Mechanizmy interakcí hostitel patogen a základy šlechtění na odolnost. Ing. Lubomír Věchet, CSc.

Transkript

1 Mechanizmy interakcí hostitel patogen a základy šlechtění na odolnost Ing. Lubomír Věchet, CSc. VÚRV, v.v. i., 2012

2 Titulní list Mechanizmy interakcí hostitel patogen a základy šlechtění na odolnost Editor: Ing. Lubomír Věchet, CSc. Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v. i., 2012 Oponent: Ing. Pavel Bartoš, DrSC. ISBN:

3 Obsah ÚVOD... 1 I. VLIV VNĚJŠÍHO PROSTŘEDÍ... 3 II. ÚLOHA GENŮ V ORGANIZMU PROCES INFEKCE BIOTROFNÍMI PATOGENY PROCES INFEKCE NEKROTROFNÍMI A HEMIBIOTROFNÍMI PATOGENY... 6 IV. INTERAKCE HOSTITEL PATOGEN MOLEKULY SPOJENÉ S PATOGENEM MOLEKULY SPOJENÉ S ROSTLINOU... 8 V. POZNÁVACÍ SYSTÉMY V INTERAKCI HOSTITEL - PATOGEN VI. REZISTENCE ROSTLIN SPECIFICKÁ REZISTENCE NESPECIFICKÁ REZISTENCE ČÁSTEČNÁ REZISTENCE TRVANLIVÁ REZISTENCE INDUKOVANÁ REZISTENCE Lokální rezistence (LAR) Systémová rezistence (SAR) Indukovaná systémová rezistence (ISR) Indukovaná rezistence proti poranění býložravým hmyzem (WIR) VII. MECHANIZMY REZISTENCE HYPERSENZITIVNÍ REAKCE ŘÍZENÉ ODUMÍRÁNÍ BUŇKY VIII. OBRANNÉ MECHANIZMY ROSTLINY IX. FYZIOLOGICKÉ OBRANNÉ REAKCE AKTIVNÍ FORMY KYSLÍKU Oxidativní stres KYSELINA SALICYLOVÁ A OSTATNÍ ORGANICKÉ KYSELINY OXID DUSIČNÝ ETYLÉN KYSELINA JASMONOVÁ PROTEINY VZTAHUJÍCÍ SE K PATOGENEZI LIPOXYGENÁZY FYTOALEXINY X. POPULACE PATOGENŮ POPULAČNÍ GENETIKA RASY PATOGENA SEXUÁLNÍ A ASEXUÁLNÍ REPRODUKCE MIGRACE A ADAPTACE PATOGENŮ XI. ŠLECHTĚNÍ NA ODOLNOST VÝZNAMOVÝ SLOVNÍK...37 LITERATURA OBRAZOVÁ ČÁST Ilustrační obrázky... 60

4 Úvod V úvodu je poukázáno na úlohu buňky a buněčné membrány v reakci na změny prostředí rostliny. Je popsána úloha bílkovin v obranných reakcích. Charakterizovány jsou odlišností obranných systémú rostlin a obratlovců. Jsou popsány patogenní mikroorganizmy pro rostliny a adaptace rostlin na změny vnějšího prostředí. Život na Zemi je tvořen mikrobiálními, rostlinnými a živočišnými organizmy. Mezi nimi probíhá řada antagonistických i neantagonistických vztahů. Většina organizmů ke své obživě a ke svému vývoji využívá právě antagonistický vztah. Převaha antagonistických vztahů mezi živými organizmy znamenala, že se všechny organizmy k tomu, aby přežily napadení, zejména mikroorganizmů, musely v průběhu svého vývoje vybavit obrannými systémy. Mnohobuněčné organizmy se skládají z velkého počtu buněk, které tvoří strukturální a funkční jednotky těchto organizmů. Ty jsou diferenciované a specializované. Dohromady však společně plní určitou funkci nebo několik spolu souvisejících funkcí. Mají podobnou stavbu a vzájemně se podílejí také na vytváření mezibuněčného prostředí. K tomu, aby organizmus mohl fungovat jako jeden celek, aby jednotlivé buňky nebo skupiny buněk mohly plnit svou funkci, musí být propojeny četnými regulačními mechanizmy. Ty přispívají k udržování stálosti vnitřního prostředí a umožňují reagovat na změny vnějšího i vnitřního prostředí. Na rozdíl od mnohobuněčných organizmů nemá buňka jednobuněčných organizmů (bakterie a sinice) oddělený prostor s nukleovými kyselinami (ty jsou nositelem genetické informace). Naopak mnohobuněčné organizmy mají vnitřní obsah buňky rozdělen na jádro (s deoxyribonukleovou kyselinou - DNA) a na cytoplazmu (ostatní obsah buňky). Velmi důležitou součástí buňky je buněčná membrána, která plní řadu funkcí. Jejím základem je fosfolipidové uspořádání. V této membráně jsou různě umístěny bílkoviny, z nichž některé mají charakter enzymů a zabezpečují aktivní přenos látek dovnitř buňky nebo ven. Jiné bílkoviny zajišťují pak spojení se sousedními buňkami. Některé zase fungují jako buněčné receptory, tj. přenášejí dovnitř buňky informace o kontaktu s nějakou látkou mimo buňku. Výjimkou jsou nebuněčné organizmy, viry a viroidy, které nemají vlastní metabolismus a rozmnožují se v živé buňce. Pouze rostliny jsou z větší části schopny žít a živit se z podkladu na kterém se uchytily. Rostliny musí v přírodě vzdorovat abiotickým a biotickým stresům. Obecně je možné říci, že organizmy, které jsou bez možnosti pohybu (rostliny), jsou často využívány jako zdroj potravy a úkrytu pro širokou řadu parazitů. Rostlina ochoří, když je nepřetržitě postižena nějakým příčinným agens (původce), který končí v abnormálních fyziologických procesech, jež narušují normální strukturu rostliny, růst, funkci a jiné aktivity. Nicméně vývoj choroby je spíše výjimka než pravidlo, a to v důsledku vysoce účinných, koordinovaných systémů pasivní a aktivní obrany, které se v rostlinách vyvinuly. Ty omezují hostitelskou škálu mikroorganizmů schopných způsobit chorobu. Rezistence rostliny k chorobě může být také indukována u specifických odrůd rostliny, uvnitř řady hostitelů nebo pouze v reakci ke specifickým rasám patogena. Mezi mikroorganizmy patogenní pro rostliny patří viry a fytoplasmata, bakterie a houby. Viry a fytoplasmata jsou extrémně malí původci chorob, kteří žijí a množí se uvnitř žijících buněk hostitelské rostliny. V mnoha případech narušují normální funkci buňky a způsobují širokou řadu symptomů. Nejčastěji se šíří hmyzími vektory, jako jsou například mšice nebo křísové. Bakterie jsou jednobuněčné organizmy, z nichž mnohé způsobují chorobu. Mohou se hlavně šířit z rostliny na rostlinu rozstřikem vody, infikovaným rostlinným materiálem, jako například odřezky a semeny nebo infikovanými nástroji, apod. Na rostlinách mohou také parazitovat některé nematody, které způsobují zakrslost a slabý růst kořenů a celkový pokles růstu a vitality rostlin. Existuje mnoho hub, které způsobují široký rozsah symptomů na různých částech rostlin. Většina hub tvoří spory, které mohou být šířeny větrem, vodou, 1

5 hmyzem nebo manipulací s rostlinami. Většina hub potřebuje k růstu, produkci spor a k infikování rostlin vlhkost a nepříliš velké teploty. Cesty, kterými jednotliví původci biotických stresů mohou napadnout rostlinu, ukazuje Obr. 1. U rostlin se vyvinuly mechanizmy, které jim umožňují vzdorovat období sucha, poranění, ale také napadení patogenními mikroorganizmy (Diaz et al., 2002). V poslední době přibývají důkazy o tom, že obranné systémy rostlin jsou přinejmenším tak komplexní jako obranné systémy obratlovců. U savců má imunitní systém schopnost vyvinout poznání specifičnosti pro každou, ne vlastní sloučeninu, která je uvnitř jejich organizmu přítomna. Na rozdíl od živočichů však rostliny nemají krevní oběhový systém, to znamená, že nemají žádné cirkulující buňky a tudíž nemohou spoléhat na specializovaný imunitní systém. A tak poznání různých patogenů musí být schopností každé buňky hostitele. Ta musí být schopna obrany, i když je tato obrana místně a systematicky mezi buňkami koordinována. Rostliny tedy nemají tak efektivní mechanizmy poznat patogenní mikroorganismy a zastavit jejich růst jako živočichové. Mají však nespecifickou paměť k patogenu, která je systémová Obr. 1. Cesty napadení rostliny patogeny. Mc Mullen & Lamey (2001); (úprava Věchet, 2006). a může trvat několik týdnů. Nicméně rostliny vyvinuly pozoruhodné strategie k adaptaci na vnější změny s použitím řady konstitutivních (tvořící jejich součást) nebo indukčních (uměle vyvolaných) biochemických a molekulárních mechanizmů. Ty se projevují jak dlouhodobými, tak krátkodobými reakcemi k bezprostředním změnám, které na ně působí. Většina druhů hub žije saprofytickým způsobem života na mrtvém rostlinném nebo živočišném materiálu a uspokojují tak svoji potřebu organických živin. Jen malá menšina z nich má schopnost kolonizovat žijící rostliny a často způsobovat chorobu na hostiteli. Tyto patogeny našly způsoby jak negovat velmi účinný obranný mechanizmus rostliny. Patogenní mikroorganismy dovedou přizpůsobit svou infekční strategii změnám získaným z místa svého hostitele. Z toho důvodu je patogenita houby následkem vývojových mechanizmů a adaptace houby na hostitelskou rostlinu. Tato schopnost v infekčním procesu patogena zahrnuje uchycení spory, její klíčení, penetraci hostitelských pletiv, extrahování živin a nakonec sporulaci houby. 2

6 I. Vliv vnějšího prostředí Je uvedena charakteristika vnějšího prostředí. Z faktorů počasí jsou zmíněny teplota, vlhkost a intenzita světla. Rostliny spolu s patogeny žijí ve vnějším prostředí, které ovlivňuje i jejich vzájemné interakce. Vnější prostředí je tvořeno podmínkami prostředí a fyzikálně-chemickými podmínkami. K podmínkám prostředí patří zeměpisná šířka, nadmořská výška, oblasti pěstování, pro které jsou charakteristcké faktory počasí, jako jsou teplota, srážky, sluneční záření, vítr, apod. K fyzikálně-chemickým podmínkám patří zemědělská výroba, civilizační proměny krajiny, apod. Z faktorů počasí jsou zejména důležité teplota a vlhkost. Teplota prostředí ovlivňuje nejen intenzitu rozvoje choroby, ale i vnímavost rostlin. Například, některé geny rezistence pšenice ke rzi pšeničné působí efektivněji při nižší teplotě, jiné požadují vyšší teplotu (kolem 25 C). Mnoho patogenů potřebuje k úspěšné infekci vodu nebo ovlhčení, například povrchu listu. Spory jiných patogenů (konidie padlí travního) ale dovedou vyklíčit i na suchém povrchu, neboť mají vysoký obsah vody (až 60%). Některé patogeny, jako například braničnatka pšeničná (Mycosphaerella graminicola), potřebuje k šíření v porostu pyknosporami (asexuální rozmnožování) déšť. Kapky deště rozstřikují pyknospory do okolí. Z jiných faktorů to je například zastínění porostu ječmene jarního, se může projevit v určitých vývojových fázích vyšším napadením padlí travního Blumeria (Erysiphe) graminis f.sp. hordei (Věchet, 1989) (Obr. D). Vyšší intenzita světla totiž podporuje průběh fotosyntézy a nepřímo zvyšuje rezistenci rostlin (Aust, 1976). Vývoj patogena na hostiteli probíhá v určitém teplotním rozmezí, např. padlí travního na pšenici (Blumeria graminis f.sp. tritici), v rozmezí 0-24,5 C v konstantních podmínkách (Věchet & Kocourek, 1984). Při teplotách nad 24,5 C se vývoj padlí zastaví. Z faktorů výživy například jednostranné dusíkaté hnojení zvyšuje náchylnost rostlin k padlí travnímu. II. Úloha genů v organizmu. Je vyzdvižena úloha genů v organizmu, popsána funkce nukleových kyselin (DNA a RNA). Je porovnán genom buňky rostliny a člověka. Rostliny, podobně jako živočichové, jsou neustále vystaveny působení škodlivých vlivů. Mezi ně patří i nesčetné patogenní organizmy. Existuje rozmanitost mechanizmů rezistence, z nichž některé jsou konstitutivní a některé induktivní (Hammond-Kosack & Jomes 1997). Často, i když ne vždy, je rezistence rostlin k chorobě určena jednotlivými, obvykle dominantními geny. U rostlin existují četné, přirozeně se vyskytující genotypově specifické rezistentní reakce k patogenům, které naznačují, že také rostliny mají poznávací systém pro ne vlastní sloučeniny (Lauge et al. 1998), podobně jako savci. Geny (vlohy), jednotky genetické informace, jsou lineárně uspořádané na chromozomu (pentlicovitý útvar v buněčném jádru), jenž je tvořen komplexem bílkovin a nukleových kyselin. Hlavní funkce nukleových kyselin spočívá v uchování a předávání genetické informace, to je obvykle do kyseliny deoxyribonukleové (DNA). Nukleové kyseliny jsou regulátory a účastníky základních procesů biosyntézy bílkovin. Působí společně s bílkovinami. Jestliže probíhá předávání genetické informace pro zabezpečení jiných procesů životní činnosti organizmů, které nejsou bezprostředně spojeny s reprodukcí (replikací) DNA, využívají se labilnější a podle struktury méně konzervativní ribonukleové kyseliny - RNA. Pro každý druh je přesně určeno množství DNA, tvořící genom buňky. Dědičná informace je tedy zakódována v molekulách DNA. Mnohé rostliny (pšenice, žito, rýže) mají daleko více DNA, než má člověk. To ale ještě neznamená, že rostliny mají více genů. Naopak, množství 3

7 rostlinné DNA, která nic nekóduje, je u nich daleko větší než u člověka, kde geny tvoří méně než 2% DNA. Bylo také zjištěno, že člověk má asi 30 tisíc genů, z nichž ale může vzniknout více funkčních molekul. Organizmus člověka dokáže z některých genů syntetizovat několik různých proteinů a ty mohou být dále modifikovány, například tím, že se na ně váží cukerné složky. Takto modifikované proteiny pak mají jiné funkce, než původní molekuly. Velká většina genů u rostlin však může dát vznik pouze jednomu typu funkční molekuly. Možnost využívat jeden gen ke vzniku několika typů molekul s různými funkcemi je tedy u rostlin omezena. Také patogenní mikroorganizmy mají obdobný genetický systém. U hub je například prokázáné, že virulence se dědí podle Mendelových pravidel dědičnosti, podobně jako rezistence u rostlin. III. Proces infekce Znalost infekčního procesu patogena povede k pochopení vzniku a vývoje choroby u rostliny. Je charakterizován způsob průniku patogena do hostitelské rostliny. Je poukázáno na rozdílnost infekčního procesu biotrofních,nekrotorfních a hemibiotrofních patogenů. K tomu, aby patogen mohl uskutečnit svůj životní vývojový cyklus (Obr. 2), musí mít zdroj živin. Růst a reprodukce patogena se odehrává buď uvnitř, nebo na povrchu infikované rostliny. Například ektoparazitické houby (padlí travní) produkují všechny vegetativní a reprodukční orgány, kromě haustoria, na povrchu rostlin (Yamaoka & Takeuchi, 1999). Tím jak patogeny rostou a reprodukují se, poškozují své hostitelské rostliny. Podle způsobu jejich výživy můžeme patogeny rostlin rozdělit na biotrofní - získávají živiny z žijících buněk (příkladem je padlí travní Blumeria graminis a rzi), nekrotrofní, kteří usmrcují buňky hostitele a získávají živiny z odumřelých pletiv a hemibiotrofní. Hemibiotrofní patogeny mají zpočátku biotrofní způsob výživy, ale po krátké době přecházejí do nekrotrofní fáze, kdy usmrcují své hostitele. Příkladem je braničnatka pšeničná (Mycosphaerella graminicola), rhynchosporiová skvrnitost ječmene (Rhynchosporium secalis) a hemibiotrofní z počátku biotrofní, ale nakonec usmrcují buňky hostitele (Obr. F). Biotrofní houbové patogeny, tak jako rzi a padlí travní, jsou obecně specialisté, to znamená, že mají úzký okruh hostitelů. Musejí se rozvíjet v závislosti na změnách v populaci jejich hostitele (Parlevliet, 1996). Biologická specializace byla použita také jako základ pro taxonomickou klasifikaci hostitelů a parazitů (Johnson, 1988) a zčásti možná tvoří část procesu koevoluce (Futyma, 1996) mezi patogenem a jeho hostitelem. 4

