Faktory vyvolávající choroby, fyziologické poruchy a...

Faktory vyvolávající choroby, fyziologické poruchy a poškození

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Původci chorob rostlin

Viry, fykoplazmyBakterieHoubyŽivočichové

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Trojúhelník a čtyřúhelník choroby

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

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

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

(lze vymezit fakultativní a obligátní formy)

Biotrofní Hemibiotrofní Nekrotrofní

Phytophthora infestans

Fusarium

Exobasidium vaccinii

- během životního cyklubio-, nekro-, saprotrofní fáze

- dlouhou dobu nedochází k narušení buněčné stěny

- saprofáze redukována

- napadají a rychle usmrcují živé buňky, macerace pletivenzymy, toxiny

- narušení BS, protoplastu, metabolismu

- mohou existovat jakosaprotrofové

- široký okruh hostitelů

- napadají živé buňky- invaginace plazmatické membrány

- rovnováha s hostitelem- speciální forma parazitismu- úzký hostitelský okruh

Životní strategie patogenních „hub“

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

1. Interakce nehostitel-nepatogen:mikroorganismus není infekčnírostlina je imunní

2. Interakce hostitel-patogenobě 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

Typy vztahů rostlina-patogen

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Základní inkompatibilita(interakce nehostitel-nepatogen)

Nespecifická inkompatibilita- kompatibilita

Preformované obranné mechanismy; iniciace obecných obranných reakcí

Obecné metabolické a genetické obranné mechanismy

(Lebeda, 1984)

Rostlina - mikroorganismus

Základní kompatibilita(hostitel-patogen)

Obecné obranné mechanismy neúčinné

Specificky diferencovaná inkompatibilita- kompatibilita

Specificky nediferencovaná inkompatibilita- kompatibilita

Vysoce specifické metabolické a genetické adaptace hostitele

Specifický komplex metabolických a genetických

obranných mechanismů

Schéma konceptu základní inkompatibility a základní kompatibility

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Kompatibilita – inkompatibilita

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

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

Lycopersicon esculentum -Phytophthora infestans

Fagus

Vlivy patogenu resp. infekce na buňku

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

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

Vlivy biotrofních patogenů na buňku

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

1/ Permeabilita napadených buněk (membrány, strukturní změny BS)2/ Metabolismus vody v napadených rostlinách

- příjem a pohyb vody v rostlině - transpirace

3/ Minerální výživa- absorpce- transport

4/ Fotosyntéza (obsah, funkce pigmentů)5/ Respirace (zvýšená intenzita; enzymy glykolýzy)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)

Gymnosporangium sabinae

Fyziologie nemocné rostliny

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

depozice sporklíčenítvorba primárních a sekundárních inf. strukturpenetracekolonizace infikovaných rostlinných pletivspecifické reakce na dané infekční agens

proces rozpoznání(recognition)

Kaskáda jevů po kontaktu parazitické/patogenní houby s rostlinou

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

(Michelmore a Meyers, 1998)

Odezva na infekci a případný rozvoj či potlačení projevů choroby

primárně závisí na genetické výbavě obou partnerů

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)

proces rozpoznání

Rozpoznání během koevoluce rostlina-patogen

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Blumeria graminis

(Gurr a Rushton, 2005)

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Ustavení kompatibilní interakce

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Klíčení, apresorium

Arabidopsis thaliana – Blumeria graminisf.sp. hordei

rozpoznání nepatogenu

rychlá reorganizace cytoskeletu -shlukování MFs pod místem penetracemigrace organel

exocytóza – kalóza, fenolické l.

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

- chemická (enzymatická)

Uromyces viciae-fabae

Bremia

Magnaporthe- mechanická

přímá = přes buněčnou stěnunepřímá

- poranění- přirozené otvory:

stomata, lenticely, hydatody

Penetrace houbových patogenů

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Haustorium

(Panstruga, 2003)

Extrahaustoriální membrána, čerpámí živin

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Mechanismus spuštění obranné reakce

2. Receptor – v plazmatické membráně3. Přenašeče signálu (druzí poslové)

fosfoinozitidový systém (hydrolýzou lipidů vznik inozitol-1,4,5-triPdiacyl glycerol

+zvýšená koncentrace Ca2+ = aktivace proteinkinas)tvorba peroxidu vodíku +ROS vyvolaná elicitory – fosfoinoz. systém

- peroxidace membrán – JA+MeJA - transkripceetylén – iniciace genové exprese

1. Elicitor - vyvolá nastartování obranyexogenní elicitory - metabolity vylučované patogenem

(polysacharidy, specifické enzymy, peptidy)endogenní elicitory - uvolňují se narušením b.s.

patogenu (oligomery chitinu, oligoglukany, glykoproteiny) rostliny (oligogalakturonany)

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Aktivace rostlinné obranyLokální 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)

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Systémová odpověď

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

- strukturní (pasivní)fyzikální bariéry proti průniku patogenu

preformované: BS, vosky, kutikula - kutinasy, celulasyindukované: lignifikace, suberinizace, depozice kalosy

Obranné mechanismy rostlin

- biochemická (aktivní)produkce látek toxických pro patogen

sekundární metabolity (specifické podle rostliny a patogenu): alkaloidy, saponiny, antokyanyfenoly, taniny, melaninyaromatické AK

proteinyextenziny (bohaté na hydroxyprolin)PR-proteiny (glukanasy, chitinasy, peroxidasy)

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

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

singletový kyslík (1O2)superoxid (O˙- 2)peroxid vodíku (H2O2)hydroxylový radikál (OH-)

Aktivní formy kyslíku (ROS)

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

H2O2

H2O2

O2

.O2-

H2O2

jádro

mitochondrie

peroxisom

chloroplast

signál

Genováexprese

Mehlerova reakce

Glyoxalátoxidasa

peroxiporiny apoplast

NADPH oxidasa

SOD

Elektronový transport

Peroxidasa b. stěny

Aminoxidasa

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

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

Aktivní formy kyslíku

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

- 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

Autofluorescence fenolů v infikované buňce

Fenolické látky

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

místo penetrace periplazmatický prostor invaginovaná plazmalema

Fenolické látky - lokalizace

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

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

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

MT basket

24haiL. sativaUCDM2

MT patches

48haiL. serriolaPIVT 1309

L. serriolaLSE/18

HR

48haiL. sativaMariska

Cytoskelet

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

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

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Změny růstu - fytohormonyProdukce CKs, auxinů, gibbereliny,

etylenu, brassinosteroidů,..1/ samotným patogenem2/ indukce endogenních hladin

Změny růstu• Hyperplazie• HypertrofiePř. Čarověníky, nádory, deformace orgánů

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

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)

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

LiteraturaAgrios 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.: Biochemistryand 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 diseasedplants. CRC Press, Florida.

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz