Faktory vyvolávající choroby, fyziologické poruchy a poškození
Původci chorob rostlin Viry, fykoplazmy Bakterie Houby Živočichové
Trojúhelník a čtyřúhelník choroby
Patogen vs. parazit Patogen = organismus nebo virus schopný vyvolávat nemoc u určitého hostitele (host. okruhu) -virulentní -avirulentní Patogenismus -parazitický -neparazitický Parazit = organismus nebo virus, existující v těsném soužití s jiným organismem, z jehož pletiv získává látky potřebné pro svou výživu - nutriční závislost
Životní strategie patogenních hub (lze vymezit fakultativní a obligátní formy) Biotrofní Hemibiotrofní Nekrotrofní -napadají živé buňky -invaginace plazmatické membrány -rovnováha s hostitelem - speciální forma parazitismu - úzký hostitelský okruh - během životního cyklu bio-, nekro-, saprotrofní fáze -dlouhou dobu nedochází k narušení buněčné stěny -saprofáze redukována -napadají a rychle usmrcují živé buňky, macerace pletiv enzymy, toxiny -narušení BS, protoplastu, metabolismu -mohou existovat jako saprotrofové -široký okruh hostitelů Fusarium Exobasidium vaccinii Phytophthora infestans
Typy vztahů rostlina-patogen 1. Interakce nehostitel-nepatogen: mikroorganismus není infekční rostlina je imunní 2. Interakce hostitel-patogen obě složky biologicky slučitelné=kompatibilní A kompatibilní reakce: po proniknutí do hostitele se rozvíjí infekce, patogen se reprodukuje B inkompatibilní reakce: po proniknutí do hostitele je infekce potlačena (HR) patogen se nereprodukuje
Schéma konceptu základní inkompatibility a základní kompatibility Rostlina - mikroorganismus (Lebeda, 1984) Preformované obranné mechanismy; iniciace obecných obranných reakcí Základní inkompatibilita (interakce nehostitel-nepatogen) Obecné obranné mechanismy neúčinné Základní kompatibilita (hostitel-patogen) Obecné metabolické a genetické obranné mechanismy Vysoce specifické metabolické a genetické adaptace hostitele Specifický komplex metabolických a genetických obranných mechanismů Nespecifická inkompatibilita -kompatibilita Specificky diferencovaná inkompatibilita -kompatibilita Specificky nediferencovaná inkompatibilita -kompatibilita
Kompatibilita inkompatibilita
Vlivy patogenu resp. infekce na buňku stimulativní (obligátní par. 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
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 vesikulárním transportu
Fyziologie nemocné rostliny 1/ Permeabilita napadených buněk (membrány, strukturní změny BS) 2/ Metabolismus vody vnapadených rostlinách -příjem a pohyb vody vrostlině -transpirace 3/ Minerální výživa -absorpce -transport 4/ Fotosyntéza (obsah, funkce pigmentů) 5/ Respirace (zvýšená intenzita; enzymy glykolýzy) Gymnosporangium sabinae 6/ Syntéza proteinů (PR-proteiny, enzymy) na úkor zás. látek 7/ Metabolismus sekundárních metabolitů -akumulace fytoncidů (flavonoidy, terpenoidy, fenolické látky, alkaloidy) -syntéza fytoalexinů (lipofilní, narušení membrán) 8/ Fytohormony (obsah a zastoupení aktivních/neaktivních forem)
Kaskáda jevů po kontaktu parazitické/patogenní houby s rostlinou depozice spor klíčení tvorba primárních a sekundárních inf. struktur penetrace kolonizace infikovaných rostlinných pletiv specifické reakce na dané infekční agens proces rozpoznání (recognition)
Rozpoznání během koevoluce rostlina-patogen Odezva na infekci a případný rozvoj či potlačení projevů choroby primárně závisí na genetické výbavě obou partnerů proces rozpoznání Teorie gen-proti-genu (Flor, 1946 resp. 1947) -geny rezistence (u hostitelské rostliny) resp. avirulence (u patogenu) kódují proteiny důležité pro rozpoznání (buněčné receptory resp. molekuly elicitorů) -platnost tohoto předpokladu byla potvrzena později klonováním genů avirulence různých patogenů (Keen, 1990) (Michelmore a Meyers, 1998)
Blumeria graminis (Gurr a Rushton, 2005)
Ustavení kompatibilní interakce
Klíčení, apresorium Arabidopsis thaliana Blumeria graminis f.sp. hordei rozpoznání nepatogenu rychlá reorganizace cytoskeletu - shlukování MFs pod místem penetrace migrace organel exocytóza kalóza, fenolické l.
Penetrace houbových patogenů - chemická (enzymatická) - mechanická přímá = přes buněčnou stěnu nepřímá -poranění -přirozené otvory: stomata, lenticely, hydatody Magnaporthe Bremia Uromyces viciae-fabae
Haustorium Extrahaustoriální membrána, čerpámí živin (Panstruga, 2003)
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
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)
Systémová odpověď
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)
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
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
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 inkompatibilních interakcích? Penetrace? štěpení komponent buněčné stěny, membrán
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
Fenolické látky - lokalizace místo penetrace periplazmatický prostor invaginovaná plazmalema
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
Cytoskelet MT basket L. serriola LSE/18 24hai L. sativa UCDM2 MT patches HR 48hai L. serriola PIVT 1309 48hai L. sativa Mariska
PR-proteiny (pathogenesis-related proteins) -rozpustné při nízkém ph -nízká Fw -nízký nebo vysoký pi -rezistence k proteasám -extracelulární fce 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
Změny růstu - fytohormony Produkce CKs, auxinů, gibbereliny, etylenu, brassinosteroidů,.. 1/ samotným patogenem 2/ indukce endogenních hladin Změny růstu Hyperplazie Hypertrofie Př. Čarověníky, nádory, deformace orgánů
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 membrám)
Literatura Agrios G.N. (2005): Plant pathology. 5th edition. Elsevier AP, Oxford. Glosser J., Prášil I. (1998): Fyziologie stresu. In: Procházka S., Macháčková I., Krekule J., Šebánek J.: Fyziologie rostlin. p. 412-432. Academia, Praha. Hammond-Kosack K., Jones J.D.G. (2000): 21-Responses to pathogens. In: Buchanan B., Gruissem W., Jones R.: Biochemistry and molecular biology of plants. p.1102-1156. ASPP, Maryland. Kůdela V. (1989): Obecná fytopatologie. Academia, Praha. Šutić D.D., Sinclair J.B. (1991): Anatomy and physiology of diseased plants. CRC Press, Florida.