8 Obr. 2. Schéma infekčního cyklu patogena na rostlině. Deacon J. (2000); (úprava Věchet, 2005). Někteří houboví původci chorob, jako rzi, mají obvykle dva odlišné typy hostitelských rostlin primárního hostitele - hostitele a alternativního hostitele - mezihostitele. Například u rzi travní (Puccinia graminis, Obr. H), která napadá obilniny a trávy, je primárním hostitelem pšenice nebo různé druhy trav a mezihostitelem je dřišťál. U rzi pšeničné je mezihostitelem rod žluťucha (Thalictrum spp.). Mezihostitel rzi plevové je také dřišťál jako u rzi travní. Na mezihostitelské rostlině dochází k pohlavní fázi životního cyklu patogena. Tato fáze byla v přírodě u nás prokázána u rzi travní, u rzi pšeničné a navozena pouze experimentálně. Fytopatogenní houby, které přímo pronikají do hostitelské rostliny, nemají běžně šanci proniknout do nehostitelské rostliny. To naznačuje, že epidermální stěna buňky je vlastně první obrannou linií proti takovým houbám (Heath, 2002). Jak již bylo uvedeno, patogenní houby produkují také enzymy, například kutinázy, které jim umožňují proniknout kutin na povrchu rostlin. Patogenní bakterie nemají, na rozdíl od hub, kutinázy a mohou vstoupit do rostliny pouze skrz přirozené otvory, např. stomata nebo poranění. Některé patogeny tvoří sekundární metabolity, fytotoxiny, které mohou poškodit buňky rostliny nezvratně a bránit tak vzniku rezistence. Fytotoxiny mohou být specifické nebo hostitelsky selektivní a postihovat pouze hostitelské rostliny. Jiné mohou být nespecifické nebo neselektivní, postihující rostliny mimo řadu hostitelů patogena. Rostliny naopak tvoří chemickou obranu k ochraně proti všem druhům škůdců a stresům. Jsou to konstitutivní fytoanticipiny a fytoalexiny. Houbové patogeny jsou obecně schopny degradovat fytoalexiny, tvořené hostitelskou rostlinou, zatímco degradace fytoalexinů z nehostitelských rostlin je velmi pomalá. Avšak existuje málo důkazů o degradaci fytoalexinů patogenními bakteriemi (Lyon, 2002). Podle Carvera et al. (1999) infekční procesy mnoha fytopatogenních hub se skládají z jednoduchých sledů událostí spojených s odlišnými stádii morfogeneze (vývoj tvaru, změna tvarových vlastností) vývoje klíčků houby. V jednoduchém významu taková stádia logicky zahrnují klíčení a formaci infekčních struktur, z kterých dojde k penetraci hostitele. 1. Proces infekce biotrofními patogeny Mezi biotické patogeny lze obecně zahrnout viry, bakterie, fytoplasmy (bezjaderné parazitické organizmy rodu Mycoplasma), houby a vyšší rostliny. Biotrofní rostlinné patogeny (z řeckého bios = život a trofein = živit se) rostou mezi buňkami hostitele a vytvářejí struktury, které jsou schopny absorbovat živiny z buňky, tzv. haustoria. Buňka hostitele je 5

9 poškozena, ale ne usmrcena. Růst a reprodukce těchto patogenů se odehrává uvnitř nebo na povrchu infikované rostliny. Lze říci, že se patogen vyhýbá nutnosti zabít buňky svého hostitele. Například viry jsou vždy biotrofní, protože jsou na buňkách hostitele závislé. Podle Heath (2002), přestože některé biotrofy zůstávají výhradně v rostlinných intercelulárních prostorách (intercelulární hyfy), většina z nich tvoří struktury uvnitř rostlinné buňky (haustoria). V porovnání s nekrotrofy tvoří biotrofní patogeny velmi málo extracelulárních enzymů. Biotrofní houby mají tendenci specializovat se na omezenou řadu svých hostitelů. Mohou tak odvádět živiny z hostitele, narušit jeho metabolizmus a vývoj. Klíčící spory u padlí travního na ječmeni (Blumeria graminis f.sp. hordei) tvoří primární klíček (PGT primary germ tube) 4 hodiny po inokulaci. Při pokračování vývoje spory může PGT vstoupit do epidermální buněčné stěny, ačkoli se to vždy nezdá být nezbytné (Carver 1988; Carver & Bushnell 1983). Druhý, tzv. apresoriální klíček (AGT- appressorium germ tube), je tvořen krátce po PGT. Konec AGT se utváří do tvaru přirozeného apresoria za nějakých hod. po infekci. Z apresoria se houba snaží porušit stěnu epidermální buňky tvorbou apresoriálního infekčního lalůčku (AIS appresorial infection sprout). Jestliže toto selže, může být tvořen z apresoria druhý, třetí a dokonce i čtvrtý lalůček. Podle Yao et al. (1998) je lalůčkování appresoria hlavním rysem nepravidelného appresoria. Lalůčkovaná appresoria jsou pak neschopná napadnout hostitelské buňky a tudíž lalůčkování appresorií je důležitý fenomén rezistence. V reakci na pokus o proniknutí patogena ukládá rostlina sekundární metabolity zahrnující kalosu, silikon, vápník a fenolicky založené sloučeniny v papile mezi PGT a apresoriálními lalůčky (Aist & Bushnell 1991; Carver 1988). Jestliže AIS úspěšně poruší buněčnou stěnu, ta naběhne a patogen vytváří haustorium, skrz něhož houba získává výživu z rostliny. Jak se haustorium (Obr. 1) vyvíjí a tvoří prstovitě rozeklaný výběžek, který zvyšuje povrch plochy mezi stěnou houby a membránou buňky rostliny, je membrána epidermální buňky vytlačena. Z ramene apresoria na povrchu listu se tvoří prodloužené sekundární hyfy (ESH elongated secondary hyphae), tvořící následně sporulující kolonii v kompatibilní interakci a dokončující asexuální cyklus. Během časných stádií vývoje tohoto patogena, při tvorbě klíčků, nebyly rozpoznány žádné rozdíly mezi avirulentními a virulentními izoláty. Oba izoláty ukázaly podobné procento klíčků v každém vývojovém stádiu až do 24 hod. po infekci. K rozdílům dochází po tvorbě haustoria. 2. Proces infekce nekrotrofními a hemibiotrofními patogeny Nekrotrofní patogeny mají sklon být méně specializované, než patogeny biotrofní. Tyto patogeny tvoří širokou škálu extracelulárních enzymů, které jim umožňují vstoupit do buněk rostliny prostřednictvím polymerů, jež degradují buněčnou stěnu rostliny. Mnoho těchto extracelulárních enzymů existuje jako isoenzymy. Například mikrobiální proteázy mohou degradovat proteiny buněčné stěny rostlin spojené s rezistencí. Mezi tyto enzymy patří například i celulázy (rozkládají celulózu) a pektinázy (rozkládají pektinové látky). Vysoká produkce těchto enzymů vede k odumírání rostlinných buněk. Kromě toho mají nekrotrofní patogeny také schopnost produkovat toxiny, které narušují metabolizmus hostitele a často způsobují nekrózy (odumření buňky). Rostlinné buňky hostitele odumírají kolem místa, kde patogen roste, ale celá rostlina nemusí být usmrcena. Nekrotrofní patogeny však musí soupeřit se saprofytními mikroorganizmy, aby vůbec mohly na odumřelé tkáni růst. Na přechodu mezi nekrotrofními a biotrofními patogeny jsou hemibiotrofní patogeny. Tam první část vývoje je podobná biotrofním patogenům, ale později přejde do nekrotrofní fáze. Příkladem může být neobvyklá biologie infekce a kolonizace Septoria tritici (Mycosphaerella graminicola), původce braničnatky pšeničné, která je nyní relativně dobře pochopena. Když, za podmínek vysoké vlhkosti sexuální askospory nebo asexuální pyknospory (Obr. 11), přistanou na povrchu listu hostitele, obojí vyklíčí a houba pomocí hyfy proniká list pasivně (Obr. 12) skrz otevřený průduch (Shaw, 1991). Během počáteční fáze kolonizace hostitele 6

