Wykłady z Fordońskim
Wykład 1. 7.10.2008.
Tematyka wykładów:
Metody diagnostyki chorób roślin:
tradycyjne
immunologiczne
biologii molekularnej
Pojęcie stresu, czynniki wywołujące stresy roślin.
Pojęcie choroby, czynniki sprawcze chorób roślin.
Rozwój choroby infekcyjnej (patogeneza).
Funkcje fizjologiczne roślin.
Światowa literatura fitopatologiczna zawiera opis:
ok. 8 tys. Chorób wywołanych przez grzyby,
200 chorób bakteryjnych,
80 jednostek wywołanych przez fitoplazmy
i ponad 700 chorób wywołanych przez wirusy.
Np.
na jabłoni- 200,
pomidor-120,
pszenica-80
Choroby są wywoływane przez grzyby w 80%.
Szkodliwość chorób polega na:
obniżeniu plonu lub całkowitym zniszczeniu
pogorszenie jakości plonu
Skutkiem choroby jest obniżenie białka, węglowodanów, tłuszczy. Jeszcze gorzej jest jeżeli produkt został skażony przez mykotoksyny.
Mykotoksyny- są to substancje o różnej budowie i pochodzenia. Są to głównie polipepdyty, które nie poddają się rozkładowi na skutek obróbki termicznej. Są powodem nowotworów u ludzi i zwierząt organów miękkich np. wątroby.
Wczesna diagnoza ma podstawowe znaczenie do podjęcia skutecznych środków zaradczych. Oko ludzkie dostrzega objawy chorobowe dopiero w 4-5 fazie chorobowej. Stosowanie środków chemicznych jest wtedy niecelowe. Nowoczesne techniki (biologia molekularna) mają na celu wykrycie wrogiego DNA już w fazie 1i 2 rozwoju choroby.
Dotychczas diagnostyka opiera się na metodach klasycznych, polega na hodowli chorego materiału biologicznego w warunkach laboratoryjnych, na odpowiednich pożywkach, najczęściej PDA, po kilku dniach identyfikuje się chorobotwórcze mikroorganizmy.
Metoda klasyczna ma 3 podstawowe wady:
zbyt późne podjęcie środków zaradczych
częste pomyłki w rozpoznawaniu choroby wynikające z niespecyficznych objawów chorobowych
identyfikacja grzybów jest możliwa dopiero po osiągnięciu w hodowli laboratoryjnej stadium zarodnikowania (rozpoznajemy tylko po organach generatywnych, nie rozpoznajemy po strzępkach)
Hodowla trwa od kilku do kilkunastu dni. W przypadku metod innych w ciągu kilku godzin możemy uzyskać wynik.
Czynniki wpływające na wzrost grzybów:
światło- wyraźnie poprawia intensywność zarodnikowania, u większości gatunków zwłaszcza promieniowania UV. Wadą UV jest utrata patogeniczności danego grzyba oraz mutacje jednopunktowe, które łatwo wykryć.
temperatura- większość grzybów wymaga temperatury 20-24°C, niższej temperatury wymagają grzyby z rodzaju Pythium i Sclerotinia- ok. 15°C
Dostęp powietrza- mała zawartość tlenu obniża zarodnikowanie.
Rodzaj podłoża- na pożywkach ubogich (mało węglowodanów) grzyby szybciej zarodnikują.
Metoda biologiczna roślin wskaźnikowych.
Stosowana do wykrycia wirusów i bakterii. Zasada tej metody opiera się na łatwości przenoszenia wirusów i bakterii z sokiem rośliny oraz na specyficznej reakcji roślin wskaźnikowych.
Rośliny wskaźnikowe są:
z rodzaju komosowatych, psiankowatych, motylkowatych
wolne od wirusów i bakterii, które w krótkim czasie reagują na zakażenie charakterystycznymi lokalnymi objawami. Najczęściej są to chlorotyczne plamki. W przypadku niektórych wirusów występują rozjaśnienia wzdłuż nerwów np. wirus Y u ziemniaka.
Okres inkubacji trwa nawet do kilkunastu dni. Metoda stosowana sporadycznie, ponieważ brak jest roślin wolnych od wirusów.
Metoda serologiczna.
Opiera się na wykorzystaniu antygenowych właściwości wirusów, bakterii, grzybów.
Wirusy jako cząstki zawierają 60-95% białka, które jak każde obce białko wprowadzone do krwi zwierzęcia stałocieplnego powoduje powstawanie we krwi przeciwciał. Przeciwciała (cząsteczka immunologiczna) są białkami z grupy gammaglobulin, występują w osoczu krwi w formie drobnocząsteczkowej zawiesiny. Przeciwciało składa się z 4 łańcuchów polipeptydowych, 2 ciężkich i 2 lekkich połączonych ze sobą wiązaniami siarczkowymi.
W zależności od różnic w budowie łańcuchów ciężkich wyróżniamy 5 rodzajów przeciwciał:
Ig A- kształt a
Ig D- kształt delty
Ig G- kształt gamy
IgM- kształt M
Ig E- kształt epsilonu?
Najważniejszą funkcją przeciwciał jest ich zdolność do specyficznego wiązania z antygenami, zwykle jest to wiązanie kleszczowe. Najważniejsza jest Ig G z punktu widzenia roślin. W obrębie Ig G wyróżniamy 4 podklasy, stanowi ok. 70% wszystkich przeciwciał.
Ig G obejmuje przeciwciała przeciwko:
grzybom
bakteriom
wirusom
wiroidom - bez otoczki białkowej
pasożytom i antytoksynom
Z punktu ludzkiego najważniejsza jest Ig E (czyli podwyższony jej stan).
Technika serologiczna polega na użyciu specjalnych surowic, które otrzymujemy przez wstrzyknięcie do krwi zwierzęcia (królik, mysz) oczyszczonego soku roślinnego, w którym znajduje się wirus lub bakteria. Po 3 tygodniach uzyskujemy odpowiednie miano przeciwciał. Aby otrzymać przeciwciało musimy odwirować krew (uzyskujemy klarowną zawiesinę).
Przeciwciała łącząc się z białkami wirusa tworzą zmętnienia widoczne gołym okiem lub pod lupą.
Połączenie surowicy z nie oczyszczonym sokiem (rośliny zawirusowanej) daje reakcję aglutynacji. Wytrącają się duże agregaty złożone z białka wirusów i zlepionych organelli komórkowych głownie chloroplastów.
Użycie soku oczyszczonego daje reakcje precypitacji- występuje klarowne zmętnienie gdzie łączy się białko przeciwciała z białkiem wirusa. Jest to metoda prosta pozwalająca w krótkim czasie przetestować dużą liczbę roślin. Wirusy roślinne różnią się aktywnością antygenową i nie zawsze jest możliwość uzyskania surowicy.
Metoda immunoenzymatyczna ELISA
Test ELISA wykonuje się na płytkach z zagłębieniami wykonanych z tworzywa sztucznego, charakteryzuje się dobrą adsorpcją białka na swojej powierzchni. Metoda ta polega na osadzaniu przeciwciał na ściankach płytki do której następnie przyłącza się antygen (bakteria, wirus, grzyb) znajdujący się w soku roślinnym oraz przeciwciała Ig G sprzężone z enzymem fosfatazą alkaliczną- ten kompleks nazywa się koniugantem.
Cząsteczki substancji przylegają do ścianek tworząc nakładające się na siebie warstwy. Składa się z 5 etapów:
I etap Ig G
II etap Ig G+A A= antygen
III etap Ig G+A+K K= koniugat
IV etap Ig G+A+K+W
V etap odczyt wyników
I etap
Nanoszenie przeciwciała w formie wyizolowanej surowicy gamaglobuliny G do zagłębień w płytce.
II etap
Nanoszenie do tych samych zagłębień soku z danej rośliny (czyli antygen). Powstaje kompleks Ig G+A
III etap
Nanoszenie do tych samych zagłębień koniugatu (przeciwciało znakowane enzymem fosfatazą alkoaliczną). Powstaje kompleks Ig G+A+K
IV etap
Dodawanie do tych samych zagłębień wywoływacza (fosforan paranitrofenylowy, inaczej p-nitrofenylofosfat). Daje on reakcję barwną (odcień żółty jeżeli występuje antygen).
Po każdym etapie przepłukujemy buforem. Jeżeli brak jest patogena wymywa się koniugat. W ostatniej fazie nie dochodzi do reakcji barwnej.
V etap
Odczyt wyników wizualny (odczyt barwny)
!!! Test ELISA wykrywa przeciwciała, nie antygen.
Spektrofotometr- używamy długości fali 405 nm.
Test ELISA stosowany do diagnostyki chorób bakteryjnych, wirusowych i grzybowych. Problem polega na produkcji przeciwciał na choroby grzybów (patogeny).
