1 Reakcja Nadwrażliwości
Reakcja nadwrażliwości powszechny mechanizm obrony u roślin. /w wyniku uekluoz wraz ze śmiercią niewielkiej ilości kom roślinnych uast. Zablokowanie patogennego organizmu.
Reakcja nadwrażliwości jest formą programowej śmierci kom. Czyli genetycznie kontrolowanym mechanizmem eliminacji kom. To zjawisko nosi nazwę Apptozy.
Apoptoza polega na:
Kurczeniu się kom poprzez utratę wody, na zmianach w jądrze kom., polegającym na kondyznacji chromatyny, nacięcia DNA przez edonukleazy.
Niezbędnym składnikiem do aktywacji reakcji nadwrażliwości jest przepływ jonów Ca do kom. Jony ca uruchamiają odpowiednie białka mechanizmów obronnych. W reakcji nadwrażliwości uczestniczą zw. Fenolowe a ich akumulacja skorelowana jest aktywnością enzymu PAL (amoniakoliaza fenyloalaminowa). Enzym ten odpowiada za biosyntezę zw. fenolowych. Reakcja nadwrażliwości jest indukowana w krótkiej fazie po infekcji (kilka godz. od momentu kontaktu patogena z komórką żywiciela). Jeszcze szybciej zachodzą w membranach kom. (już po godz.) następuje peroksydacja lipidów, dokomórkowy dopływ Ca i pozakomórkowy wypływ K. te zmiany prowadzą do depolaryzacji plazmolemmy.
2. Odporność na fungicydy
Mechanizm odporności grzybów na fungicydy polega na:
1.zmianie procesu metabolicznego kom. grzyba,
2.niedopuszczeniu fungicydu na teren kom. przez zmianę przepuszczalności ściany kom. i plazmalemmy.
3.detoksykację fung. na terenie kom.przez odpowiednie enzymy,
4.aktywne usuwanie pobranego już fungicydu poza teren kom., ten typ odporności wymaga ogromnych nakładów energetycznych ze strony grzyba. Wyst. w przypadku fungicydów działających jako inhibitory ergosterolu
3. Fala Oksydacyjna
Dość powszechnie wyst w wyniku działannia stresów wzrost poziomu reaktywnych
Form tlenu RFT. Generowanie tych metabolitów jest efektem ubocznych reakcji oksydoredukcyjnych kom.
Reaktywne formy tlenu są metabolitami o ogromnym potęcjale restrukcyjnym ponieważ powodują:
-peroksydazę lipidów
-inaktywację białka
-destrukcję kw. Nukleinowych
Nagromadzenie tych metabolitów prowadzi do uszkodzenia tkanek
Formy tlenu:
-nadtlenek wodoru
-aminorodnik ponadtlenkowy
-rodnik wodorotlenowy
W następstwie infekcji wyst. Gwałtowne i krutkotrfałe uwalnianie aktywnych form tlenu zwane rolą oksydacyjną.
Towarzyszy temu aktywność oksydaz głównie peroksydazy, okzydaz aminowych występowanie zlokalizowanych w ścianie kom. I okzydazy NAPH która wyst w plazmolemie.
Przedewszystkim utleniają wiele skł. Kom. Jak lipidy białka i kw. Nukleinowe co w konsekwencji powoduje hamowanie podziałow kom. Rozprzeztrzenianie się patogena.
Reaktywne formy tlenu pojawiają się w odrębie apaplaslu.Reaktywne formy lub wodne rodniki pełnią klczową rolę w reakzyji nadwrażliwości albo inicjacji syntezy barier strukturalnych.
Jak się bronią rośliny prze wolnymi rodnikami
W powst po infekcyjnej fali oksydacyjnej towarzyszy wzrost aktywności .............. ponadtlenkowej.
Nadtlenek wodoru dyfunduje do wodoru komórkowego jako subst. Sygnałowa prowadząca suntezę białek mech.