10 houba roste a větví se uvnitř stomatálních dutin (Obr. 13) a v mezibuněčných prostorách mezi mezofylovými buňkami, ale netvoří žádné struktury nutné pro vlastní výživu. Během této biotrofní fáze nejsou hostitelské buňky poškozeny a nejsou patrné žádné viditelné symptomy. Zejména u náchylných odrůd pšenice, je vytvářeno velké množství biomasy houby uvnitř listu, zatímco u rezistentních odrůd se zdá být vývoj houby omezen (Kema et al., 1996; Pnini- Cohen et al., 2000). Z důvodů, které ještě nejsou plně jasné, se toto neagresivní spojení nakonec nenávratně rozpadne a patogen nastupuje více virulentní, nekrotrofní fázi. Toto období cyklu, které probíhá ve stejnou dobu s objevením jeho pyknidových útvarů uvnitř substomatálních prostorů, vede k vývoji symptomů skvrny charakteristických pro tuto chorobu. Skutečnost, že buňky hostitele jsou napadeny bez přítomnosti mycelia, dává tušit, že v interakci pšenice - M. graminicola jsou zahrnuty rozpustné toxické sloučeniny (Kema et al., 1996). Nicméně, žádné patogenem tvořené biologicky aktivní sloučeniny nebyly izolovány (Eyal, 1999). Za optimálních podmínek se uvnitř skvrny objevují hnědě černé kulovité pyknidy za dnů po inokulaci (Eyal & Levy, 1987). Pyknidy jsou tvořeny výlučně uvnitř stomatálních dutin a z toho důvodu se objevují v řadách souběžných s vaskulárními vlákny listu (Obr. 14). IV. Interakce hostitel patogen Je charakterizován význam interakcí hostitel patogen a aktivace obranných reakcí hostitelské rostliny. Obranné reakce rostliny jsou rozděleny na časné a pozdější. Jsou zmíněny molekulární interakce rostliny a patogena.vývoj interakcí hostitel- patogen. Je poukázáno na změnu infekční strategie patogena po získání informací z rostliny. Když rostlina a patogen přicházejí do vzájemného kontaktu, vytvářejí se mezi těmito dvěma organizmy těsné komunikace (Hammound-Kosack & Jones, 2000). Téměř každá interakce hostitel - patogen je jedinečná v jednotlivostech vzájemného kontaktu, to je v aktivaci, lokalizaci, časovém rozvržení a rozsahu obranných reakcí (Moncrieff, 2003). Aktivity patogena směřují na kolonizaci hostitele a k využití jeho zdrojů, zatímco rostliny jsou adaptovány ke zjištění přítomnosti patogenů a k reakci na antimikrobiální obranu a ostatní stresy. S jakými překážkami se patogen na své cestě k infekci hostitele může setkat, ukazuje schéma (Obr. 3), které bylo vytvořeno pro interakci Uromyces vignae a náchylného hostitele. Některé z uvedených obranných reakcí, ač diferencovaně účinné vůči patotypům, mohou být součástí výbavy, tzv. nehostitelské rezistence, k jiným patogenům téhož hostitele, např. jiné formae specialis (f.sp.). Po infekci rostliny patogenem jsou aktivovány časné lokální obranné reakce a zpožděné systémové reakce proto, aby působily proti napadení patogenem (Bülow et al, 2004). Mezi časné lokální reakce patří hypersenzitivní reakce (HR), která vede k místnímu programovanému odumření buňky rostliny, aby zbavila patogena jeho výživového základu (Greenberg, 1997; Pontier et al., 1998). Tato strategie ochrany (zejména úspěšná k biotrofním bakteriím a fytopatogenním houbám, stejně jako k virům) je založena na poznání patogena a na komunikaci buňky patogena s buňkou hostitele v tkáni přilehlé k místu infekce (Thomma et al., 2001). Později mohou rostliny vyvinout systémově získanou rezistenci (SAR), vedoucí k rezistenci v celé rostlině a v nespecifickém způsobu směrem k širokému spektru patogenů. V případě SAR je signál přenášen z infikované tkáně do celé rostliny k indukci souhrnného projevu obranného genu (Ryals et al., 1994). To ukazuje, že pro rostliny je nezbytné signální vnímání v počátečním poznání patogena a signální transdukce ke spuštění dalších obranných reakcí, aby působily proti patogenům (Nűmberger and Scheel, 2001). Zda je rostlina náchylná nebo rezistentní k infekci záleží na mnoha nepatrných interakcích mezi molekulami tvořenými rostlinou a molekulami tvořenými patogenem. Lyon (2002) 7

