and biotic stress factors. Both of them can induce plants. They include reversible protein phosphor-
wounding of a plant body. Responses to mechani- ylation steps, calcium calmodulin-regulated events,
cal damage are local or/and systemic and hence in- and production of reactive oxygen species such as
volve the transduction of wound signals to activate superoxide anion radical and hydrogen peroxide. In-
the expression of various genes. In plant responses deed, some of these components involved in trans-
to wounding the central role plays jasmonic acid ducing of wound signals also function in signaling
and its derivatives, but other compounds, including of other plant defence responses, mainly in patho-
the oligopeptide systemin, oligosaccharides, vola- gen responses, suggesting that cross-talk events may
tile organic compounds and phytohormones e. g. regulate temporal and spatial activation of different
abscisic acid are also important. Additionally, physi- defences. Understanding the ways in which wound
cal factors such as hydraulic pressure or electrical signaling pathways are coordinated individually and
pulses, have also been proposed as a crucial factors in the context of the plants environment is crucial in
involved in wound signaling. These components of the application of this knowledge to plants crop pro-
signaling pathways are controlled in time and space tection strategies.
by highly complex regulatory networks modulated
LITERATURA
Baldwin i. t., kessler a., HalitscHke r., 2002. Vola- tions: what is real? Curr. Opin. Plant Biol. 5,
tile signalling in plant-plant-herbivore interac- 351 354.
Halina Ślesak, ireneusz Ślesak
456
Bostock r. m., 1999. Signal conflicts and synergies of convergence in the stress signalling networks.
in induced resistances to multiple attackers. Curr. Opin. Plant Biol. 9, 436 442.
Physiol. Mol. Plant Patho. 55, 99 109. garcęs H., durzan d., Pedroso m. c., 2001. Me-
Bostock r. m., karBan r., tHaler j. s., weyman P. chanical stress elicits nitric oxide formation and
d., gilcHrist d., 2001. Signal interactions in in- DNA fragmentation in Arabidopsis thalaina.
duced resistance to pathogens and insect herbi- Ann. Bot. 87, 567 574.
vores. Eur. J. Plant Pathol. 107, 103 111. gateHouse j. a., 2002. Plant resistance towards in-
Bouquin t., lasserre e., Pradier j., PecH j. c., sect herbivores: a dynamic interaction. New
Balagu� c., 1997. Wound and ethylene induc- Phytol. 156, 145 169.
tion of the ACC oxidase melon gene CM-ACO1 glauser g., grata e., duBugnon l., rudaz s., Farmer
occurs via two direct and independent transduc- e. e., wolFender j. l., 2008. Spatial and tempo-
tion pathways. Plant Mol. Biol. 35, 1029 1035. ral dynamics of jasmonate synthesis and accu-
Browse j., 2009. Jasmonate passes muster: a recep- mulation in Arabidopsis in response to wound-
tor and targets for the defense hormone. Annu. ing. J. Biol. Chem. 283, 16400 16407.
Rev. Plant Biol. 60, 183 205. Ham j. H., Bent a., 2002. Recognition and defence
Browse j., Howe g. a., 2008. New weapons and a signalling in plant/bacterial and fungal interac-
rapid response against insect attack. Plant Physi- tions. [W:] Plant Signal Transduction. scHeel d.,
ol. 146, 832 838. wasternack c. (red.). Oxford University Press,
cHandru H. k., kim e., kuk y., cHo k., Han o., 198 225.
2003. Kinetics of wound-induced activation of HeatH m. c., 2000. Hypersensitive response-related
antioxidative enzymes in Oryza sativa: differen- death. Plant Mol. Biol. 44, 321 334.
tial activation at different growth stages. Plant HoloPainen j. k., gersHenzon j., 2010. Multiple
Sci. 164, 935 941. stress factors and the emission of plant VOCs.
cHeong y. H., cHang H. s., guPta r., wang x., zHu Trends Plant. Sci. 15, 176 184.
t., luan s., 2002. Transcriptional profiling, re- Howe g. a., 2010. Ubiquitin ligase-coupled receptors
veals novel interactions between wounding, extend their reach to jasmonate. Plant Physiol.