Dysmutaza ponadtlenkowa usuwa reaktywne formy tlenu których nadmierna ilość mogłaby powodować do uszkodzeń strukturalnych i funkcjonalnych kom. Gospodarza.
Reaktywne formy tlenu pow.: niskie i wysokie tem., promieniowanie UV, metale ciężkie,
4.Rozpoznanie w Interreakcji patogen roślina
INTERAKCJA PATOGENU ROŚLIN NA POZIOMIE MOLEKULARNYM
Schemat mechanizmu interakcji pomiędzy patogenem a komórkami roślinnymi.
- czynniki patogenu oddziałujące na roślinę:
x enzymy hydrolityczne uniemożliwiające utrzymanie kontaktu z komórką roślinną gospodarza
x boksyny - patogen oddziaływuje poprzez toksyny
x elicytery (pochodzenia patogennego) wyzwalające reakcje obronne
x supresory- hamujące interakcje rośl. patogen, bądź reakcją mechanizmu obronnego.
I etapem interakcji między patogenem a rośliną jest przekazanie przez infekujący mikroorganizm fizycznego lub chemicznego bodźca, który poprzez odpowiedni receptor rośliny jest odbierany przez roślinę gospodarza. Rozpoznanie wymaga bliskiego najczęściej metabolicznego kontaktu pomiędzy komórkami gospodarza a patogenem.
Taki kontakt jest możliwy na skutek penetracji ściany komórkowej i uszkodzenie błon cytoplazmatycznych komórki rośliny przez patogen. W przypadku bodźca fizycznego może następować deformacja w skutek oddziaływania kiełkującej strzępki grzyba na plazmolemmę. Decydującą rolę w rozpoznawaniu patogena odgrywają elicytony i subresony patogena oraz receptory roślinne. Receptorami są białka zlokalizowane na powierzchni plazmolemmy. W wyniku odbioru bodźca zewnętrznego w komórce roślinnej następuje proces wzbudzenia prowadzący do aktywacji białek receptorowych zwane białkami typy G. Białka te są odpowiedzialne za aktywację w obrębie plazmolemmy kanałów wapniowych. Efektem ich aktywacji jest zwiększony przepływ wapnia z apoplastu do cytoplazmy, a dalej między organellami komórkowymi i wytworzenie odpowiedniego sygnału metabolicznego.
Dokomórkowy dopływ Ca może być spowodowany oddziaływaniem bodźca fizycznego np. strzępki infekcyjnej grzyba lub komórki bakteryjnej.
Jony ca i substancje wytworzone sygnałowe powodują zwiększenie wtórnych przekaźników do których należą białko kalbamuliny oraz cykliczne nukleotydy oraz cykliczny guanozynomonofosforan i adenozynomonofosforan.
W wyniku wzrostu zmian stężenia wtórnych przekaźników następuje aktywacja kinaz białkowych , które warunkują indukcję genów odpowiedzialnych za mechanizmy obronne .
Substancje sygnałowe te są wytwarzane w :
- kwas salicylowy
- kwas jasmonowy
- cystamina
- H2O2
- tlenek azotu
Elicytony reakcji obronnych
Czynnikami inspirującymi reakcji obronnych u roślin są elicytory (wyzwalacze), które prowadzą do zahamowania rozwój patogena zanim spowoduje zmiany chorobowe. Oprzez elicytony roślina otrzymuje określony bodziec chemiczny za pomocą którego rośłina rozpoznaje potencjalnego patogena.