11 uvádí, že znalost příslušných molekulárních interakcí může být rozdělena do dvou skupin, založených na informaci s patogenem spojených molekulách a informaci s rostlinou spojených molekulách. 1. Molekuly spojené s patogenem Patogeny vlastní geny avirulence, jejichž produkty souvisí se specifitou hostitele. Patogeny mohou vlastnit hrp geny (gen odpovědný za hypersenzitivní reakci a patogenitu), jejichž produkty jsou spojeny s indukcí hypersenzitivních reakcí u rostlin. Nekrotrofní patogeny produkují širokou řadu extracelulární enzymů, které jim umožňují vstoupit do rostlinných buněk prostřednictvím odbourávání polymerů buněčné stěny. Mnoho těchto extracelulárních enzymů existuje jako izoenzymy. Mikrobiální proteázy mohou degradovat proteiny buněčné stěny spojené s rezistencí. Biotrofní patogeny, ve srovnání s nekrotrofy, tvoří velmi málo extracelulárních enzymů. Patogenní houby vlastní kutinázy, které jim umožňují penetrovat kutin na povrchu rostlin. Některé patogeny tvoří fytotoxiny (zabíjejí rostlinné buňky), které koordinovaným způsobem potlačují rezistenci rostlin k infekci. Fytotoxiny mohou být specifické (působící jen na řadu hostitelů patogena) nebo mohou být nespecifické (působí na rostliny i mimo řadu hostitelů patogena). Houbové patogeny jsou obecně schopné rychle degradovat fytoalexiny, tvořené hostitelskou rostlinou, zatímco degradace fytoalexinů z nehostitelských rostlin je velmi pomalá. Je málo důkazů o degradaci fytoalexinů bakteriemi. 2. Molekuly spojené s rostlinou Rostliny vlastní geny rezistence, které jsou specifické k patogenu a jsou obecně neefektivní proti ostatním patogenům. To naznačuje velmi specifickou signální reakci mezi produktem genu avirulence, tvořeným patogenem a produktem genu rezistence (receptorem) v rostlině. Na povrchu každé buňky rostliny bude mnoho kopií receptoru. Projev genů rezistence může být také modifikován ostatními geny rostliny. Zdá se, že produkty genu rezistence mají několik společných charakteristik, jež zahrnují oblasti membrány a leucinem bohatých opakování (ty jsou často spojeny s proteiny zahrnutými ve spojení protein/protein). Rostliny tedy obsahují proteiny, jež mají schopnost inhibovat enzymy, které odbourávají buněčnou stěnu. Schopnost rostliny poznat patogena je klíčovým problémem, který určuje, zda rostlina bude napadena, či nikoliv. Rezistence k chorobě tudíž závisí na schopnosti rostliny poznat patogena brzy v infekčním procesu a na dostupnosti účinných intercelulárních signálních systémů, které spouští rezistentní reakce. V procesu poznání jsou klíčové geny rezistence (R) rostliny. Ty kódují receptory, jež jsou schopny vzájemně reagovat se specifickými, to je odpovídajícími proteiny, pocházejícími z patogena. Interakce mezi rostlinou a patogenem se mohou vyvinout dvěma způsoby: 1. Rostlina má receptor, který reaguje s proteinem patogena. Výsledkem je rychlá obranná reakce. V takové situaci je například bakterie nazývána avirulentní pro daný genotyp rostliny (Piffanelli et al., 1999; Martin, 1999). 2. Proteiny patogenního organizmu podmiňují virulenci k danému genotypu. Rostlina je napadena patogenem, zatímco obranné mechanizmy jsou aktivovány pomaleji (Maleck a Lawton, 1998). Rostlina není vždy opatřena receptory proteinů patogenních bakterií nebo hub. V této situaci je patogen virulentní k danému genotypu rostliny a reakce rostlina-patogen je kompatibilní. V tomto případě molekuly patogena jsou nespecifickými elicitory, což jsou nespecifické látky způsobující patogenezi. Způsoby získání signálu z nespecifických elicitorů jsou ještě málo známé. 8

12 Hostitelská rostlina obsahuje geny rezistence. Expresí těchto genů vznikají receptory pro dané typy elicitorů. Tyto receptory reagují s elicitory. Po vzniku vazby receptor-elicitor, dochází ke spuštění obranné reakce. Molekuly, které v hostiteli indukují přítomnost patogena (receptory), se aktivují elicitory patogena a rychle vytváří vnitřní signál, jež spouští časné obranné reakce. Blumwald et al. (1998) uvádějí, že poznání mikroorganizmu buňkou rostliny záleží právě na tvorbě elicitorů patogenem. Mohou to být buď nespecifické elicitory, například fragmenty buňky houby, uvolňované během infekčního procesu, které vyvolávají obrannou reakci. Ta pomáhá minimalizovat chorobu. Nebo to naopak mohou být rasově specifické elicitory, molekuly, kterými jsou zakódovány geny avirulence (Avr) v patogenu. V obou případech s počátkem přepisu (transkripcí) genu patogeneze jsou zesíleny buněčné stěny. Potom jsou v místě penetrace patogena vytvářeny aktivní formy kyslíku, způsobující Obr. 3. Průběh infekce patogena na rostlině. Heath (2004); (úprava Schwarzbach, 2004). odumření infikovaných buněk. Rezistence tedy zahrnuje specifické poznání napadajícího patogena dominantním nebo semi-dominantním produktem genu rezistence (R). Tento typ interakce vychází z teorie gen proti genu, kde pro každý gen, který uděluje rezistenci hostiteli, existuje odpovídající gen v patogenu, jenž odpovídá jeho virulenci. Interakce mezi (R) geny rezistence k chorobě u rostlin a jejich odpovídajících genů avirulence (Avr) jsou klíčem k určení, zda je rostlina náchylná nebo rezistentní k napadení patogenem. V rezistentních reakcích rostlin k patogenům hrají hlavní roli signály a signální transdukční kaskády. Poznání patogenem odvozených signálů, indukujících rezistenci (elicitorů), se může vyskytnout na povrchu rostlinné buňky skrz nachystané receptory. Jinak řečeno, patogen exportuje elicitor do buněčné cytoplazmy, kde jeho poznání vyžaduje určité místo. Vazba elicitoru aktivuje receptor nebo komplex receptorů a výsledek je nazýván efektor, jenž může být defosforylován (slučovat se s kyselinou fosforečnou). Následně je pak vnímaný signál transdukován prostřednictvím signální kaskády, která končí ve fyziologických reakcích, jež kulminují do rezistentní reakce. Lokalizace infekce je pak jedním z výsledků těchto obranných reakcí 9

13 rostliny. Poznání patogenů rostlinou je tedy zprostředkováno velkou řadou vysoce polymorfních (mnohotvárných) R genů (Dangl & Jones, 2001; Jones, 2001). Produkty těchto genů fungují při poznání přímých nebo nepřímých produktů patogenem kódovaných Avr genů (Nimchuk et al., 2001). Většina identifikovaných R genů rostliny kóduje intracelulární proteiny, které obsahují předpovězené vazební místo nukleotidu, následované řadou leucinem bohatých opakování (LRR-leucine rich repetition), na jejich konečných místech určení (Xiao et al., 2001). Studie proteinů rezistence naznačily, že vysoce proměnlivé LRR domény určují poznání Avr produktů patogena (Dodds et al., 2001; Ellis et al., 1999; Jia et al., 2000). Patogenní mikroorganizmy se přizpůsobí svojí infekční strategií změnám získaným z místa jejich hostitele. Rostliny na druhé straně mají, aby přežily, vyvinuty mechanizmy rezistence ve svém vývojovém procesu. Předpokládá se, že u patogena geny patogenity kódují proteiny sounáležitě do dvou funkčních skupin, regulační proteiny a efektory ovlivňující tvorbu proteinů. Ty prvně jmenované, regulační proteiny, regulují aktivity genů hub a proteinů, zatímco efektory ovlivńují rostlinné procesy ve prospěch patogena. V. Poznávací systémy v interakci hostitel - patogen Charakteristika poznávacích systémů rostliny, které mohou patogena přinutit, změnit nebo zastavit jeho vývoj. Pojednává se o významu elicitorů patogena a rektorů rostliny při jejich vzájemné komunikaci. Rostliny jsou neustále konfrontovány s širokou rozmanitostí potenciálních patogenů v jejich prostředí. Nicméně vývoj choroby je spíše výjimka než pravidlo, a to následkem vysoce účinných, přirozeně koordinovaných systémů pasivní a aktivní obrany, které se v rostlinách vyvinuly. Podle Franka (1994) může každý hostitel poznat a odolávat pouze určité skupině parazitů a každý parazit (cizopasník) může růst pouze na konkrétních hostitelích. Biochemické poznávací systémy určují, které odpovídající genotypy hostitele a parazita končí v rezistenci nebo v chorobě. Poznávací systémy jsou často spojeny se všeobecným genetickým polymorfizmem v populaci hostitele a parazita (Obr. 4). Výsledkem vzájemného vztahu hostitel - patogen jsou také změny ve vývoji patogena. Některé obranné reakce hostitelské rostliny mohou patogena přinutit zastavit vývoj. Tak například u obligátních patogenů obilnin, jako jsou rzi a padlí travní, je takovým klíčovým vývojovým stádiem tvorba haustoria. Niks (1986) a Niks & Rubiales (2002) definovali tzv. pre-haustoriální rezistenci u částečné rezistence - nespecifická rezistence (Obr. 7), která je založena na vysoké rychlosti neúspěšné tvorby haustoria. Naopak post-haustoriální rezistence - specifická rezistence (tzv. hypersensitivní) je vyvolána až potom, co patogen vytvořil haustorium v buňce rostliny. 10