Zalety T. ELISA
wysoka czułość
wczesne uzyskanie wyników
możliwość badania różnych części roślin- to sprawia, że metoda jest uniwersalna.
Wady T. ELISA
wysoki koszt płytek i odczynników, zwłaszcza enzymów
okienko serologiczne- okres między wniknięciem antygenu a wytworzeniem przeciwciał. W przypadku patogenów roślin trwa to ok. 3 tygodni. Metoda ta nie nadaje się do badania obecności wirusa HIV, dlatego że od momentu wniknięcia wirusa przeciwciała wytwarzane są po 3, 6 a nawet po roku.
Metoda immunofluorescencji.
Oparta na stosowaniu przeciwciał znakowanych zw. fluorescencyjnym. Służy do badania wszystkich chorób bakteryjnych.
Metody biologii molekularnej.
Stosowana nielicznie na świecie. Polega na hybrydyzacji kwasów nukleinowych.
Hybrydyzacja- to proces łączenia komplementarnych 1-oniciowych cząsteczek kwasów nukleinowych w cząsteczki 2-niciowe, co odbywa się dzięki formowaniu wiązań wodorowych między komplementarnymi nukleotydami (zasadami azotowymi).
Kwasy nukleinowe DNA i RNA zlokalizowane są w jądrze, cytoplazmie oraz mitochondriach i plastydach.
DNA zawarte w jądrze nazywamy DNA genomowym, pozostałe DNA nazywamy DNA plazmoidowym.
Cząsteczki kwasów nukleinowych występują w postaci długich łańcuchów, które są zbudowane z nukleotydów tworzących tzw. łańcuch polinukleotydowy.
Każdy nukleotyd zbudowany jest z cukru pentozy, kwasu ortofosforowego i zasady azotowej.
Połączenie zasady azotowej z pentozą (ryboza lub deoksyroboza) nosi nazwę nukleozydu.
W każdym DNA i RNA występują zasady purynowe (adenina, guanina) i pirymidynowe (cytozyna, tymina lub uracyl).
Zasady azotowe z cukrem pentozą połączone są za pomocą wiązań N-glikozydowych.
Natomiast poszczególne nukleotydy za pomocą wiązań fosfodiestrowych.
Ze względu na obecność zasad purynowych i pirymidowych wszystkie nukleotydy charakteryzują się silnym pochłanianiem światła ultrafioletowego 250-280 nm. Tę właściwość wykorzystuje się do analizy jakościowej i ilościowej.
Sam łańcuch DNA w kształcie spirali helisy składa się z rdzenia cukrowo- fosforanowego, wewnątrz umieszczone są zasady azotowe połączone za pomocą wiązań wodorowych.
Wiązania fosfodiestrowe polegają na łączeniu jednej grupy OH kwasu fosforowego z węglem 3 jednego nukleotydu, a grupy 2 OH- kw. fosf. z węglem 5 pentozy następnego nukleotydu.
Analiza składu zasad DNA wyizolowanego z wielu gatunków istot żywych i martwych prowadzi do następujących stwirdzeń:
skład zasad DNA jest cechą charakterystyczną dla danego gatunku istot żywych i jest taki sam we wszystkich częściach organów (tego samego gatunku).
Suma zasad purynowych= suma zasad pirymidowych
Ilości molowe adeniny są równe ilościom tyminy.
Wyróżnia się DNA typu AT, CG. DNA typu AT ma budowę mniej zwartą, słabą strukturę niż CG dlatego narażona jest bardziej na czynniki mutagenne. Wynika to z tego, że cząsteczka AT ma 2 wiązania wodorowe, a CG ma 3.
W cząsteczce DNA występują 4 deoksyrybonukleotydy: adeninowy, cytozynowy, tyminowy i guaninowy.
Formy występujących cząsteczek DNA:
liniowa u organizmów prostych
typu OC (forma kulista)
CCC- forma kulista super skręcona
Wykład 2. 14.10.2008.
Metoda łańcuchowej reakcji polimerazy pozwala na specyficzne powielenie sekwencji określonych odcinków DNA, których źródłem są kwasy nukleinowe. Aby doszło do powielenia fragmentu DNA w mieszaninie reakcyjnej zw. protokołem muszą znajdować się:
matryca DNA podlegająca amplifikacji
enzym katalizujący reakcję polimerazy (Taq polimeraza) Taq od nazwy bakterii. Bakterie termofilne Thermus aquaticus. Enzym Eco- Escherichia coli- enzym restrykcyjny
2 specyficzne jednoniciowe sekwencje startowe zw. starterem lub primery, zawierające co najmniej 50-70% dwóch zasad guaniny i cytozyny.
Wolne nukleotydy: adeninowy, tyminowy, guaninowy, cytozynowy służące do syntezy nowej nici DNA
Bufor reakcyjny z dodatkiem soli Mg (MgCl2 najczęściej)
Marker (wzorzec)- fragment tysiąca par zasad
W ten sposób utworzona mieszanina reakcyjna jest poddawana cyklicznym zmianom temperatury zw. termocyklerem.
Termocykler- jest sterowany mikroprocesorem, który wg zadanego programu zmienia temp. w ściśle określonych odstępach czasu i zakresach.
Składa się z 3 części:
układ grzewczy
układ chłodzący
procesor komputerowy
W termocyklerze są wyświetlone 3 cykle.
I etap. Denaturacja- rozdzielenie 2 nici DNA na nici pojedyncze w temp. 90-92°C. Pękają wiązania wodorowe podwójne lub potrójne i pojawiają się pojedyncze nici DNA
II etap. Wiązanie starterów- są specyficzne, syntetyczne oligonukleotydy łączą się z pojedynczymi fragmentami DNA w miejscach komplementarnych. Etap ten odbywa się w temp. 35-72°C w zależności od długości startera. Etap ten zw. jest hartowaniem lub utwardzaniem.
Enzymatyczne dobudowanie nukleotydów do starterów, w ten sposób tworzy się komplementarna nić dwuniciowa. Odbywa się w obecności jonów Mg, Taq polimerazy. Temp. waha się w gr. 72°C. Etap ten zw. jest rozciąganiem lub poszerzaniem nici. Starter nie powinien mieć mniej niż 15 par zasad a nie więcej niż 30. Optymalne to 20 par zasad.
Cykl PCR
Rodzaj PCR |
|
Denaturacja |
Przyłączenie startera |
Synteza nukleodytów |
||
|
|
Wstępna |
właściwa |
|
|
|
RAPD |
Temp. |
94°C |
94°C |
58°C |
72°C |
72°C |
PCR |
czas |
2 min. |
30sek. |
30sek. |
30sek. |
5min. |
PCR tradycyjny |
Temp. czas |
94°C 2min. |
94°C 20sek. |
39°C 20sek. |
72°C 2min. |
72°C 5min. |
Izolacja DNA z materiału genomowego.
Bardzo trudna jest izolacja DNA grzybów. Ściana komórkowa grzybów składa się z 2 rodzajów cukrów:
aminowych- chitoza, chityna
nieaminowych- celuloza, glukan
Warunkiem dobrej izolacji DNA jest dobre rozerwanie ściany komórkowej i oczyszczenie DNA z białek histonowych i nie histonowych (kwaśnych i zasadowych).
Ściana grzybów składa się z 4 warstw:
warstwa zewnętrzna- bezpostaciowy glukan
warstwa zbudowana z siatki glukoproteinowej
warstwa zbudowana z białka
warstwa wewnętrzna zbudowana z włókienek chityzynowych połączonych białkami
Ściana komórkowa grzybów jest siedliskiem wszystkich enzymów. Roślina broniąc się przed patogenem wydziela specyficzne białka blokujące aktywność egzo- i endoenzymów patogena. Takimi inhibitorami są inhibitory proteaz.
Stres.
Stres (czynnik stresowy) określa się te czynniki środowiska, których działania mogą doprowadzić do odwracalnych lub nieodwracalnych zmian w funkcjonowaniu roślin.
Zaburzenia te mogą powodować zakłócenia wzrostu, rozwoju roślin oraz w procesach metabolicznych zachodzących w komórkach oraz zaburzenie funkcjonowania struktur komórkowych.
Twórcą pojęcia stresu był Lewitt.
Podział stresu
stres biotyczny (biologiczny) wywołany przez organizmy ożywione, chorobotwórcze grzyby, bakterie, mykoplazmy, fitoplazmy, wirusy, wiroidy. Ponadto może być wywołany konkurencją międzygatunkową oraz zjawiskiem allelopatii.
