Materiály k přednáškám Základy fytopatologie. Verze LS 2011/12, předmět BOT/ZFP. Katedra botaniky Přírodovědecká fakulta UP v Olomouci

Transkript

1 Materiály k přednáškám Základy fytopatologie Verze LS 2011/12, předmět BOT/ZFP Katedra botaniky Přírodovědecká fakulta UP v Olomouci byly inovovány v rámci projektu: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelství biologie CZ.1.07/2.2.00/

2 FYTOPATOLOGIE Sylabus 5. přednášky: -reakce rostliny na infekční agens -imunita, rezistence (obranné mechanismy), pseudorezistence, náchylnost, tolerance, citlivost, hypersensitivita -metabolické pochody rostlin vyúsťující v náchylnost, rezistenci a toleranci -příčiny změn v náchylnosti a rezistenci -polní rezistence 2012 A. Lebeda, M. Sedlářová

3 Reakce hostitele vyvolané infekcí patogenu je možno studovat hierarchicky na řadě úrovní biologické organizace: Organismus Orgán Pletivo Buňka Fyziologické procesy Molekulární struktura Všechny tyto úrovně se více či méně podílejí na výsledném projevu interakce, přičemž jedna úroveň projevu velmi úzce souvisí s další, vzájemně na sebe navazují a podmiňují se.

4 Typy reakce rostlin po ataku různými patogeny

5 Časová posloupnost aktivace obranných mechanismů hostitele

6 Vlivy patogenu resp. infekce na buňku stimulativní (obligátní biotrofní parazité v počátečních fázích vývoje: podpora růstu, zvýšení počtu organel) green islands - typické před. pro biotrofní bakterie, viry (nerovnováha kinetinu) degenerativní (nekrotrofní a v pozdních fázích obligátní parazité: narušení organel, membrán) Persea americana - Oncobasidium theobromae Fagus Lycopersicon esculentum - Phytophthora infestans

7 Vlivy biotrofních patogenů na buňku nárůst počtu mitochondrií a ribozómů nutné zvýšení syntézy proteinů, intenzivnější respirace respirace + oxidační procesy + degradace látek = uvolnění chemické energie na pokrytí biosyntéz Životaschopnost rostlinné buňky závisí na - fungující vakuole -intaktním vezikulárním transportu

8 Obranné mechanismy rostlin -strukturní (pasivní) fyzikální bariéry proti průniku patogenu preformované: BS, vosky, kutikula - kutinasy, celulasy indukované: lignifikace, suberinizace, depozice kalosy -biochemická (aktivní) produkce látek toxických pro patogen sekundární metabolity (specifické podle rostliny a patogenu): alkaloidy, saponiny, antokyany fenoly, taniny, melaniny aromatické AK proteiny extenziny (bohaté na hydroxyprolin) PR-proteiny (glukanasy, chitinasy, peroxidasy)

9 Indukovaná strukturní obrana

10 Kalózové usazeniny v buněčné stěně Papila Pochva

11 Korková vrstva Gloeosporium album

12 Zóna abscise Pucciniastrum areolatum - Padus Alternaria brassicicola

13 Tvorba thyl -vakovité výrůstky parenchymatických b. obklopujících cévu -vnikají dvojtečkami do lumenu cévy, který úplně nebo částečně vyplní, čímž vyřazují cévu z její vodivé funkce Výskyt:tracheomykózy (např. grafióza jilmů)

14 Interakce hostitelská buňka patogen

15 Biochemická obrana

16 Hypersenzitivní reakce - sled kroků vedoucích ke spuštění HR po kontaktu elicitoru s receptorem

17 Mechanismus spuštění obranné reakce 1. Elicitor - vyvolá nastartování obrany exogenní elicitory - metabolity vylučované patogenem (polysacharidy, specifické enzymy, peptidy) endogenní elicitory - uvolňují se narušením b.s. patogenu(oligomery chitinu, oligoglukany, glykoproteiny) rostliny (oligogalakturonany) 2. Receptor v plazmatické membráně 3. Přenašeče signálu (druzí poslové) fosfoinozitidový systém (hydrolýzou lipidů vznik inozitol-1,4,5-trip diacyl glycerol +zvýšená koncentrace Ca 2+ = aktivace proteinkinas) tvorba peroxidu vodíku etylén iniciace genové exprese +ROS vyvolaná elicitory fosfoinoz. systém -peroxidace membrán JA+MeJA - transkripce

18 Elicitory a supresory v rezistentní odpovědi

19 Aktivace rostlinné obrany Lokální v místě napadení -produkce reaktivních forem kyslíku (ROS) -oxidu dusného (NO) -hypersenzitivní reakce (HR) -akumulace fenolických látek -zesílení buněčné stěny Lokální reakce pletiva -syntéza PR-proteinů - akumulace fytohormonů (SA, ET, JA ) -zesílení buněčné stěny Systémová odpověď -v neinfikovaných částech (systemic acquired resistance, SAR)

20 Systémová odpověď

21 Princip SAR

22 Induktory SAR Využití pro vyvolání rezistence k: virům TMV houbám a h. vaječným Phytophthora tabacina bakteriím Pseudomonas syringae