Elicytory mogą być pochodzenia:
- patogennego
- roślinnego
Pod względem właściwości i budowy chemicznej wyróżnia się elicytory pochodzenia:
- białkowego
- lipidowego
- węglanowodorowego
Elicytory oligosacharydowe, grzybowe i roślinne:
- oligogalakturonowe (uwalniane w wyniku aktywności patogenu, który wydziela enzymy pektolityczne)
- glukanowe (stanowią fragmenty oligoglutanów uwalnianych ze ścian komórek strzępek grzybni)
- chitynowe (są metabolitami wielu grzybów i niektórych bakteri)
Elicytony białkowe, grzybowe, wirusowe i bakteryjne:
Integrują się z plazmolemmą komórek roślin. Są to elicytony o budowie z prostych polipeptydów lub białek złożonych glikoproteidów. Mają one część białkową i część peptydową. W przypadku glikoproteidów część białkowa decyduje o aktywności fizjologicznej elicytonów. Część peptydowa jest niezbędna do transakcji sygnałów.
Elicytony białkowe, grzybowe, wirusowe i bakteryjne:
- polipeptydy (białka proste)
- kryptogeina
- elicytyna
- karpina
- białko płaszcza TMV
- glikoproteiny (białka złożone)
- endokrynalaza
Supresony reakcji obronnych
Istnieje możliwość reakcji hamowania reakcji obronnych przez niektóre patogeny, substancje które uczestniczą w tym zjawisku nazwano subresorami (tłumienie)
Pod wzgldem chemicznym są to glukany lub glikoproteidy, a najczęściej toksyny.
Mechaniczne działanie:
- konkurencyjnie blokują receptora roślin, na którego oddziaływuje elicytor. Miejscem działania jest plazmolemma, subresory hamują transport międzykomórkowy składników mineralnych i organicznych oraz hamują ekspresję genów uczestniczących w mechanizmach obronnych. Przede wszystkim PAL i syntazy stylbenowej.
Molekuły sygnałowe
W wyniku oddziaływania elicytory z receptorami zainfekowanej komórki dochodzi do wytworzenia kolejnego bodźca metabolicznego zwanego sygnałem.
Czym wyróżniają się molekuły sygnałowe:
- łatwy kontakt z wtórnymi przekaźnikami
- muszą mieć małą cząsteczkę
Role substancji sygnałowych:
- kwas salicylowy
- kwas jasmonowy
- nadtlenek wodoru
- systemina
- tlenek azotu
Występuje u wszystkich roślin naczyniowych, akumulacja kwasu salicylowego ma charakter lokalny i systemiczny.
Aktywowany jest przed nadtlenkiem wodoru, bardzo ściśle współpracuje z nadtlenkiem wodoru. Kwas salicylowy zapobiega rozkładowi poprzez inhibicje katalazy i peroksydazy rozkładających nadtlenek wodoru do tlenku i wodoru.
W wyniku czego następuje wzrost stężenia wolnych rodników
- indukuje syntezę reakcji nadwrażliwości oraz syntezę białek PR
- indukuje systemiczna odporność nabytą typu SAR
Kwas salicylowy - ma duże powinowactwo z estrem. Jest to substancja lotna, która indukuje odporność oddalonych części rośliny z rośliny sąsiedzkiej. Substancja ta służy do porozumiewania się roślin i informuje o zagrożeniach.
Kawas jasmonowy - powstaje w wyniku przekształceń lipidów, jest aktywatorem genów warunkujących syntezę inhibitorów proteaz, które warunkują prawidłowe odżywianie enzymów endogennych patogenów. Indukuje odporność systemiczną typu ISR. Kwas jasmonowy jako hormon powoduje opadanie i starzenie się organów oraz syntezę B-karotenu i etylem.
Syptemina - substancja białkowa o właściwościach hormonu i sygnału rośliny aktywowana w skutek zranienia. Pełni funkcje sygnału w odporności roślin na patogeny i szkodniki.
Nadtlenek wodoru jest jednym z najważniejszych aktywnych form tlenu generowanym we wczesnym stadium infekcji.
Powstaje na powierzchni komórki i obrębie apaplastu i wewnątrz komórki w wyniku reakcji dysmutacji.
Aktywuje transport wapnia i kinazy białkowe inicjujące ekspresję genów odporności.
Bierze udział w reakcji nadwrażliwości.