pathogen, abiotic stress, and hormonal respons- 154, 471 474.
es in Arabidopsis. Plant Physiol. 129, 661 677. kallenBacH m., alagna F., Baldwin i. t., BonaVen-
comParot s. m., graHam c. m., reid d. m., 2002. ture g., 2010. Nicotiana attenuata SIPK, WIPK,
Methyl jasmonate elicits a differential antioxi- NPR1, and fatty acid-amino acid conjugates
dant response in light- and dark-grown canola participate in the induction of jasmonic acid
(Brassica napus) roots and shoots. Plant Growth biosynthesis by affecting early enzymatic steps
Regul. 38, 21 30. in pathway. Plant Physiol. 152, 96 106.
constaBel P. c., 1999. A suvery of herbivore induci- kazan k., manners j. m., 2008. Jasmonate signaling:
ble defensive proteins and phytochemicals. [W:] toward an integrated view. Plant Physiol. 146,
Inducible plant defenses against pathogens and 1459 1468.
herbivores: biochemistry, ecology, and agricultu- kessler a., Baldwin i. t., 2002. Plant responses to
re. agrawal a. a., tuzun s., Bent e. (red.). Ame- insect herbivory: the emerging molecular analy-
rican Phytopatological Society Press, Paul, MN, sis. Annu. Rev. Plant Biol. 53, 299 328.
USA, 137 166. koo a. j. k., gao x., jones a. d., Howe g. a., 2009.
de Bruxelles g. l., roBerts m. r., 2001. Signals re- A rapid wound signal activates the systemic
gulating multiple responses to wounding and synthesis of bioactive jasmonates in Arabidop-
herbivores. Crit. Rev. Plant Sci. 20, 487 521. sis. Plant J. 59, 974 986.
deVoto a., turner j. g., 2003. Regulation of jasmo- koo a. j. k., Howe g. a., 2009. The wound hormo-
nate mediated plant responses in Arabidopsis. ne jasmonate. Phytochemistry 70, 1571 1580.
Ann. Bot. 92, 329 337. laotHawornkitkul j., Paul n. d., Vickers c. e., Pos-
dicke m., Van loon j. j., soler r., 2009. Chemical sell m., taylor j. e., mullineaux P. m., Hewitt
complexity of volatiles from plants induced by c. n., 2008. Isoprene emissions influence herbi-
multiple attack. Nat. Chem. Biol. 5, 317 324. vore feeding decisions. Plant Cell Environ. 31,
dicke m., Van Poecke r. m. P., 2002. Signalling in 1410 1415.
plant insect interactions: signal transduction león j., rojo e., s�ncHez-serrano j. j., 2001. Wound
in direct and indirect plant defence. [W:] Plant signalling in plants. J. Exp. Bot. 52, 1 9.
Signal Transduction. Scheel D., Wasternack C. liu y., Pan q.-H., yang H.-r., liu y.-y, Huang w.-d.,
(red.). Oxford University Press, 289 316. 2008. Relationship between H2O2 and jasmonic
domBrowski j. e., 2003. Salt stress activation of acid in pea leaf wounding response. Russ. J.
wound-related genes in tomato plants. Plant Plant Physiol. 55, 765 775.
Physiol. 132, 2098 2107. loreto F., Barta c., Brilli F., nogues i., 2006. On
Felton g. w., kortH k. l., 2000. Trade-offs between the induction of volatile organic compound
pathogen and herbivore resistance. Curr. Opin. emissions by plants as consequence of wound-
Plant. Biol. 3, 309 314. ing or fluctuations of light and temperature.