23 hrp bakterie str.229

24 Aktivní formy kyslíku (ROS) singletový kyslík ( 1 O 2 ) superoxid (O - 2) peroxid vodíku (H 2 O 2 ) hydroxylový radikál (OH - ) Místa vzniku: chloroplasty, mitochondrie, membrány peroxisomů, glyoxysomů, mikrozomů (fotosyntéza, respirace, glykolátoxidasa-fotorespirace, NADPH oxidasa-pm, oxalátoxidasa, ) Účinky -negativní: peroxidace lipidů, poškození struktury proteinů (enzymů), NK, lipidů -pozitivní: signalizace, genová regulace

25 jádro Genová exprese chloroplast mitochondrie signál Mehlerova reakce Elektronový transport H 2 O 2 peroxisom NADPH oxidasa H 2 O 2 Glyoxalátoxidasa O 2. O 2 - SOD peroxiporiny Aminoxidasa apoplast H 2 O 2 Peroxidasa b. stěny

26 Aktivní formy kyslíku HOSTITEL Přímé antimikrobiální účinky Signální molekula v regulaci aktivity genů zodpovědných za syntézu -PR-proteinů -fenolických látek -fytoalexinů Zesíťování prekurzorů polyfenolických látek lignifikace BS HR PATOGEN Signalizace rozpoznání v inkompatibilníchinterakcích? Penetrace? štěpení komponentbuněčné stěny, membrán

27 Fenolické látky Autofluorescence fenolů v infikované buňce -obecně inhibitory enzymů -jejich tvorba v rostlině indukována poraněním, infekcí -přítomny u rezistentních i náchylných genotypů, liší se kvalitativně a kvantitativně -antibiotické účinky -obrana proti UV -strukturní polymery - zesílení buněčné stěny, lignituber v místě penetrace -irreversible membrane damage (IMD) -autofluorescentní fenoly - de novo syntéza během HR

28 Fenolické látky - lokalizace místo penetrace periplazmatický prostor invaginovaná plazmalema

29 Cytoskelet hostitele vazba na transmembránové receptory, mikrofibrily celulozy BS rostlin - rozpoznání patogenu rychlá reorganizace ovlivňuje proces penetrace (shlukování MFs pod místem penetrace, ukládání kalózy u nepatogenů mech. zpevnění) a dalšího vývoje patogenu v buňkách po infekci (invaginace membrány) v rezistentních rostlinách se mikrofilamenta a kortikální mikrotubuly shlukují kolem vyvíjejících se apresorií a přispívají tak k inhibici penetrace patogenu mikrofilamenta se účastní migrace hostitelského jádra a organel i depozice strukturních sloučenin (fenolů, kalózy, ligninu aj.) a tímto způsobem mění a zesilují buněčnou stěnu lokalizovaná programovaná buněčná smrt -depolymerace cytoskeletu - omezení vývoje patogenu i elicitory HR (cryptogein apod.) rezistentní buňky - syntéza různě post-translačně modifikovaných tubulinů, izoforem, asociací s dalšími proteiny

30 Cytoskelet MT basket L. serriola LSE/18 24hai L. sativa UCDM2 MT patches HR 48hai L. serriola PIVT hai L. sativa Mariska

31 PR-proteiny (pathogenesis-related proteins) -rozpustné při nízkém ph -nízká Fw -nízký nebo vysoký pi -rezistence k proteasám -extracelulární lokalizace Rozdělení podle velikosti a funkce: chitinasa, b-1-3-glukanasa (hydrolýza b. stěny patogenu, produkce dalších elicitorů) peroxidasy proteiny inaktivující ribosomy - fungicidní účinek tioniny - tvoří póry v membránách patogenů proteiny přenášející lipidy

32 Strategie patogenů - souhrn Rychlý růst únik obranným mechanismům Tvorba supresorů potlačují HR, produkci PR-proteinů, atd. Produkce enzymů Buněčné jedy př. fusikokcin u Fusicoccum amygdalii (hyperpolarizace buněčných membrán)

33 Transgenní rostliny zvýšení obranyschopnosti vůči houbovým patogenům Punja (2001) Can. J. Plant Pathol. 23:

34 Strategie pro zvýšení rezistence k chorobám Gurr a Rushton (2005)

35 Molekulární mechanismy rezistence 1/ Přirozená rezistence: struktura buněčné stěny nebo membrány existence transportního proteinu pro vylučování dané látky absence inhibované metabolické dráhy přítomnost enzymů, které danou látku metabolizují struktura cílového místa, kde daná látka působí exprese specifických stresových proteinů vysoká kapacita opravných mechanismů 2/ Rezistence získaná - mechanismus se vyvinul v rámci evoluce na pozadí selekčního tlaku dané toxické látky. Individuální rezistenční mechanismy lze shrnout do následujících typů: redukce přenosu léku snížení uptake léku zvýšení vylučování léku snížení metabolické aktivace léku zvýšení deaktivace léku sekvestrace léku znemožňující zasažení cílového místa zvýšení intracelulární koncentrace cílových míst strukturální změna cílového místa duplikace funkcí cílového místa zvýšení oprav poškozených cílových míst