14 Obr. 4. Funkce poznávacích systémů patogena a hostitele. Michelmore & Meyers (1998); (úprava Věchet, 2006). Rostliny používají rozsáhlou řadu signálů, které pocházejí z mikroorganizmů a z vnějšího prostředí, aby poznaly patogeny a vyvolaly obranné reakce. Poznání patogenem odvozených signálů indukujících rezistenci (elicitorů) se může vyskytnout na povrchu rostlinné buňky skrz nachystané receptory. Obranná reakce je obvykle vyvolána látkami nazývanými elicitory, které aktivují v rostlině celý obranný mechanismus. Elicitory mohou být kódovány geny avirulence patogena. Patogen exportuje elicitor do buněčné cytoplazmy, kde poznání vyžaduje specifické místo. Vazba elicitoru aktivuje receptor nebo komplex receptorů Hostitelská rostlina obsahuje geny rezistence. Expresí těchto genů vznikají receptory pro dané typy elicitorů. Tyto receptory reagují s elicitory. Po vzniku vazby receptor-elicitor dochází ke spuštění obranné reakce. Vnímaný signál je transdukován (měněn z jedné formy na jinou) prostřednictvím signální kaskády, která končí ve fyziologických reakcích kulminující do rezistentní reakce. Lokalizace infekce je jedním z výsledků těchto obranných reakcí rostliny (Cornelissen, 2000). Elicitor může být tvořen patogenem a vyvolávat reakci v hostiteli, biotického nebo abiotického původu a indukovat tak obranu hostitele k širokému sortimentu druhů patogenů. Abiotické elicitory (náleží k fyziologickým a anorganickým komponentům, tak jako těžké kovy nebo UV záření) mohou indukovat stresové reakce ve vystavených tkáních rostliny, které obstarají další bariéry k napadajícím patogenům nebo jinak zvýšují náchylnost rostliny k infekci. Elicitory jsou signální molekuly, které aktivují obrannou reakci rostlin. Jsou to látky monomerní, oligomerní nebo polymerní. Váží se na specifické receptory lokalizované obvykle na povrchu buněčných membrán. Biotické elicitory indukují fragmenty buněčné stěny uvolněné z hub a bakterií, hydrolytické enzymy rostlinného nebo patogenního původu, určité peptidy, glykoproteiny a polynenasycené mastné kyseliny. Tyto kyseliny mají například strukturní funkci v buněčné 11

15 membráně a jsou také nezbytné pro správnou funkci lidského organismu. Tyto elicitory indukují obranné reakce v řadě hostitelských druhů. Nespecifické elicitory jsou exogenní a jsou to látky uvolněné narušením buněčné stěny patogena nebo rostliny. Zahrnují fragmenty buněčných stěn hub a bakterií, hydrolytické enzymy, glykoproteiny, mastné kyseliny apod. Často nespecifické elicitory aktivují obecný náznak toho, že buňka byla nějakým způsobem poškozena (např. uvolnění fragmentů buněčné stěny hostitele může elicitovat obranné reakce). Specifické elicitory patří mezi exogenní elicitory. Ty jsou vylučovány patogenem. Specifické elicitory většinou navozují reakce v rostlině. Elicitiny jsou malé molekuly proteinů vylučované houbami Phytophthora a Pythium z třídy Oomycety, patřící mezi elicitory. V buňkách tabáku indukují hypersenzitivní reakci. Elicitiny jsou tzv. sterol-carrier proteiny, přenášející steroly z membrány hostitelských rostlin. VI. Rezistence rostlin Kapitola se zabývá ochořením rostlin, vztahem rostliny a patogena, vysvětlení pojmů agresivita a virulence patogena. Projevy interakce hostitelské rostliny a patogena. Vysvětlení Florovy teorie o vztahu rostliny a patogena. Jsou charakterizovány typy interakcí hostitel patogen. Rozdělení rezistence rostliny na specifickou, nespecifickou. Je popsána odrůdová rezistence. Vysvětlení pojmů částčná, trvanlivá a indukovaná resistence. Vzájemný vztah mezi rostlinou a jiným organizmem, při kterém má jeden prospěch z druhého, bez jeho usmrcení, můžeme označit jako parazitismus. Rostlina ochoří, když je nepřetržitě narušována nějakým agens (původcem). Tento vztah končí v abnormálních fyziologických procesech, jež narušují normální strukturu, růst, funkci a jiné aktivity rostliny. Patogen je tedy schopen způsobit chorobu hostitele nebo skupiny hostitelů. Někdy však může dojít k selhání napadení hostitele patogenem. Pro to mohou existovat tři důvody. Buď rostlina není schopna podpořit požadavky možného patogena, a tak se stává nehostitelskou. Nebo může také vytvářet strukturální bariéry, produkovat toxické sloučeniny, které omezují úspěšnost infekce. Anebo jsou směrem k patogenu rozvinuty ze strany hostitelské rostliny obranné mechanizmy a invaze patogena zůstává lokalizována. Všechny tři typy reakcí jsou označovány jako inkompatibilní (neslučitelné). U typu interakce hostitel-patogen je poškození způsobené patogenem také výsledkem obranné reakce rostliny. Tyto reakce existují v interakci avirulentní patotyp (rasa) patogena s rezistentní odrůdou. Naopak kompatibilní (slučitelné) reakce existují mezi virulentní rasou patogena a náchylnou odrůdou. Odolnost k chorobám je dědičně založená schopnost hostitelské rostliny zastavit nebo zpomalit činnost patogena, která může mít mnoho forem (Goodman et al, 1986). Rezistenci, která je kvantitativní nebo kvalitativní povahy, je třeba uvažovat ve vztahu k virulenci patogena. Van der Plank (1968) uvedl vysvětlení pojmů agresivita a virulence. Podle něho je patogenita suma schopností patogena způsobit chorobu, zhrnujíce virulenci (specifické schopnosti způsobující chorobu) a agresivitu (nespecifické schopnosti způsobující chorobu). Virulencí tedy rozumíme schopnost patogena překonávat různé specifické geny rezistence. Avšak ve fytopatologii má virulence další, více specifický význam v relaci k řadě hostitelů. Když dvě fyziologické varianty patogena způsobují na tom samém hostiteli odlišné reakce, z nichž jedna vede k chorobě a druhá ne, mohou být klasifikovány jako různé rasy patogena. Pak mluvíme o rasově-specifické rezistenci. Jedna rasa, která způsobuje chorobu, je virulentní k dané odrůdě. Druhá rasa, jež chorobu nezpůsobuje je popisována jako avirulentní. Když patogen a konkrétní rostlina přicházejí do kontaktu, ve kterém patogen nezpůsobuje normálně chorobu, vyjádřený typ rezistence je nazýván nehostitelská rezistence. Daný organizmus je pak nepatogenní k hostiteli. Rezistence se zpravidla odehrává na buněčné úrovni. Na rostlině se současně mohou odehrávat statisíce soubojů mezi patogenem a hostitelem, z nichž některé 12