Pojawia się w roślinie wskutek uszkodzenia przez patogeny lub szkodniki.
Tlenek azotu
Pełni ważny sygnał wewnątrz i międzykomórkowo. W świecie zwierzęcym i ludzkim.
Reguluje oksydoredukcyjną homeostazą błonową gwarantującą prawidłowy przebieg procesów metabolicznych.
U roślin indukuje reakcje nadwrażliwości
We współudziale aktywnymi formami tlenu prowadzi do aktywacji niektórych genów mechanizmu obronnego.
Enzymy hydrologiczne patogenów
Odgrywają rolę w przyswajaniu substancji pokarmowych przez patogeny od autotroficznych roślin .
- enzymy degradujące warstwę woskową i kutykularną jest kutynaza (wywołany przez grzyby)
- enzymy degradujące składniki ściany komórkowej
5. Fitoaleksyny
FITOALEKSYNY- w wyniku infekcji patogena zranienia lub uszkodzenia przez szkodniki oraz działania niektórych czynników abiotycznych, następuje w komórce w tkance roślinnej uwolnienie subst. antybiotycznych zwanych fitoaleksynami (FA). Wykryto w 100 gat roślin fitoaleksyny.
Akumulacja FA następuje w wyniku infekcji grzybowych, bakteryjnych, wirusowych i nicieni. FA powstają w obecności metali ciężkich, niektórych fungicydów, promieniowania UV i uszkodzeń mechanicznych. Większość FA ma budowę chalkanową C6C3C6 (rośliny strączkowe, psiankowate). Drugą grupę stanowią FA o budowie stibenowej C6C2C6 charakteryzują się większą toksycznością na mikroorg. chorobotwórcze.
Do najlepiej zbadanych należą: faerolina u fasoli, izatyna u grochu, gliceolina u soi, meolikarpina u kukurydzy, riszytuna i secharetinon u ziemniaka, kapsidiol u pieprzu .
U każdego z gatunku roślin może gromadzić się kilka FA, co utrudnia przystosowanie się do nich organizmów patogennych.
Działanie FA - wszechstronne na patogena:
- działają hamująco na kiełkowanie grzyba
- hamują wzrost strzępek kiełkowych
- hamują kiełkowanie zarodnikowe
- inaktywują enzymy patogena
- niektóre patogeny mają zdolność detoksykacji poprzez wytwarzanie specyficznych subst. zwanych subresorami ( subst. hamujące reakcje obronne roślin).
6. Białka PR
BIAŁKA PR - w wyniku oddziaływania na rośliny stresów środowiskowych następuje synteza licznych białek zwanych stresowymi. Należą do nich: białko enzymatyczne, strukturalne, sygnałowe, o właściwościach inhibitorów, ochronne względem struktur komórkowych.
Pojawienie się tych białek jest efektem ekspresji specyficznych genów, będące skutkiem transmisji sygnału wywołanego bodźcem środowiskowym. Akumulacja tych białek jest wynikiem transkrypcji odpowiedniego RNA. Białka indukowane w patogenezie określono mianem białek typu PR. Są one rozpowszechnione w świecie roślin. Ich synteza powstaje w wyniku infekcji wirusowych, bakteryjnych i grzybowych, uszkodzenia przez szkodniki zwłaszcza nicienie oraz owady. Gromadzone są wewnątrzkomórkowo lub w obrębie apoplastu, najlepiej poznano: u tytoniu, pomidorze, ziemniaka i ogórka. Do białek PR nalezą: glutynaza, chitynaza, lizozym, inhibitory proteaz, peroksydazy, tiohiny, lektyny. Białka PR są białkami kwaśnymi lub zasadowymi. Charakteryzują się dużą reaktywnością.
Działanie: hamują podziały komórek bakteryjnych i kiełkowanie zarodników grzyba; usztywniają i uszlachetniają ścianę komórkową gospodarza; jako elicytery roślin. Akumulacja tych białek zachodzi szybciej u roślin odpornych. Są to białka o niskiej masie cząsteczkowej 20-25 KDA, zlokalizowane w wakuoli lub w obrębie apoplastu.