Felton g. w., tumlinson j. H., 2008. Plant insect Plant Cell Environ. 29, 1820 1828.
dialogs: complex interactions at the plant insect l�tHje s., B�ttger m., d�ring o., 2000. Are plants
interface. Curr. Opin. Plant. Biol. 11, 457 463. stacked neutrophiles? Comparison of pathogen
Ferry n., edwards m. g., gateHouse j. a., gateHo- induced oxidative burst in plants and mam-
use a. m. r., 2004. Plant insect interactions: mals. Progr. Botan. 61, 187 222.
molecular approaches to insect resistance. Curr. maes k., deBergH P. c., 2003. Volatiles emitted from
Opin. Biotechnol. 15, 155 161. in vitro grown tomato shoots during abiotic
Frankowski k., Świeżawska B., wilmowicz e., kęsy and biotic stress. Plant Cell Tiss. Organ Cult. 75,
j., koPcewicz j., 2009. Szlak sygnałowy kwasu 73 78.
jasmonowego  nowe informacje. Post. Bio- maes k, Vercammen j., PHam-tuan H., sandra P., de-
chem. 55, 337 341. BergH P. c., 2001. Critical aspects for the reli-
Fujita m., Fujita y., noutosHi y., takaHasHi F., na- able headspace analysis of plant cultivated in
rusaka y., yamagucHi-sHinozaki k., sHinozaki vitro. Phytochem. Anal. 12, 153 158.
k., 2006. Crosstalk between abiotic and biotic matsuBayasHi y., yang H., sakagami y., 2001. Pep-
stress responses: a current view from the points tide signals and their receptors in higher plants.
Trends Plant Sci. 6, 573 577.
Odpowiedz
roślin na zranienie
457
metraux j.-P., nawratH c., genoud t., 2002. System- tion. scHeel d., wasternack c. (red.). Oxford
ic acquired resistance. Euphytica 124, 237 234. University Press, 20 44.
mueller m. j., 1997. Enzymes involved in jasmonic scHilmiller a. l., Howe g. a., 2005. Systemic signal-
acid biosythesis. Physiol. Plant 100, 653 663. ling in the wound response. Curr. Opin. Plant
narVaez-Vasquez j., ryan c. a., 2004. The cellular lo- Biol. 8, 369 377.
calization of prosystemin: a functional role for seo H. s., song j. t., cHeong j. j., lee y. H., lee y.
phloem parenchyma in systemic wound signa- w., Hwang i., lee j., cHoi y. d., 2001. Jasmonic
ling. Planta 218, 360 369. acid carboxyl methyltransferase: a key enzyme
norman c., Vidal s., PaiVa e. t., 1999. Oligogalactu- for jasmonate regulated plant responses. Proc.
ronide-mediated induction of a gene involved Natl. Acad. Sci. USA 98, 4788 4793.
in jasmonic acid synthesis in response to the szczegielniak j., 2007. Szlaki przekazywania sygna-
cell-wall-degrading enzymes of the plant patho- łu w reakcji roślin na zranienie. Post. Biochem.
gen Erwinia carotovora. Mol. Plant-Microbe In- 53, 121 132.
teract. 12, 640 644. Ślesak e., Ślesak m., gaBryŚ B., 2001. Effect of
n�rnBerger t., scHeel d., 2001. Signal transmission methyl jasmonate on hydroxamic acid content,
in the plant immune response. Trends Plant Sci. protease activity, and bird cherry-oat aphid
6, 372 379. Rhopalosiphum padi (L.) probing behavior. J.
o donnell P. j., calVert c., atzorn r., waternack Chem. Ecol. 27, 2529 2543.
c., leyser H. m. o., Bowles d. j., 1996. Ethylene Ślesak i., Ślesak H., liBik m., miszalski z., 2008. An-
as a signal mediating the wound response of to- tioxidant response system in the short-term post-
mato plants. Science 274, 1914 1917. wounding effect in Mesembryanthemum crystal-
orozco-cardenas m., ryan c. a., 1999. Hydrogen linum leaves. J. Plant Physiol. 165, 127 137.
peroxide is generated systemically in plant tHaler j. s., stout m. j., karBan r., duFFey s., 1996.
leaves by wounding and systemin via the octa- Exogenous jasmonates simulate insect woun-
decanoid pathway. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96, ding in tomato plants (Lycopersicon esculen-
6553 6557. tum) in the laboratory and field. J. Chem. Ecol.
orozco-cardenas m., ryan c. a., 2002. Nitric oxide 22, 1767 1781.
negatively modulates wound signalling in to- turlings t. c. j., ton j., 2006. Exploiting scents of
mato plants. Plant Physiol. 130, 487 493. distress: the prospect of manipulating herbivore-
orozco-c�rdenas m.l., narV�ez-V�squez j., ryan c. induced plant odours to enhance the control
a., 2001. Hydrogen peroxide acts as a second of agricultural pests. Curr. Opin. Plant Biol. 9,
messenger for the induction of defence genes in 421 427.
tomato plants in response to wounding, syste- turner j. g., ellis c., deVoto a., 2002. The jasmo-
min and methyl jasmonate. Plant Cell 13, 179 nate signal pathway. Plant Cell 14 (Suppl.),
191. 153 164.