Stres abiotyczny obejmuje działania:
stresu termicznego
stresu wodnego
niedobór lub nadmiar składników pokarmowych
czynniki stresowe gazowe (głównie tlenki, S, N i ozon)- stres oksydacyjny- wolne rodniki- rośliny wydzielają kwas askorbinowy, układ enzymatyczny- rozkład H202
Zasadnicze znaczenie na kuli ziemskiej dla wegetacji roślin ma stres termiczny i wodny. W aspekcie ewolucyjnym stres jest motorem pozytywnej selekcji roślin. Mogą przetrwać te organizmy, które charakteryzują się dużą odpornością. Słaby stres mobilizuje, długo działający powoduje choroby.
Mechanizmy zwiększające odporność na niekorzystne czynniki środowiska przekazywane z pokolenia na pokolenie nazywamy adaptacją.
Mechanizmy obniżające wrażliwość na niekorzystne warunki w ramach trwania ontogenezy- aklimatyzacją.
Rola hormonów
Odgrywają one istotną rolę w warunkach działania stresu.
Akumulacja ABA.
ABA- zwiększenie jego koncentracji w komórkach powoduje wzrost tolerancji na stres. W przypadku niskich temperatur, suszy. ABA niestety hamuje wzrost roślin, zwiększona zawartość powoduje obniżenie zawartości głównie cytokinin i giberelin.
ABA przenosi sygnały między organami o zbliżającym się zagrożeniu. Zwany jest czujnikiem stresu. Indukuje syntezę nowych białek enzymatycznych polipeptydów, uruchamiających nowe szlaki metaboliczne zwiększające odporność roślin na stres.
W czasie działania biotycznych i abiotycznych stresów pojawia się większa zawartość etylenu.
Etylen łączy się z ozonem w troposferze dając substancję toksyczną dla roślin w postaci form aldehydu.
W błonach komórkowych zlokalizowane są komórki sygnałowe, w których umieszczone są białka receptorowe reagujące na czynniki środowiska i powodujące ich transdukcję. Mediatorem przekazującym sygnały do wnętrza komórki jest wapń zw. wtórnym przekaźnikiem informacji. Stężenie wapnia w cytoplazmie pod wpływem stresu może wzrastać nawet 1000-krotnie w ciągu kilku minut.
Hsp= heat stress proteins białka szoku termicznego
HsPs= heat shoc proteins
Białka te są to białka niskocząsteczkowe, które muszą się przemieszczać w roślinie, synteza ich uruchamiana jest w ciągu kilku minut, po ustąpieniu stresu są rozkładane. Tak roślina broni się przed pragnieniem.
Białka typu PR- białka związane z infekcją. Są to naturalne substancje tworzone pod wpływem stresu biologicznego (w przypadku metali ciężkich).
Metale ciężkie+ glin= metale śladowe
Roślina broni się w różny sposób lub wytwarza białka chaperony, które transportują te metale do wakuoli. Może wytwarzać kallozę na zewnątrz ściany komórkowej, lub tworzą kompleksy nierozpuszczalne, do korzeni transportuje.
Choroby
Choroba- długotrwałe zakłócenie funkcji fizjologicznych które uniemożliwiają normalny rozwój i ujawniają się w wyglądzie rośliny. Zmiany te noszą nazwę objawów chorobowych, wywołane są przez stresy biotyczne i abiotyczne.
Przyczyny chorób roślin
czynniki natury organicznej (infekcyjnej) wywołane przez czynniki biotyczne (grzyby zakaźne, bakterie, wirusy, wiroidy)
czynniki natury nieorganicznej (nieinfekcyjnej) wywołane przez czynniki abiotyczne (czynniki atmosferyczne, glebowe, troficzne).
Do czynników atmosferycznych:
działanie wysokiej i niskiej temperatury
niedobór lub nadmiar składników pokarmowych
Glebowe:
nieodpowiedni odczyn
zasolenie
zmęczenie gleby
nadmiar lub niedobór składników pokarmowych, wody
Troficzne:
środki ochrony roślin
pyły
gazy
ścieki przemysłowo- komunalne
W rozwoju choroby wyróżniamy stadia:
zakażenie (infekcja)- obejmuje okres od zetknięcia się z patogenem do nawiązania z nim ścisłego kontaktu.
Wylęganie lub inkubacja- okres między zakończeniem infekcji a wystąpieniem objawów choroby.
Patogeneza właściwa (choroba)- okres od pojawienia się pierwszych objawów choroby, trwa od momentu obumarcia lub wyzdrowienia.
Wyzdrowienie lub rekonwalescencja- zdolność rośliny do normalnego pełnienia funkcji fizjologicznych.
Wyrównanie (rehabilitacja)- okres regeneracji chorych organów rośliny, odtworzenie utraconych w trakcie choroby organów.
Objawy chorób roślin
Symptomatologia- nauka o chorobach.
Etiologia- nauka o przyczynach.
Najczęściej występujące objawy chorób to:
Więdnięcie
plamistość (przebarwienia)
nekrozy
zniekształcenia
nowotwory
wydzieliny
rany
Ad.1.
Może być patologiczne lub niepatologiczne.
Patologiczne (nieodwracalne) powodowane naruszeniem bilansu wody w roślinie przez czynniki infekcyjne patogena porażające i zatykające wiązki przewodzące.
Patogeny wydzielając toksyny mogą wywołać tzw. zjawisko tracheobakteriozy lub tracheomykozy pod wpływem grzybów z rodzaju Fusarium. Toksyny wydzielane paraliżują działanie membran komórkowych- powodują śmierć rośliny.
Niepatologiczne- odwracalne- wywołane chwilowym naruszeniem bilansu wodnego rośliny zw. więdnięciem fizjologicznym.
Ad.2.
Mogą mieć różny kształt, natężenie, głębokość. Najczęściej występują plamy chlorotyczne. Są one wynikiem rozkładu chlorofilu wskutek braku Mg, Mn, Fe lub wynikiem uszkodzeń chlorofilu przez wirusy lub fitoplazmy.
Ad.3.
Powstają w wyniku działania patogena. Obumarłe tkanki są szare, brunatne lub czarne.
Nekrozy mokre- pochodzenie bakteryjne
Nekrozy suche- pochodzenie grzybowe.
Ad.4.
Całych roślin lub niektórych organów. Pierwszym objawem jest:
karłowacenie lub niedorozwój (atrofia), wywołane przez czynniki środowiskowe, niedostatek wody, pokarmu lub czynniki patogeniczne.
Wybujałość (hipertrofia) spowodowane przerostem pojedynczych komórek.
Hiperplazja- przerost organów wskutek szybkiego podziału komórek np. kiła kapusty, narośla drzew liściastych.
Ad.5.
Są to narośla, które powstają w wyniku przekształcenia tkanek lub organów roślin wskutek reakcji rośliny na bodźce pasożytów roślinnych lub zwierzęcych (rak ziemniaka, galasówki dębu i topoli).
Ad.6.
Pojawiają się jako substancje specyficzne na zewnątrz roślin wskutek zranienia lub toczącego się procesu chorobotwórczego (na życie porażonym sporyszem- wycieki żywiczne).
Ad.7.
Są objawami chorób, które sprowadzają się do przerwania ciągłości tkanek miękiszowych, przewodzących; powodowane celowo przez zwierzęta i człowieka lub zdarzenie abiotyczne (pyły, gazy).
Rozwój choroby wirusowej
Choroby wirusowe (wirozy)
Wirus z łac. jad, trucizna.
Czynniki chorobotwórcze, mikroskopowej wielkości, nie mające własnej przemiany materii, zdolne tylko do rozmnażania się w żywych komórkach. Dojrzałe cząsteczki wirusów (dorosłe wirusy) to wirony- pod względem chemicznym składają się z 1 lub kilku cząsteczek RNA otoczonych warstwą białka lub lipoprotein.
Czynnikiem infekcyjnym jest RNA. Najczęściej dostaje się przez plazmodesmy.
Wirony nie są zdolne do życia in vitro tylko in vivo. Ich reprodukcja zachodzi w żywych komórkach przez plazmodesmy. Rozdziela się na kapsyd (otoczka białkowa) i genom.
Wirusy nie mają własnej informacji genetycznej. Wykorzystują kwasy nukleinowe, rybosomy i aminokwasy komórek gospodarza.
Oddzielną grupę stanowią wiriody (grupa wirusopodobna). Są to wirusy nagie bez otoczki białkowej, zdolne do replikacji w żywej komórce (wrzecionowatość bulw ziemniaka).
Sposoby wnikania:
plasmodesmy
wektory żywe (owady, pajęczaki, nicienie, grzyby) i martwe (mechaniczne zranienia, otarcia roślin).
Genetyczny kod wirusa zapisany w RNA zostaje narzucony zaatakowanej komórce roślinnej co prowadzi do zmiany biosyntezy (anabolizm w zaatakowanej komórce, replikacji kw. nukleinowych, powstają enzymy replikazy kodujące RNA wirusowe). Miejscem replikacji jest jądro i chloroplasty, czasem mitochondria.