ELICYTERY- fragmenty związków pochodzących z rozkładu fragmentów ścian komórkowych pochodzenia białkowego, lipidowego, węglowodanowego.
CHITYNAZA- katalizuje rozkład chityny, która stanowi od 3-60% szkieletu ścian kom grzybów.
GLUTANAZA- jest hydrolazą o aktywności endoenzymatycznej i jest produktem rozkładu, SA metabolity glutynowe lub oligoglutany powstałe w wyniku rozkładu ściany komórkowej strzępki grzybni.
Największą wrażliwością charakteryzują się wierzchołkowe fragmenty grzybnim strzępki kiełkowej. Uszkodzenie tych fragmentów uniemożliwia wzrost i rozprzestrzenianie się patogena. Wynika to że: ściany komórkowe grzyba (najmłodsze fragmenty grzybni) mają budowę glitymowoglutanową. W późniejszej fazie, że polisacharydy pokrywane są osłonką glikoproteinową- lipidową. Z tych względów stają się niedostępne dal chitynazy i glutynazy.
Produkty hydrolizy ścian komórkowych grzybni są induktorami mechanizmów obronnych (są elicyterami).
LIZOZYMY- degradują peptydowo- glukanowe komponenty bakteryjnych otoczek komórkowych. Powszechne w świecie roślin, wyizolowane z lisci tytoniu i ziemniaka, charakteryzują się podwójną aktywnością lityczną wobec otoczek bakteryjnych i chitynolityczną względem patogenicznych grzybów. Lizozymy stanowią podstawowe narzedzie bakteriofagów i z ich udziałem bakteriofagi prowadzą do rozpadu komórek bakteryjnych. Ta właściwość została wykorzystana w pozyskiwaniu roślin transgenicznych o dużej odporności na choroby bakteryjne, np. wyhodowano odmianę ziemniaka odporną na zgniliznę bulw.
INHIBITORY PROTEAZ- odżywianie patogenów grzybowych jest zależne od aktywności proteolitycznych egzoegzymów wydzielanych do penetrowanych tkanek. Niskocząsteczkowe specyficzne białka roślinne (inhibitory proteaz) warunkują aktywność tych enzymów, najczęściej inhibitują wydzielanie egzoegzymów patogena do penetrowanej tkanki. Inhibitory proteaz są białkami indukowanymi, ich ekspresje stwierdzono w przypadku żerowania szkodników. Gromadzą się w wakuoli, częściach zapasowych, w nasionach. Mogą być indukowane lokalnie lub systemicznie. Substancjami sygnałowymi od których zależna jest aktywność, zależność jest systemiczna i kwas jasmonowy.
DEFENSYNY- 12 gr, białek PR, odkryta niedawno. A to polipeptydy bogatę w cysteinę, ich obecność stwierdzono u wielu roślin. Ich aktywność antymikrobowa jest związana z oddziaływaniem na plazmolemmy grzyba.
7. Mechanizm działania Fungicydów na patogeny
1.Fungicyd blokuje proces oddychania przez unieczynnienie enzymów grzyba,
2.zakłóca działanie plazmo lemmy co prowadzi do zaburzeń w wymianie substancji z otoczeniem,
3.zablokowanie biosyntezy białek tubulozowych, kw. nukleinowych i ergosterolu.
ad.1 Proces oddychania jest blokowany w różny sposób. Enzymy grzybów mają wolne grupy triodowe, aminowe, iminowe, karboksylowe, hydroksylowe. Najczęściej grupy czynne tych fungicydów tworzą trwałe związki z wymienionymi grupami wlnymi enzymów grzyba. Ulegają w ten sposób unieczynnieniu. Nast. w ten sposób zablokowanie uwalniania energii potrzebnej do procesów życiowych grzyba i jego śmierci.
ad 2.Zakłócenie funkcjonowania plazmo lemmy.