Paul n. d., HatcHer P. e., taylor j. e., 2000. Coping unsicker s. B., kunert g., gersHenzon j., 2009. Pro-
with multiple enemies: an integration of mo- tective perfumes: the role of vegetative volatiles
lecular and ecological perspectives. Trends Plant in plant defense against herbivores. Curr. Opin.
Sci. 5, 220 225. Plant Biol. 12, 479 485.
Pearce g., moura d. s., stratmann j., ryan c. a., Vercammen j., PHam tuan H., sandra P., 2001. Auto-
2001. Production of multiple plant hormones mated dynamic sampling system for the on line
from a single polyprotein precursor. Nature 411, monitoring of biogenic emissions from living
817 820. organisms. J. Chromatogr. A 930, 39 51.
Pearce g., ryan c. a., 2003. Systemic signaling in Vickers c. e., gersHenzon j., lerdau m. t., loreto
tomato plants for defense against herbivores. J. F., 2009. A unified mechanism of action for
Biol. Chem. 278, 30044 30050. volatile isoprenoids in plant abiotic stress. Nat.
Predieri s., raPParini F., 2007. Terpene emission in Chem. Biol. 5, 283 290.
tissue culture. Plant Cell Tiss. Organ Cult. 91, walling l. l., 2000. The myriad plant responses to
87 95. herbivores. J. Plant Growth Regul. 19, 195 216.
Preston c. a., lewandowski c., enyedi a. j., Bal- wang k. l.-c., li H., ecker j. r., 2002. Ethylene bio-
dwin i. t., 1999. Tobacco mosaic virus inocula- synthesis and signaling networks. Plant Cell 14
tion inhibits wound-induced jasmonic acid-me- (Suppl.), 131 151.
diated responses within but not between plants. weBer H., 2002. Fatty acid derived signals in plants.
Planta 209, 87 95. Trends Plant Sci. 7, 217 224.
reymond P., weBer H., damond m., Farmer e. e., wHitHam s. a., dinesH-kumar s. P., 2002. Signalling
2000. Differential gene expression in response in plant-virus interactions. [W:] Plant Signal
to mechanical wounding and insect feeding in Transduction. scHeel d., wasternack c. (red.).
Arabidopsis. Plant Cell 12,707 719. Oxford University Press, 226 249.
rojo e., león j., sancHez-serrano j. j., 1999. Cross- wilkinson s., daVies w. j., 2002. ABA-based chemi-
talk between wound signalling pathways deter- cal signalling: the co-ordination of responses to
mines local versus systemic gene expression in stress in plants. Plant Cell Environ. 25, 195 210.
Arabidopsis thaliana. Plant J. 20, 135 142. yang d. H., HettenHausen cH., Baldwin i. t., wu j.,
ryan c. a., 2000. The systemin signaling pathway: 2011. BAK1 regulates the accumulation of jas-
differential activation of plant defensive genes. monic acid and the levels of trypsin proteinase
Biochim. Biophys. Acta 1477, 112 121. inhibitors in Nicotiana attenuata s responses to
ryan c. a., Pearce g., scHeer j., moura d. s., 2002. herbivory. J. Exp. Bot. 62, 641 652.
Polypeptide hormones. Plant Cell 14 (Suppl.), zHang s., klessig d. F., 2001. MAPK cascades in
251 264. plant defense signaling. Trends Plant Sci. 6,
scHaller F., 2001. Enzymes of the biosynthesis 520 527.
of octadecanoid-derived signalling molecules.
J. Exp. Bot. 52, 11 23.
scHaller F., weiler e. w., 2002. Wound- and me-
chanical signalling. [W:] Plant Signal Transduc-