Wirusy mogą przemieszczać się:
pionowo (owady, nicienie)
poziomo (z pokolenia na pokolenie)
Wirusy umieszczone w warstwie owocowo- nasiennej wywołują choroby pozorne. Wirusy umieszczone w zarodku dają choroby w natępnym pokoleniu. Przenoszone tylko przez nasiona (wiriody).
Choroby:
mozaiki
żółtaczki
kędzierzawość liści
wąskolistność
pstrość
drobnolistność
deformacje zmiany owoców
Mogą powodować obniżkę plonu do 20%.
Wykład 3. 21.10.2008.
Patogeneza- przebieg choroby
Fitoplazmy są to bardzo małe kuliste organizmy wielkości od 100- 1000nm. Wolno żyjące prokarioty- organizmy jednokomórkowe bez cytoszkieletu, mitochondrium i jądra komórkowego. Zawierają w swoim składzie RNA i DNA. Na zewnątrz otoczone podwójną błoną lipidowo- białkową. Mogą się rozmnażać in vitro, in vivo. W przeciwieństwie do wirusów wrażliwe na antybiotyki z grupy tetracyklin, co jest wykorzystywane w zwalczaniu chorób.
W naturze przenoszone są przez skoczki, szczepienia, odrośla, odkłady. Z komórki do komórki przedostają się przez plasmodesmy na duże odległości łykiem i rurkami sitowymi. Mniejsze ciałka mykoplazmatyczne powstają wokół ciałek większych, następnie uwalniają się od nich i żyją kosztem gospodarza. Choroby, które wywołują to żółtaczki, zielenienie kwiatów, karłowatość u ryżu, plamistość u astra. Fitoplazmy powodują zaburzenia w gospodarce fitohormonalnej- te zjawisko nosi nazwę fyllodi.
Zwalczanie chorób mykoplazmatycznych:
termoterapia
chemioterapia- antybiotyki z grupy tetracyklin
niszczenie skoczków
Patogeneza chorób bakteryjnych
Wszystkie bakterie mają kształt pałeczek 1-3 nm. Komórki składają się z cytoplazmy, substancji jądrowej i wielu ziarnistości.
Rozmnażają się przez podział co 20min. Rozmnażanie płciowe przez wymianę materiału genetycznego między dwoma osobnikami.
Ze względu na sposób odżywiania dzielą się na autotrofy i heterotrofy (samożywne i cudzożywne).
Odżywiają się całą powierzchnią wydzielając do środka dużą ilość enzymów.
Powodują u roślin:
zgnilizny- mokre
poliferacje- guzy, narośla na sadzonkach drzew owocowych wywołane przez Arobacterium Humefaciens
Drogi infekcji:
rany lub mechaniczne uszkodzenia
owady o aparacie gębowym gryzącym lub kującym
przez przetchlinki, szparki.
Najczęściej zimują w nasionach, glebie, resztkach pożniwnych.
Po przedostaniu się do organizmu rośliny namnaża się w przestworach międzykomórkowych (apoplaście).
Działanie bakterii na roślinie ma charakter chemiczny- rozluźnienie ... międzykomórkowych porażonych tkanek za pomocą pektynoz, faza trawienia za pomocą enzymów hydrolaz.
Konsekwencją jest wydzielanie kwasów, zasad i toksyn, które zatruwają fitoplazmę i zabijają komórki.
Pierwsze stadia zakażenia są niedostrzegalne. Wykryć je można tylko metodami immunologicznymi.
Roślina w I fazie wytwarza korek między tkanką chorą a zdrową (działanie obronne). W II wytwarzanie śluzu w przestworach międzykomórkowych (w apoplaście- przestrzeń międzykomórkowa i wewnątrz błony) powoduje uwięzienie bakterii i nie dochodzi do procesu namnażania (zamieranie bakterii).
Patogeneza chorób grzybowych
Grzyby jako organizmy jedno- lub wielokomórkowe o nitkowatej budowie nie wytwarzają chlorofilu i muszą korzystać z gotowych związków organicznych
Zbliżona budowa do roślin, nie są zdolne do przemieszczania.
Ze względu na sposób odżywiania dzielimy na:
saprofity
pasożyty- przystosowane do życia kosztem drugiego organizmu
W warunkach stresowych saprofity stają się patogeniczne dla gospodarza. Potrafią wykorzystać gospodarza w różnych stadiach rozwoju, są patogenami odległych systematycznie roślin.
Fusarium oxysporum jest patogenem takich roślin jak: łubin, groch, bób, bawełna, banan, ogórki.
Infekcja roślin przez patogena grzybowego rozpoczyna się w momencie kiełkowania zarodników.
Aby doszło do kiełkowania potrzebne jest:
woda
substancje odżywcze
odpowiednia temperatura
pH
Najważniejsze znaczenie ma woda, niektóre gatunki grzybów z gatunku mączniaków nie wymagają wody, ponieważ zawierają jej ok. 70%.
Woda jest niezbędna do uruchomienia enzymów w początkowej fazie. Grzyby saprofityczne Rhnopus, Mucor pobierają substancje z podłoża.
Na proces kiełkowania duży wpływ mają substancje odżywcze, które w formie roztworu dyfundują z liści do pędów rośliny.
Preferują środowisko lekko kwaśne 5-6. Botrytis pH 3-4.
Drogi wnikania do roślin- strzępka kiełkowa wnika do rośliny przez otwory: szparki, przetchlinki, hydapod lub przez zranienia. Strzępka kiełkowa zw. penetracyjną wnika przez ścianę komórkową po wytworzeniu skomplikowanych struktur infekcyjnych. Do nich należą:
przycistka appresorium
substancja przyklejająca wytworzona przez grzyb
strzępka penetracyjna
Często rośliny broniąc się przed patogenem wytwarzają twór brodawkowy powstały po wewnętrznej stronie ściany komórkowej nad plazmalemmą. Brodawka ta zw. apozycją lub papillą. Jest formą bezpośredniej reakcji rośliny na infekcję.
Twór ten zbudowany jest z kallozy. Kalloza otacza rosnącą strzępkę infekcyjną, powoduje u odmian odpornych roślin zamieranie tej strzępki. Przykładem jest jęczmień odporny na mączniaka, odmiany ziemniaka odporne na Phytophora infestans (antraknoza?).
Odżywianie
Pobierają wodę, składniki pokarmowe za pomocą ssawek zw. haustoriami.
Funkcje fizjologiczne rośliny chorej.
U chorych roślin następuje przede wszystkim obniżenie tempa fotosyntezy. Przyczyną spadku fotosyntezy jest redukcja aparatu asymilacyjnego. Zgorzel liści powoduje zmniejszenie dostępu światła, CO2- hamuje to fotosyntezę. W niektórych przypadkach następuje zahamowanie odprowadzania asymilatów wskutek uszkodzenia floemu. Skutkiem tego jest nagromadzenie produktów fotosyntezy w liściach. Powoduje to wzrost stężenia produktów, obniżenie szybkości reakcji, wtórnego zahamowania biosyntezy, degradacji chloroplastów.
Patogeny mają również wpływ na gospodarkę wodną. Pobieranie wody ulega zakłóceniu (patogeny niszczą korzenie i włośniki).
Transport wody z korzeni do nadziemnych części może również zostać zablokowany przez niszczenie szyjki korzeniowej. Ma to miejsce przy zgorzeli siewek lub podstawy łodygi, powoduje je Erwinia i Fusaria.
Istnieją gatunki rozmnażające się w naczyniach i powodujące zmniejszenie światła naczyń lub ich zatkaniu lub powodują ich całkowite zniszczenie. Sprawcami takich chorób są grzyby z rodzaju Fusarium, Pseudomonas, Verticilus.
Oddychanie roślin.
W pierwszych fazach rozwoju procesu chorobowego następuje wzrost tempa oddychania. Ma to na celu zwiększenie procesów ochrony.
Kiedy pojawiają się pierwsze objawy tempo oddychania jest normalne, później spada aż do całkowitego zaniku oddychania. Roślina zostaje zwyciężona przez patogena i jej reakcje obronne zanikają.
Choroby powodują ograniczenie wzrostu roślin, zaburzenia w gospodarce fitohormonalnej, wzrost kwasów ABA, spadek cytokinin i giberelin.
Mechanizmy obronne roślin.
Klasyfikacja fizjologiczna i genetyczna odporności.
Podatność roślin- zdolność roślin do ulegania chorobie.
Immunia- całkowita odporność roślin na choroby i szkodniki. Występuje u form dzikich i form uprawnych częściowo.
Odporność pozorna (ekologiczna)- roślina nie odporna na patogena lub szkodnika, może unikać porażenia jeśli jest odizolowana czasowo i przestrzennie od czynnika chorobotwórczego. Polega na rozminięciu fazy wrażliwości z terminem infazji patogena (maliny jesienne).