16 mohou skončit pro patogena úspěšně, jiné neúspěšně. Celková reakce hostitele je pravděpodobně statistickým jevem s určitou pravděpodobností výsledku na úrovni jednotlivých buněk hostitele (Schwarzbach, 2004). Viditelným výsledkem vzájemného vztahu hostitelské rostliny a patogena je reakce rostliny, ale také změny ve vývoji patogena. Interakce hostitele a patogena se tedy projevuje změnami u obou antagonistů. Tento vzájemný vztah popsal Flor (1955), na základě své experimentální práce se rzí lnovou (Melampsora lini) a formuloval ji jako vztah gen proti genu. Každému genu, který řídí reakci hostitelské rostliny k patogenu, odpovídá specifický gen pro patogenitu u parazitických hub. Toto je však nejjednodušší případ. Existují složitější vztahy, než je jeden gen patogenity proti jednomu genu rezistence. Vztah gen proti genu je charakteristický pro obligátní patogeny, výrazně diferencované na fyziologické rasy. U fakultativních patogenů bývá patogenita založena polygenně, a tudíž rasy nejsou diferencovány podle jednotlivých specifických genů patogenity. Rovněž tak rezistence k těmto patogenům bývá založena polygenně. V ideálním případě na základě Florovy teorie lze říci, že: 1. Každý gen virulence patogena je účinný výhradně vůči jedinému genu rezistence hostitele a neúčinný vůči ostatním. 2. Každý gen rezistence hostitele je účinný proti všem genům virulence patogena s výjimkou jediného (komplementárního - doplňující se, zapadající do sebe). 3. Pro virulenci patogena vůči hostiteli s několika R-geny musí být parazit vybaven všemi komplementárními Avr - geny avirulence. Pokud je R gen hostitele komplementární k příslušnému genu Avr parazita, dojde k rozpoznání a následné inkompatibilní interakci. 4. Avirulence je epistatická (nadřazená) vůči virulenci patogena a rezistence je epistatická vůči náchylnosti hostitele. Rostliny jsou rezistentní k většině patogenů v jejich prostředí, protože nejsou hostitelskými rostlinami pro konkrétní patogeny. Anebo jsou hostitelskými rostlinami, ale mají geny rezistence, které jim dovolují rozpoznat specificky odlišné rasy (patotypy) patogena (Scheel, 1998). Mohou být rozlišeny dva typy rezistentní reakce: nehostitelská a hostitelská nebo tak zvaně, rasově odrůdově specifická rezistentní reakce. V obou případech biochemické procesy, zahrnuté v rezistenci k patogenu, jsou si velmi podobné (Somssich & Hahlbrock, 1998). Nejobvyklejší formou rezistence je nehostitelská rezistence, která se projevuje u každé rostliny proti stovkám možných patogenů, pro něž je konkrétní rostlina nehostitelským druhem. Taková rezistence je založena na nespecifických obranných znacích, jež jsou vyvolány u každé rostliny. Tyto rysy jsou pokládány za základní rezistenci každé rostliny (Heath 1991). Typy interakcí mezi rostlinami a patogeny ukazuje Obr. 5. Jednotnou soustavu pojmů z hlediska genetiky rezistence vytvořil Van der Plank (1968) a rozdělil rezistenci na 13

17 Obr. 5. Interakce mezi nehostitelskými druhy rostlin a patogenem a mezi hostitelskými druhy rostlin a patogenem. Heath (2004); ( úprava Schwarzbach, 2004). vertikální a horizontální. Vertikální rezistence je rasově specifická a je uvažována s určitou rasou nebo určitými rasami patogena. Horizontální rezistence je rasově nespecifická a je účinná proti všem rasám patogena. Odrůdová rezistence je obdobou rasově specifické rezistence, kdy jsou odolné pouze určité odrůdy (genotypy) uvnitř náchylného druhu hostitele. V některých případech je rasově nespecifická rezistence kontrolována geny specifické rezistence, pravděpodobně zahrnutými v interakcích gen proti genu (Nelson, 1978). Mnoho rostlin se stává více odolnými až v dospělosti a tato rezistence je označována jako rezistence v dospělosti. Jednou z velmi zajímavých forem rezistence je indukovaná rezistence, u které rozmanitost biotických a abiotických ošetření před infekcí může obrátit náchylnost rostliny do rezistence. Tato rezistence může být lokalizovaná na místo ošetření nebo může být systémová. 1. Specifická rezistence Jako synonymum ke specifické rezistenci se užívá kromě výrazu vertikální rezistence také rezistence diferencující (Bartoš, 1979). Tato rezistence je charakterizována existencí, jinak náchylného hostitele pouze proti specifickému parazitu. Specifická rezistence je uvažována v souvislosti s určitou rasou nebo rasami patogena. Taková specifita rezistence musí být závislá na poznání paraziticky specifických událostí (Heath, 1991) a byla známa od prvních Florových pionýrských studií se rzí lnovou. Toto poznání mohlo ovlivnit znalost vztahu gen proti genu mezi geny avirulence u parazita a geny rezistence v rostlině. Specifita parazita a hostitele vyjadřuje, že daný genotyp parazita a daný genotyp jeho hostitele fungují spolu tak, že se mezi nimi vytvoří specifický vztah (Browder & Evermeyer, 1977). Nejčastěji se specifita uvádí ze strany hostitele, který je rezistentní pouze k virulentním parazitům. Naopak náchylnost je výsledkem genotypů souvisejících s geny rezistence hostitele, které nemají geny odpovídající genům avirulence patogena. Podle Collinge & Slusarenka (1987) klasická 14

18 genetika ukázala, že charakter rezistence ukazující rasově-specifickou rezistenci je často, i když ne vždy, zpravidla děděn v jednoduchém Mendelově štěpném poměru a je podmíněna jednotlivými dominantními geny. Uvádíme tři zákony formulované G. J. Mendelem: 1. znaky vykazují alternativní dědičnost, přičemž jsou buď dominantní, nebo recesivní; 2. každá gameta získává jeden z každého páru faktorů přítomných v dospělém individu; 3. reprodukční buňky se kombinují náhodně. Roelfs et al. (1992) uvádějí, že specifické interakce se vyskytují, když jednotlivý izolát patogena vzájemně působí s genotypem jednotlivého hostitele. V těchto vzájemných interakcích se často vyslovují tři předpoklady, které však nemusí vždy platit. První je, že specifická rezistence je přičítána dominantním genům hostitele. Druhý předpoklad je, že dominance je úplná. Pro mnoho rezistencí ke rzi travní to ale nemusí být pravda. Třetím předpokladem je, že avirulence je dominantní. Jsou ale výjimky, kdy avirulence je recesivní. Protože rezistence odrůdy k izolátům patogena je genetického charakteru, neztrácí odrůda nikdy svoji rezistenci k tomuto nebo těmto izolátům. Může však být vázána na určité podmínky, jako je teplota, hustota inokula, intenzita světla, hladina výživy hostitele, růstová fáze hostitele, stáří tkání (např. listu). Pak může být rezistence neúčinná nebo nevyjádřená, ale rezistence genu trvá. Platí tedy, že odrůda může být rezistentní k jednomu izolátu a náchylná k jinému a opačně. Izolát může být virulentní k jedné odrůdě a avirulentní k jiné odrůdě. Rostliny mají tedy geny rezistence, které jsou specifické k patogenu a jsou obecně neefektivní proti jiným patogenům. To naznačuje velmi specifické molekulární signální reakce mezi produktem genu avirulence patogena a produktem genu rezistence (receptorem) rostliny (Lyon, 2002). Tato rezistence je kontrolována geny, které mají výrazné účinky. Většina těchto genů může být určena již ve stádiu semenáčů. Je pravděpodobné, že převážná část specifické rezistence, která je založena buď na jednom major genu, nebo na kombinaci major genů, bude dříve nebo později překonána novými adaptivními patotypy. U specifické rezistence může také existovat orgánově-specifická rezistence, která je vyjádřena tehdy, když patogen napadá pouze určitou část nebo části rostliny. Je založena na diferenciaci mezi částmi rostliny v některých komponentech základní rezistence. 2. Nespecifická rezistence Je to reakce hostitelské rostliny ke všem rasám konkrétního patogena. Vyskytuje se u všech odrůd a hostitelských druhů a je mnoho komponentních rezistencí. Je podmíněna větším, či menším množstvím minor genů. Minor geny mohou působit aditivně, to znamená, že se jejich účinek sčítá nebo multiplikativně a pak se jejich účinek násobí. Pro tento typ rezistence je charakteristická plynulá proměnlivost v generaci F 2 po křížení odolného rodiče s náchylným. S touto rezistencí se však pracuje mnohem obtížněji, než se specifickou rezistencí. Fenotypový projev je totiž výrazně ovlivněn podmínkami prostředí. Jejím výrazem je pomalé napadení hostitelské rostliny patogenem. Působí proti všem patotypům nebo rasám patogena. Největší předností je její dlouhodobý účinek. Z hlediska šlechtění na polygenní rezistenci je významný údaj, jak snadno lze tento typ rezistence přenášet do potomstva. Ten je dán koeficientem heritability (dědivosti), to je vztahem dědičné a nedědičné proměnlivosti znaku (Bartoš, 1991). Avšak rezistence, která se často projevuje v dospělosti (APR - adult plant resistance) ještě nemusí být trvalá. Jak uvádějí Meinel & Unger (1998), např. ozimá pšenice Botri s APR rezistencí ke rzi plevové byla rezistentní až do roku V tomto roce byla silně napadena rasou 104E137, která byla sebrána v bývalém východním Německu (NDR). Tento příklad demonstruje, že rezistence pšenice v dospělosti může být překonána rozšiřováním patogenů (polních ras), které závisí na genetickém základu hostitele. Odolnost v dospělosti může být specifická i nespecifická. První typ rezistence se označuje často jako APR, druhý typ jako částečná rezistence. 15