Jest stosunkowo mało poznanym procesem. To zjawisko prowadzi do zaburzeń w wymianie substancji z otoczeniem. Plazmolemma traci swoje półprzepuszczalne właściwości i przestaje kontrolować wydostawanie się różnych metabolitów z kom. Brak tych substancji (np. elektrolitów) prowadzi do zaburzeń w funkcjonowaniu grzyba i jego śmierci.
ad 3. Zahamowanie biosyntezy
a.białek tubulinowych- to b. wyrafinowany mechanizm działania na kom. grzyba. Białka tubulinowe to element mikrotubulowych struktur, z których zbudowane jest wrzeciono kariokinetyczne, powst. w mitozie. Z powodu braku tego elementu nie tworzy się wrzeciono kariokinetyczne, zablokowany jest podział mitotyczny, podział jąder, kom. grzyba. Strzępki przestają rosnąć i zamierają.
b.kw. nukleinowych- ten typ mechanizmu wyst. u fungicydów do zwalczania mączniaków. Zakłócana jest biosynteza RNA
c.ergosterolu- (bierze udział w budowie i funkcjonowaniu błon plazmatycznych, to też wyjściowa subst. do produkcji reglatorów wzrostu- cytokinin, giberelin), taki typ mech. wyst. u fung. triazolowych zwalczających rdzę i mączniaki prawdziwe. Fungicydy te są inhibitorami biosyntezy ergosterolu
8. Indukowane reakcje w wyniku kontaktu patogena z rośliną
Przykłady mechanicznych odporności czynnej podlegającej kontroli genetycznej:
- reakcja nadwrażliwości
- biosynteza i kumulacja substancji hamujących patogeny tj aktywnych form tlenu, zw. fenolowych, fito aleksyn (FA) białek RP
Biosynteza metabolitów usztywniających ściany komórkowe bądź czapujących obszary transportu miedzykomórkowego i miedzyorgannego
Neutralizacja toksycznych metabolitów lub egzoemymów wytworzonych przez patogeny
Reakcje rośl. wymagające aktywację genów, a przyczyniające się do hamowania patogena:
- gwałtowne i krótkotrwałe aktywnych form tlenu
- oksydacyjne unieruchomienie białek strukturalnych ścian komórkowych
- zmiany wartości pozakomórkowego PII
- oddziaływanie patogena na rośl. może mieć zasięg osiągający kom., kontaktujący się oraz kom. otaczające (bezpośrednio)
- zasięg systemiczny obejmuje oddziaływanie na organy nie będące obiektem pozażenia, to oddziaływanie jest podstawą do nabytej systemicznej odporności zwanej SAR lub indukowanej odporności systematycznej ISR
Nabyta systemiczna odporność (SAR) jest indukowana stresami biotycznymi i abiotycznymi, natomiast ISR jest nabywana w wyniku kolonizacji korzeni przez niepatogeniczne organizmy bakterie i grzyby Ryzosferove
Proces wzbudzenia odporności za pomocą induktora nosi nazwę immunizacji roślin.
Mechanizm immunizacji
I Bariera rybonukleazowa polega na zwiększeniu produkcji enzymów rybonukleaz zokładające patogeny RNA
II. Powst. Białek nter.......... rokładające RNA wirusa
Nabywanie odporności odbywa się :
1.lokalnej infekcji patogena
2.Potraktowanie rośl. wieloletnich rasami lub rasami niepatogenicznymi dla danej rośliny.
3.Potraktowanie roslin ekstraktami, wyciągami pochodzenia rośl. Lub zw np.: fosforanami, szczawianami kw. Salicylowym.
Kluczową rolę w inducji odporności typu SAR odgrywa kw. Salicylowy; metabolit pełniący funkcję sygnału.Odporność typu ISR jest indukowana przez kwas jasmonowy.
2