Tolerancja-występuje pomimo nawiązania kontaktu pasożytniczego. Patogen nie zakłóca funkcji fizjologicznych, nie obniża plonu.
Odporność właściwa- zdolność rośliny (żywiciela) do powstrzymania rozwoju patogena lub szkodnika uwarunkowania genetycznymi cechami anatomicznymi lub morfologicznymi bądź wyzwolenia reakcji obronnych.
Odporność właściwa dzieli się na:
odporność bierną (aksenia) lub przedinfekcyjną- odporność uwarunkowana genetycznymi cechami strukturalnymi i metabolicznymi czyli biochemiczno- fizjologicznymi
odporność czynna czyli poinfekcyjna- mamy do czynienia wtedy gdy patogen dostał się do rośliny. Polega na wytworzeniu przez roślinę toksycznych dla patogena związków chemicznych lub barier strukturalnych. Następuje neutralizacja toksyn lub innych substancji wytworzonych przez pasożyta.
Inicjowanie następuje w wyniku elicytorów (wyzwalaczy). Najczęściej są pochodzenia patogennego (lipidowe, białkowe, węglowodanowe) lub pochodzenia roślinnego powstający w wyniku reakcji inwazji patogena.
Elicytory są rozpoznawane przez receptory komórkowe roślin gospodarza.
Odporność bierna
1.Cechy strukturalne:
duża zawartość wosku
duża liczba włosków
gruba kutikula
gruba zewnętrzna ściana komórkowa komórek skórki
liczba szparek
duży udział tkanek mechanicznych
późna pora otwierania aparatów szparkowych
wydzieliny liści lub korzeni roślin powodujące ponowne kiełkowanie zarodników grzybów
2. Cechy metaboliczne (biochemiczne lub fizjologiczne).
ubogie w łatwo dostępne lub szczególnie cenne dla patogena składniki odżywcze np. niższa zawartość cukrów redukujących.
Niektóre patogeny wymagają obecności w zasiedlonych roślinach np. hormonów lub witamin
Obecność związków fenolowych i produktów ich utleniania- chinony
Obecność związków taninowych i saponin (tomatyna)
Produkcja przez rośliny enzymów (glukonaz, chitynaz) zdolnych do rozkładania ściany komórkowej strzępek grzybów.
Odporność czynna indukowana
Podstawą działania patogena na roślinę jest powstanie określonego sygnału. Substancje sygnałowe- kwas salicylowy, cystemina, tlenek azotu, nadtlenek wodoru.
W wyniku powstania sygnału zostaje on transportowany do jądra komórkowego. W jądrze następuje aktywacja genów odporności.
Syganł- jądro komórkowe- aktywacja genów odporności- reakcje obronne
Przykłady mechanizmów odporności czynnej podlegającej kontroli genetycznej:
reakcja nadwrażliwości
biosynteza i kumulacja substancji hamujących patogena to jest aktywnych form tlenu, związków fenolowych, fitoaleksyn (FA), białek PR
biosynteza metabolitów usztywniających ściany komórkowe (proces lignifikacji i suberuzacji) bądź powstanie czopujących obszary transportu międzykomórkowego i między organowego
neutralizacja toksycznych metabolitów lub egzoenzymów wytwarzanych przez patogeny.
Reakcje roślin nie wymagające aktywacji genów a przyczyniające się do hamowania patogena.
gwałtowne, krótkotrwałe uwalnianie aktywnych form tlenu
oksydacyjne uruchamianie białek strukturalnych ścian komórkowych
zmiany wartości poza komórkowego pH w apoplaście
Genotypy roślin o reakcji normoergicznej- o słabym natężeniu i małej efektywności w ograniczeniu rozwoju patogena.
Patogen może mieć zasięg:
lokalny- jeśli działanie obejmuje komórki kontaktujące się z pasożytniczym organizmem lub komórki je otaczające
systemiczny- na organy nie będące celem zakażenia (efektem porażenia na całą roślinę).
To oddziaływanie jest podstawą tzw. nabytej systemicznej odporności (SAR) lub indukowanej odporności sytemicznej typu JSR
SAR- indukowana stresem abiotycznym i biotycznym
JSR- nabywana w wyniku kolonizacji bakterii nie patogenicznych ryzosferowe (kolonizacja korzeni).
Systemiczne oddziaływanie patogena prowadzi do nabrania odporności nawet u roślin podatnych.
Nabywanie odporności zachodzi przez potraktowanie roślin rasami nie wirulentnymi patogena. Potraktowanie roślin ekstraktami pochodzenia roślinnego lub chemicznego np. fosforanami, szczawianami, kwas salicylowy lub hitozanem.
Kluczową rolę w odporności typu SAR odgrywa kwas salicylowy, fenolowy pełniący jednocześnie funkcję sygnału.
Odporność typu JSR jest indukowana przez kwas jasmonowy- produkt degeneracji błon cytoplazmatycznych.
W uruchomionych metodach obronnych jest obserwowana reakcja nadwrażliwości prowadzące do nekroz lub indukcji białek typu PR.
Proces wzbudzenia odporności u roślin za pomocą induktora (niepatogeniczne rasy patogena) określa się mianem immunizacji roślin, szczepionkowanie roślin.
Immunizacja roślin ma miejsce w wyniku bariery rybonukleazowej- zwiększenie syntezy enzymów nukleaz rozkładających patogenne RNA, lub w wyniku powstania białka interferopodobnych rozkładających patogenne RNA.
Wykład 4. 28.10.2008.
Reaktywne formy tlenu.
Jedną z reakcji metabolicznych roślin na stresy biotyczne i abiotyczne jest wzrost reaktywnych form tlenu (RFT). Generowanie tych metabolitów jest efektem ubocznych reakcji oksydoredukcyjnych komórek. RFT są metabolitami o ogromnym potencjale redukcyjnym, ponieważ powodują peroksydację lipidów (utlenianie), towarzysza temu produkcja wolnych rodników, inaktywują białka, powodują degradację DNA, RNA. Nagromadzenie tych produktów w organizmie żywym prowadzi do uszkodzenia tkanek.
Przykłady RFT:
anionorodnik ponadtlenkowy 02-
nadtlenek wodoru H2O2
rodnik wodorotlenowy
tlen singletowy
W następstwie infekcji roślin następuje gwałtowne i krótkotrwałe uwalnianie aktywnych form tlenu (anionorodnik)- zjawisko to nosi nazwę wybuchu oksydacyjnego. Jeśli roślina nie zareaguje biochemicznie, to następuje uszkodzenie struktur komórkowych.
Towarzyszy temu aktywność oksyreduktaz (peroksydaz, oksydaz) zlokalizowanych w ścianie komórkowej i oksydazy nad pH zlokalizowanej w plazmolemmie.
Wybuch oksydacyjny zależny jest także od dokomórkowego dopływu Ca. Mają one oddziaływać toksycznie na komórki patogena (stąd ich generowanie we wcześniejszych stadiach infekcji).
Jako metabolity o dużej reaktywności inicjują utlenianie wielu składników pokarmowych patogena (lipidy, aminokwasy, białka, kwasy nukleinowe), co w konsekwencji prowadzi do hamowania produktów komórki i rozprzestrzeniania patogena.
Reaktywne formy O pojawiają się w obrębie apoplastu. Następuje łatwy bezpośredni kontakt.
Funkcje H2O2
Pełnią one kluczową rolę w reakcji nadwrażliwości oraz inicjują syntezę barier strukturalnych (proces lignifikacji, suberyzacji) powstającej po infekcyjnej fali oksydacyjnej, towarzyszy wzrost aktywności dysmutazy ponadtlenkowej (SOD).
W wyniku aktywności tego enzymu następuje przekształcenie anionorodnika ponadtlenkowego do nadtlenku wodoru. Wzmożone wytwarzanie nadtlenku wodoru występuje zwłaszcza w obrębie apoplastu- jest niezbędnym nie zbędnym warunkiem do zainicjowania reakcji prowadzących do uszczelniania ścian komórkowych poprzez lignifikację i suberyzację, a także usztywnienie białek ścian komórkowych.
H2O2 może dyfundować do jądra komórkowego jako substancja sygnałowa, uczestniczyć w syntezie białek mechanizmów obronnych.
Dysmutaza ponadtlenkowa SOD usuwa aktywne formy tlenu, których nadmierna ich ilość może prowadzić do uszkodzeń strukturalnych i funkcjonalnych roślin gospodarza.
Aktywacja dysmutazy jest ściśle skorelowana z aktywnością dwóch enzymów:
Katalazy i proksylazy- rozkładają H2O2 do wody.
Gromadzenie RFT ma miejsce gdy mamy do czynienia z:
niskie i wysokie temperatury
promieniowanie UV
metali ciężkich
gazowych skażeń atmosferycznych (tlenki siarki, azotu, ozonu; toposferyczne)
Reakcje nadwrażliwości
Jest jednym z najpowszechniejszych mechanizmów obronnych rośliny.