19 3. Částečná rezistence Částečná rezistence je formou neúplné rezistence, která je charakterizovaná redukovanou rychlostí vývoje epidemie, navzdory vysokému infekčnímu typu (Parlevliet, 1975). Epidemie je zpomalena a ochořelá plocha je méně napadena, než plocha náchylného genotypu. Částečná rezistence není identická například se slow rusting, která zahrnuje rezistenci se středním infekčním typem. Někdy se však ztotožňuje s částečnou rezistencí. Slow rusting, vztahuje se k obilním rzím, je typ rezistence (Caldwell 1968), kdy choroba postupuje s omezenou rychlostí a končí ve středních až nízkých hladinách choroby proti všem patotypům patogena. Redukovaná rychlost vývoje epidemie je výsledkem kombinovaných vlivů, to znamená, redukce frekvence infekce, delší latentní periody a redukované rychlosti tvorby spor. Má se za to, že částečná rezistence je dána aditivním vlivem mnoha minor genů, z nichž každý má malý účinek, ale dohromady vyjadřují efektivní rezistenci. Částečná rezistence je charakteristická nestálostí k vnějším podmínkám. Její kvantitativní podstata také znamená, že přesnost v odhadu rezistence má velký význam. Příkladem tohoto typu rezistence mohou být některé odrůdy odvozené od odrůdy pšenice ozimé Mironovskaja 808 (trvalá rezistence k padlí travnímu), jako odrůdy Miras, Ramiro, Mikon, Bold. Tyto odrůdy vyjadřují v současnosti ten samý typ nízké hladiny choroby (padlí travního) v dospělosti (Meinel & Unger, 1998). 4. Trvanlivá rezistence Je rezistence, která zůstává v odrůdě efektivní za jejího všeobecného pěstování po dlouhou řadu generací nebo po dlouhé období i v příznivých vnějších podmínkách pro chorobu (Johnson 1988). 5. Indukovaná rezistence Patogenem indukovaná obrana je důležitá pro prevenci choroby a také pro rekonvalescenci rostliny ze vzniklé choroby. Indukovaná rezistence (Obr. 6) je, podle van Lyon & Newton (1997), fyziologický stav vytvořený specifickými vnějšími stimuly, který znamená zvýšenou obranyschopnost rostliny. Následnými biotickými změnami jsou zesíleny vrozené obranné mechanizmy rostliny. Tento stav zvýšené rezistence je účinný proti široké řadě patogenů, včetně hub, bakterií, virů, nematod, parazitických rostlin a dokonce i proti býložravému hmyzu (Benhamou & Nicole, 1999, Kesler & Baldwin, 2002; McDowell & Dangl, 2000; Walling, 2000). Rostliny mají několik mechanizmů rezistence na základě indukovaných podnětů, které můžeme dělit na rezistenci místní (lokální) a systémovou. Lokální rezistence zahrnuje strukturální změny, jako utváření papily, tylós a abscise (oddělení) zón. Nekrotické změny začínají uvolněním protonů a draslíkových iontů z buňky a vrcholí v oxidační destrukci obsahů buňky lipidovými hydroperoxidázami a reaktivními druhy kyslíku. Tento typ rezistence dále zahrnuje toxické změny, to znamená akumulaci fytoalexinů, syntézu fenolových sloučenin a jejich následnou oxidaci do chinonových sloučenin polyfenolovou oxidázou a peroxidázou. 16

20 Obr. 6. Signály mezi patogenem a rostlinou při různých typech rezistence. Lyon & Newton (1997); (úprava Věchet, 2006). Systémová rezistence zahrnuje akumulaci antimikrobiálních sloučenin v části rostliny, vzdálené od místa infekce. Existují čtyři hlavní třídy sloučenin, které mohou akumulovat hydrolázy: k patogenezi vztažené proteiny (PR-proteiny), defensiny (Broekaert et al., 1995), inhibitory proteináz (Schaller & Ryan, 1996) a komponenty buněčné stěny, zvláště hydroxyprolinem bohaté glykoproteiny (HRGP) (Agrios, 1998), dále pak lignin (zpevňující polymer v rostlinách) a jeho prekurzory (Sticher et al., 1997). Podle van Loon et al.(2006) jsou známy čtyři typy indukované rezistence: A) Lokálně získaná rezistence (LAR - local acquired resistance) B) Systémově získaná rezistence (SAR - systemic acquired resistance) C) Indukovaná systémová rezistence (ISR - induced systemic resistance) D) Indukovaná rezistence proti poranění býložravým hmyzem (WIR - wound-induced resistance) Indukovaná rezistence je často přirovnávána k imunitnímu systému u zvířat, ačkoliv to není přesně správné. Tak zvaná imunní reakce rostliny se jeví mnohem více jako vrozená imunní reakce zvířat, než adaptivní reakce, ve které rostlina nevyvíjí specifickou rezistenci k patogenu, ale spíše vyvíjí široké spektrum rezistence k několika patogenům (Sticher et al., 1997) Lokální rezistence (LAR) Rezistence zahrnuje akumulaci antimikrobiálních sloučenin v části rostliny, vzdálené od místa infekce. (Agrios, 1997). Může to být jednoduše systémově získaná rezistence v krátké vzdálenosti (Sticher et al., 1997), ale přinejmenším část mechanizmu může být odlišná. V místě kontaktu mezi patogenem a rostlinou jsou elicitory patogena schopny vzájemně reagovat s receptory rostliny. Jsou to například leucinem bohaté reprodukované proteiny (Jones & Jenes, 1997), které nebyly nalezeny v živočišných buňkách (Alberts et al., 1994). Samotné transdukční dráhy ještě nebyly vysvětleny, ale možná vyžadují tvorbu Ca 2+ (Mehdy, 1994) nebo proteinkinázy (Jones & Jenes, 1997), anebo je iniciována tvorba peroxidu vodíku (Mehdy, 1994). Peroxid vodíku zabíjí buňky a bylo zjištěno, že indukuje syntézu kyseliny salicylové (Leon et al., 1998). Jestliže je kyselina salicylová produkována v dostačujících koncentracích, může být schopna indukovat lokálně získanou rezistenci v okolních živých tkáních bez potřeby skutečného systémového signálu zahrnutého v SAR. Z toho důvodu hypersenzitivní reakce vede k lokálně získané rezistenci, která sama iniciuje systémově získanou rezistenci Systémová rezistence (SAR) Je vyjádřená v rostlině jako úplná v reakci k napadení patogenem (Ryals et al., 1994). SAR je rezistence tkání rostliny vzdálených od místa pokusu k penetraci patogena. SAR vyžaduje signální molekulu kyseliny salicylové (SA) a je spojena s akumulací k patogenezi vztažených proteinů (Durrant & Dong, 2004). Může být spuštěna vystavením rostliny virulentním, 17