W wyniku lokalnych nekroz wraz ze śmiercią komórek roślinnych następuje zablokowanie patogena.
Reakcją nadwrażliwości jest forma programowej śmierci komórki czyli genetycznie kontrolowanym mechanizmem eliminacji komórki.
Nosi nazwę apoptozy zw. zjawiskiem samojestwa lub samodestrukcji.
Komórki podlegające apoptozy kurczy się z powodu utraty wody. Następują zmiany w jądrze w wyniku kondensacji i skracaniu chromatyny, cięciu DNA przez enzymy. Niezbędnym warunkiem do aktywacji reakcji nadwrażliwości jest przepływ jonu Ca do komórki, w których uruchamia odpowiednie białka (efektorowe Gm).
W mechanizmach nadwrażliwości uczestniczą związki fenolowe, ich akumulacja jest ściśle skorelowana z aktywnością enzymu PAL.
PAL- amoniakoliaza fenyloalaniny; enzym ten jest odpowiedzialny za biosyntezę związków fenolowych.
Reakcja nadwrażliwości jest indukowana w bardzo krótkim czasie od infekcji (kilka godzin od kontaktu patogena z komórką roślinną).
Jeszcze szybciej zachodzą zmiany w membranach komórkowych. Już po infekcji następuje peroksydacja (utlenianie) lipidów, dokomórkowy transport jonów Ca i pozakomórkowy wypływ potasu.
Te zmiany prowadzą do depolaryzacji plazmodesmy co jest jedną z przyczyn wybuchu oksydacyjnego.
Fitoaleksyny.
W wyniku procesu infekcji, zranienia, uszkodzenia przez szkodniki, działań niektórych czynników abiotycznych (UV), następuje akumulacja w tkankach roślin substancji o właściwościach antybiotyków. Substancje to nazwano fotoaleksynami FA. Ich akumulacja wzrasta w wyniku infekcji patogenicznego wirusa, bakterii, grzyba.
Wykryto u ponad 100 gatunków roślin uprawnych.
Do najlepiej zbadanych należą:
fazeolina- u fasoli
pizatyna- u grochu
gliceolina- u soi
medikarpina- u lucerny i koniczyny
riszytyna, lubimina, solaretinon- u ziemniaka
wyenon- u bobu
kapsidol- u pieprzu
Każdy gatunek rośliny może gromadzić kilka FA co utrudnia przystosowanie się do nich mikroorganizmom patogenicznym.
Ustalono budowę fitochemiczną FA. Najwięcej występują u roślin strączkowych. Pod względem chemicznym są to niskocząsteczkowe metabolity wtórne. Nigdy nie występują u rośliny zdrowej. Tworzone są de novo. Budowane są w odpowiedzi na infekcje mikroorganizmów i gromadzone w miejscach penetracji patogena w stężeniach hamujących jego rozwój.
Większość FA ma budowę chalkonową charakterystyczną dla flawonoidów o szkielecie C6C3C6 lub są to związki terepenoidowe. U roślin strączkowych następną grupę stanowią FA stilbenowe o szkielecie C6C2C6. Charakteryzują się bardzo wysoką toksycznością na mikroorganizmy chorób. Występują rzadko u takich gatunków jak sosny, morwy, orzech ziemny, winorośl.
Aktywność uwarunkowana jest obecnością syntezy stilbenowej.
U roślin podatnych rozprzestrzenianie się patogena poprzedzone jest reakcją rośliny (wyprzedza rozpad komórek), u odpornych jest odwrotnie.
Działanie biologiczne FA ma charakter mało specyficzny i wszechstronnie działają na patogena. Działają hamująco na kiełkowanie zarodników grzybów. Hamują wzrost strzępek kiełkowych. Hamują proces zarodnikowania. Ograniczają wytwarzanie i aktywność egzoenzymów patogena. Działają bakteriobójczo.
Niektóre patogeny wykazują tolerancję na FA. Patogeny specyficzne poprzez zdolność ich detoksykacji. Inne patogeny uniemożliwiają syntezę FA wytwarzając tzw. supresory- substancje hamujące reakcje obronne roślin.
Białka PR
W wyniku oddziaływania warunków stresowych następuje w roślinie synteza i akumulacja licznych białek zw. stresowymi. Należą do nich:
białka enzymatyczne
b. strukturalne
b. sygnałowe
b. o właściwościach metabolicznych inhibitorów
b. ochronne względem struktur komórkowych
Wiele tych białek warunkuje tolerancje bądź odporność, a ich pojawienie się jest efektem ekspresji specyficznych genów będących skutkiem transmisji sygnału wywołanego bodźcem ze środowiska.
Akumulacja tych białek jest wynikiem transkrypcji rRNA i synteza de novo.
Węższym pojęciem są białka indukowane w patogenezie- białka typu PR są bardzo rozpowszechnione w świecie roślinnym. Ich akumulacja następuje w wyniku infekcji wirusowych oraz szkodników, zwłaszcza owadów.
Są zlokalizowane wewnątrz komórkowo, w apoplaście. Najlepiej poznane u tytoniu, ogórka, pomidora i ziemniaka. Należą do nich: glukanaza, chitynaza, lizozym, inhibitory proteaz, defensyny, niektóre peroksydazy, lektyny, tioniny, chitozanazy.
Obecnie opisane jest 17 grup.
Pod względem właściwości chemicznych białko PR są bardzo kwaśne lub zasadowe. Charakteryzują się dużą reaktywnością i aktywnością mikrobową.
hamują podziały komórek bakterii
hamują kiełkowanie zarodników grzybów
uczestniczą w tworzeniu papilli
uczestniczą w uszczelnianiu i usztywnianiu ściany komórkowej gospodarza.
Uczestniczą w tworzeniu elicytorów pochodzenia roślinnego
Blokują aktywność proteolitycznych egzoenzymów patogena- chitynaz i glukonaz
Chitynazę i glukanazę indukuje etylen.
Chitynazy roślinne wykazują destrukcyjne działanie względem ściany komórkowej grzyba. Białko o małej masie cząsteczkowej zlokalizowane w obrębie wakuoli. Katalizuje rozkład chityny (w ścianie komórkowej grzyba 3-60%).
Glukanaza- jest hydrolazą o aktywności endoenzymu.
Produktem rozkładu są łańcuchy glukozowe i oligoglukany powstające w wyniku rozkładu ściany komórkowej.
Największą wrażliwością na te enzymy charakteryzują się wierzchołkowe fragmenty grzybni strzępkowej.
Najmłodsze fragmenty strzępki wierzchołkowej zbudowane z chityny i glukanu, w późniejszym czasie pokryta warstwą glikoproteinową, trudno dostępną dla glukanaz.
Lizosomy
Degraduje poptydowo- glukanowe komponenty otoczek glukozowych. Występują powszechnie u roślin (tytoń, ziemniak). Wyróżniają się podwójną aktywnością lityczną pod względem otoczek bakteryjnych i chityczną względem otoczek grzybowych.
Z ich udziałem bakteriofagi prowadzą do rozkładu komórki bakteryjne.
Inhibitory proteaz.
Odżywianie patogenów roślinnych zależne jest od aktywności proteolitycznych egzoenzymów wydzielanych do penetrowanej tkanki.
Inhibitory proteaz jako białka niskocząsteczkowe roślin warunkują aktywność enzymów proteolitycznych.
Powstają w wyniku żerowania szkodników. Mogą być indukowane lokalnie lub systemicznie. Substancjami od których zależna jest ich indukcja są: systemina i kwas jasmonowy.
Defensywy.
Są to 12 grup białek, bogate w cystynę, obecność stwierdzono w tkankach roślinnych. Aktywność mikrobowa defensywy jest związana z oddziaływaniem na plazmolemmę patogena.
Wykład 5. 4.11.2008.
Bariery strukturalne jakie wytwarza roślina w kontakcie z patogenem.
Ważną rolę w odporności rośliny odgrywają predyspozycje roślin gospodarza do tworzenia barier fizycznych uniemożliwiających rozprzestrzenianie się patogenów. Dobrze wykształcona kutikula, warstwa woskowa. Wysycenie tkanek ligniną utrudnia rozwój patogenu, przeciwdziała infekcji. Rozprzestrzenianie patogena może mieć miejsce również w przypadku uszczelnienia ścian komórkowych. Z biochemicznego punktu widzenia proces infekcji i oddziaływanie mikroorganizmu patogennego na rośliny gospodarza ma miejsce wówczas, gdy rozwijający się patogen zaczyna wydzielać enzymy hydrolityczne. W wyniku ich aktywności dochodzi do uwalniania fragmentów ścian komórkowych gospodarza. Są to niskocząsteczkowe fragmenty, które stanowić mogą jako elicytory pochodzenia roślinnego.
Bariery strukturalne związane z usztywnieniem tej struktury powodują skuteczne uszczelnienie.
gromadzi kallozę
tworzy papille
dochodzi do syntezy ligniny i suberyny
Ta swoista fortyfikacja ściany komórkowej blokuje dyfuzję składników odżywczych dla pasożytniczego mikroorganizmu. Blokuje również przenikanie patotoksyn- metabolity wytworzone przez mikroorganizm poatogeniczny, śmiertelnie oddziaływanie na komórkę.
Lignifikacja jest jednym z procesów obronnych indukowanych przez wirusy, bakterie i grzyby. Poprzez wolne odgałęzienia i wolne kwasy fenolowe lignina tworzy z micelami celulozy struktury usztywniające dodatkowo ściany komórkowe. Lignifikacja może być bezpośrednią przyczyną ataku patogena lub swoistą reakcją nadwrażliwości.
Występuje u odmian ziemniaka.
W wielu przypadkach dochodzi do tworzenia strefy dzielącej patogena od tkanki niezainfekowanej. Strefa ta cechuje się wysokim stopniem wysycenia ligniną. Taki typ odporności występuje u drzew pestkowych powodowany przez Cocomyces (grzyb).
Biosynteza ligniny jest ściśle skorelowana z trzema enzymami. PAL (amoniakoliaza fenyloalaniny), który wytwarza się najczęściej w miejscu infekcji. Drugi enzym to TAL- amoniakoliaza tyrozyny i metylotransferaza. Również synteza ligniny przebiega z udziałem peroksydazy zlokalizowanej w ścianie komórkowej rośliny gospodarza.
Synteza suberyny.
Tworzona jest we wnętrzu ściany komórkowej gospodarza. Wysycenie tym polimerem prowadzi do uszczelnienia komórki. Najczęściej suberyną pokryte są fragmenty pędu i korzenia. Strefy chroniące wiązki naczyniowe, strefy penetracji patogena. Proces ten przebiega także z udziałem peroksydazy.
Ten typ odporności występuje u ziemniaka, pomidora, drzew iglastych, przeciwko hubie korzeniowej.
Białka ścian komórkowych odpowiedzialne za uszczelnienie.
Białka te stanowią od 5 do 18% s. m. Wyróżnia się białka strukturalne ścian komórkowych bogate:
w glicerynę
w prolinę
o dużej zawartości hydroksyprolizy, proliny,
glikoproteidy bogate w hydroksyprolinę zw. ekstensynami
Białka te podczas infekcji podlegają unieruchomieniu poprzez tworzenie wiązań z H2O2 (produktem wybuchu oksydacyjnego- reakcja dysmutazy)
Struktury histologiczne.
W następstwie infekcji wywołanej przez grzyby, bakterie, niektóre wirusy i nicienie dochodzi do wytworzenia warstwy korkowej, wytwarzanie gum, tylloz, kallozy (lignitubry).
Warstwa korkowa.
Wytworzona w wyniku aktywacji tkanki korkotwórczej, która skutecznie hamuje rozwój patogena i jego patotoksyn. Występuje u gatunków i odmian odpornych na Rizoctoniozę ceveali.
Wytwarzanie gum.
Powszechne zjawisko występujące u drzew pestkowych. Gumy są wydzielane do przestworów międzykomórkowych tworząc barierę blokującą patogena.
Tyllozy
Celulozowe struktury wrastające w wiązki ksylemu. W następstwie infekcji patogenów naczyniowych (Fusarium sp.).
Kallozy.
Wytwarzane dość powszechnie przez rośliny. Jednym z elementów jest papilla- turgor brodawkowy po wewnętrznej stronie nad plazmalemmą. Jeżeli otacza strzępki kiełkowe to tworzy lignitubry. Strzępki kiełkowe przestają rosnąć, patogen nie może nawiązać kontaktu z treścią komórki.
Interakcje patogen- roślina na poziomie molekularnym.
Patogen oddziaływuje na roślinę poprzez:
enzymy hydrolityczne
toksyny
elicytory pochodzenia wirusowego, bakteryjnego, grzybowego
supresory- substancje hamujące mechanizm obronny.
Jest to proces bardzo złożony.
I etapem infekcji między patogenem a rośliną jest przekazanie przez infekujący mikroorganizm fizycznego lub chemicznego bodźca. Bodźiec ten jest rozpoznawalny przez receptor białkowy rośliny. Rozpoznanie wymaga bliskiego kontaktu metabolicznego między komórką roślinną a patogenem. Taki kontakt jest możliwy w wyniku penetracji ściany komórkowej i uszkodzenia błon cytoplazmatycznych. W przypadku bodźca fizycznego dochodzi do deformacji plazmolemmy w wyniku ucisku ścian strzępki kiełkowej. Decydującą rolę w rozpoznawaniu patogena odgrywają elicytory oraz receptor roślinny białkowy. Receptory te zlokalizowane są na powierzchni plazmolemmy. W wyniku odbioru bodźca zewnętrznego następuje tzw. proces wzbudzenia polegający na wytworzeniu białek efektorowych typu G. Te białka są odpowiedzialne za aktywację w obrębie plazmolemmy kanałów Ca2+. Efektem aktywacji kanałów Ca jest zwiększony przepływ Ca z apoplastu do cytoplazmy oraz wytworzenie sygnału metabolicznego.
Uruchomienie dokomórkowego transportu Ca może mieć miejsce również w przypadku oddziaływania lokalnego bodźca fizycznego. Jony Ca aktywują białko kalmoduliny jak również wspólnie z metabolitami sygnałowymi tzw. wtórne przekaźniki- należą do nich cAMP (cykliczny adenozynomonofosforan) i cGMP (cylkiczny guanomonofosforan). W wyniku stężenia wtórnych przekaźników następuje synteza kinaz białkowych. Z kolei kinazy białkowe warunkują indukcję genów odporności lub bezpośrednio syntezę białek mechanicznych obronnych. Rolę substancji sygnałowych zw. molekułami sygnałowymi lub substancji przekaźnikowch pełnią:
kwas salicylowy
kwas jasmonowy
systemina
H2O2 (nadtlenek wodoru)
Tlenek azotu
Oraz inne (nie opisane).
Interakcja patogen- roślina.
Elicytory- reakcje obronne
Czynnikami patogenu inicjującymi reakcje obronne są elicytory czyli wyzwalacze mechanizmów obronnych. Poprzez elicytory roślina otrzymuje określony bodziec chemiczny za pomocą którego rozpoznaje patogena. Elicytory mogą być pochodzenia patogennego, czasami są to produkty niskocząsteczkowe komórki gospodarza powstające w wyniku aktywności enzymów hydrolitycznych patogena.
Pod względem chemicznym elicytory są pochodzenia:
białkowego
lipidowego
węglowodanowego
Elicytory oligosacharydowe, grzybowe i rośinne:
oligogalakturonowe
glukanowe
chitynowe
Elicytory białkowe grzybowe, bakteryjne i wirusowe:
*polipeptydy:
kryptogeina
elicytory
harpina
białko płaszcza TMV (wirus mozaiki tytoniowej).
*glikoproteidy:
endoksynalaza
Aktywność fizjologiczna elicytorów glikoproteidowych jest uwarunkowana częścią białkową. Część glukanowa decyduje o rozpoznaniu elicytora przez receptor rośliny, natomiast część peptydowa jest niezbędna do transdukcji sygnału.
Supresory reakcji obronnych.
Są to substancje hamujące reakcje obronne. Pod względem chemicznym są to:
toksyny
glikoproteidy
glukany
Mechanizm ich działania polega na konkurencyjnym blokowaniu receptora białkowego na który oddziałuje elicytor reakcji obronnych.
Mogą hamować transport międzykomórkowy związków chemicznych, a także ekspresję genów uczestniczących w syntezie enzymów PAL (niezbędny do syntezy związków fenolowych), syntezy halkonowej (duża toksyczność według patogena).
Molekuły sygnałowe
W wyniku oddziaływania elicytora dochodzi do wytworzenia bodźca zw. molekułą sygnałową.
Może się przemieszczać między komórkami i organami lokalnie lub systemicznie.
Molekuły syganłowe:
Kwas salicylowy
aktywowany przez nadtlenek wodoru
indukuje reakcję nadwrażliwości oraz syntezę białek PR
indukuje systemiczną odporność nabytą typu SAR.
Rośliny wytwarzają lotny ester kwasu salicylowego:
indukuje odporność oddalonych części roślin lub roślin sąsiednich (syntetyzowany jest przez roślinę chorą- w ten sposób rośliny informują inne rośliny o zagrożeniu).
Kwas jasmonowy
aktywator genów warunkujących syntezę inhibitorów proteaz
aktywuje indukowaną odporność systemiczną typu JSR (wywołanej przez patogeny ryzosferowe niepatogeniczne).
Jako hormon roślinny indukuje opadanie i starzenie się organów oraz syntezę betakarotenu i etylenu.
Systemina.
Substancja białkowa składająca się z 30 peptydów o właściwościach hormonu i sygnału roślinnego aktywowana w skutek zranienia. Pełni funkcję sygnału w odporności roślin na patogeny i szkodniki.
Nadtlenek wodoru H2O2
powstaje na powierzchni komórek i wewnątrz komórek (reakcja dysmutazy).
Aktywuje transport wapnia i kinazy białkowe indukujące ekspresję genów odporności.
Udział jako substancji sygnałowej w reakcji nadwrażliwości.
Akumuluje się w roślinie w następstwie zranienia, uszkodzenia powodowanego przez patogena lub szkodnika
Tlenek azotu NO
ważny sygnał wewnętrzny i międzykomórkowy w świecie zwierzęcym.
Reaguje oksydoredukcyjną homeostazą błonową, gwarantującą prawidłowy przebieg procesów metabolicznych.
U roślin indukuje reakcje nadwrażliwości
Enzymy hydrolityczne patogena.
A. Degradujące warstwę woskową i kutikularną
Kutynoza
B. Degradujące składniki ścian komórkowych
Enzymy pektynolityczne
pektynometyloetraza
poligalaturonaza
liaza pektynianowa
Enzymy degradujące ścianę komórkową
celuloza
hemiceluloza
Enzymy degradujące białka
proteinazy
C. Degradujące substancje wewnątrzkomórkowe.
proteinazy
amylazy i fosforylazy
lipazy i fosfolipazy
Enzymy wydzielane przez roślinę żywiciela:
polimerazy
rybonukleazy
nukleazy
Wykład 6. 18.11.2008.
Toksyny mikrobiologiczne
Proces chorobotwórczy charakteryzujący się metaboliczną dezorganizacją i zaburzeniami w integralności komórkowej. Czynnikiem sprawczym tych procesów są toksyny. Toksyny bezpośrednio oddziaływują na skład protoplastu prowadząc w krótkim czasie do śmierci komórki.
Patogen w pierwszej kolejności wydziela do penetrowanej tkanki enzymy. Jeśli przynoszą mierny skutek wtedy wydzielają toksyny.
Pod względem chemicznym toksyny to oligopeptydy, poliketony lub terpenoidy.
W wstępnej fazie powodują więdnięcia, następnie nekrozy, chlorozy czy zaburzenia wzrostowe. Niektóre z toksyn grzybowych i bakteryjnych mogą być związkami trującymi dla człowieka i zwierzęcia. Takie substancje nazywamy zootoksynami. Inne hamują wzrost i metabolizm roślin- nazywamy je fitotoksynami i metatoksynami.
Natomiast toksyny oddziaływujące (negatywnie) na wzrost drobnoustrojów nazywamy antybiotykami, inhibitory wzrostu.
Działanie może być:
specyficzne- jeśli powodują choroby tylko u jednego gatunku
niespecyficzne- toksyny działają na kilka gatunków.
Rośliny wrażliwe na mykotoksyny mają odcinki membran komórkowych wiążące te substancje i unieczyniające swoje główne receptory komórkowe. Z kolei rośliny odporne są wyposażone w mechanizmy prowadzące do detoksykacji tych metabolitów.
Toksyny niespecyficzne:
lykomarazimina -Fusarium oxysporum
kwas fuzariowy- Fusarium oxysporum
tabtoksyna- wydzielana przez bakterie, powodują bakteryjną plamistość tytoniu
Fazedotoksyna- uszkadza rośliny strączkowe
Tentoksyna- Alternaria tenuis, powoduje zamieranie siewek
pirykularyna- Pirycularia oryzae, sprawca zgorzeli siewek ryżu.
kwas alternariowy, alternariol, ziminol
Kwas szczawiowy- grzyby z rodzaju Sclerotinia.
Toksyny specyficzne.
Niskocząsteczkowe o dużej masie cząsteczkowej, bardzo niebezpieczne.
Wiktoryna- toksyna HIV (Bipolaris victoriae= Helminthosporium victoriae). Atakuje owies, uszkadza tkanki miękiszowe.
T- toksyna- Helminthosporium maydis. Atakuje kukurydzę, zakłóca gospodarkę, uszkadza mitochondria.
AK- toksyna, AM- toksyna- Alternaria alternaria. AK atakuje grusze; AM atakuje jabłonie; następuje wyciekanie związków fosforanowych, wapniowych- zaburzenia elektrolitowe.
Mykotoksyny toksyczne dla ludzi i zwierząt (nie ulegają rozkładowi przy obróbce termicznej).
Aflatoksyny- Aspergillus flavus. W ziarnie kukurydzy, orzechach arachiodowych. Są przyczyną raka wątroby.
Ochratoksyny- ochratoksyna A (grzyby z rodzaju Aspergillus). W ziarnie zbóż. Powodują uszkodzenie nerek.
Patulina- grzyby z rodzaju Penicillum i Aspergillus. Występują w owocach i przetworach. Nie ulegają rozkładowi. Atakują układ nerwowy. Zaburzenia równowagi.
Toksyny wytwarzane przez grzyby z rodzaju Fusarium.
Trichoteceny (nivalenol i deoksynivalenol).
zearalenon
eniatyny
Mechanizmy działania fungicydów na komórki grzyba.
blokowanie procesu oddychania przez unieczyniania enzymów grzyba (do enzymu przyłącza się fungicyd- metal. Powstający kompleks powoduje unieczynnienie białek).
zakłócenie funkcjonowania plazmalemmy, co prowadzi do zaburzeń w wymianie substancji z otoczeniem.
Zahamowanie biosyntezy białek tubulinowych, kwasów nukleinowych, ergosteronu (odpowiada za wzrost).
Odporność grzybów na fungicydy.
zmiana procesu metabolicznego komórki grzyba
niedopuszczenie fungicydu na teren komórki przez zmiany przepuszczalności ściany komórkowej i plazmolemmy.
Detoksykacja fungicydu na terenie komórki grzyba poprzez odpowiednie enzymy.
Aktywne usuwanie pobranego fungicydu poza teren komórki.
Odporność roślin na szkodniki i jej mechanizmy.
Odporność na szkodniki- znane są mechanizmy indukowane będące efektem kontaktu pasożytniczego z organizmem lub tkanką roślinną. Często w naturze występuje częściowe uszkodzenie rośliny przez szkodniki. Jest to wynikiem odporności pozornej (ekologicznej). Są trzy przyczyny tej odporności:
niezgodność fenologiczna rośliny i szkodnika
odporność okresowa
pomijanie roślin
Mechanizmy odporności właściwej.
Odporność genetyczna- oparta jest na:
preferencjach szkodników
właściwościach rośliny żywicielskiej
Allomony- substancje korzystne dla rośliny, odstraszają szkodnika od siebie.
Wyróżniamy:
Repelenty- związki zapachowe lub smakowe, które odstraszają.
Kariomony- substancje korzystne dla szkodnika. W nich wyróżniamy:
atraktanty- substancje wytworzone przez roślinę, które przyciągają szkodnika.
arestanty- zatrzymują szkodnika na roślinie.
Organizmy oligofagiczne- zjadają pokarmy z tej samej grupy botanicznej.
Organizmy monofagiczne- żerują na konkretnym gatunku.
Organizmy polifagiczne- zatrzymują szkodnika na roślinie.
Odporność genetyczna bierna.
O tej odporności decydują cechy anatomiczno- morfologiczne i metabolity.
Wyróżniamy:
Antyksenozę- obejmuje wszystkie cechy rośliny, które sprawiają, że jest antygospodarzem (nieodpowiedni żywiciel), brak penetracji. Decydują o tym: omszone liście i owoce- unikają pędziorki lub motyle; mszyce unikają odmian o małej zawartości wolnych aminokwasów.
Antybioza- polega na szkodliwym działaniu pokarmu roślinnego. Szkodniki unikają roślin o dużej zawartości związków fenolowych, lipazy, oksydazy.
Odporność genetyczna czynna (aktywna).
Występuje gdy szkodnik nawiązał kontakt z żywicielem. W wyniku zranienia tkanki wydziela się substancja sygnałowa- kwas jasmonowy, systemina. Elicytorem są śliny owadów i płyny wydzielone w trakcie składania jaj. Indukują reakcje obronne.
W obrębie odporności genetycznej czynnej wyróżniamy:
Antybioza indukowana- polega na szkodliwym działaniu pokarmu.
Reakcja nadwrażliwości- następuje zatrzymanie rozwoju szkodnika poprzez izolację.
U wielu roślin występuje zjawisko restytucji czyli regeneracji uszkodzeń- tolerancja.
9
Wyszukiwarka