Fiziološki aspekt otpornosti biljaka i njihovi odbrambeni mehanizmi

Na prirodnim staništima biljke su Na prirodnim staništima biljke su izložene velikom broju potencijalnih izložene velikom broju potencijalnih patogena (bakterija, gljiva, virusa), patogena (bakterija, gljiva, virusa), kukaca i predatora (herbivora), zbog kukaca i predatora (herbivora), zbog kojih su tjekom evolucije izgradile kojih su tjekom evolucije izgradile brojne mehanizme otpornosti i zaštite. brojne mehanizme otpornosti i zaštite.

Vrste koje nisu uspjele izgraditi Vrste koje nisu uspjele izgraditi mehanizme zaštite nestale su(napr. mehanizme zaštite nestale su(napr. brijest)brijest)

Fotosinteza Temeljna funkcija biljaka više organizacije , te

zbog toga, biljke trpe najveće štete poremećajima ovog procesa. Smanjenje inteziteta fotosinteze se odmah opaža nakon infekcije patogenima, jer pored vidljivih promjena- HLOROZA i odumiranja dijelova organizma- NEKROZA, ubrzo dolazi do poremećaja TRANSPORTA asimilata, vode, minerala, hormona, a kao posljedica javljaju se poremećaji i u procesu DISANJA.

Svjetlosne reakcije

Odbrambeni mehanizmi Preventivne strukturalne promjene na površini organa ,

čime se zaprečava ulazak patogena (površinske presvlake, vosak, debljina staničnog zida, trihomi sa toksičnim organskim, mineralnim i hormonskim sadržajem).

Histološke promjene na tkivima i organima : PLUTANE PREVLAKE, SLOJ ZA APSCISIJU, FORMIRANJE KRASTA ILI EMERGENCIJA,KALOZNA ZADEBLJANJA, ČEPOVI itd.

Preventivni hemijski sadržaj(otrovnih sekundarnih metabolita)

Smanjena sinteza energetskih materija ( šećeri, isključenjem krebsovog ciklusa i dominiranjem procesom direktne oksidacije glukoze) zatim isključenjem nekih međuprodukata sinteza koji su osnovna hrana patogenima ili promjenama cijelih metaboličkih ciklusa.

Zbog svega toga, biljke mogu imati REPELENTNI (odbijajući efekat na patogene,insekte, herbivore) ili ATRAKTIVNI (privlačeći efekat ,zbog oprašivanja, raznošenja sjemna ili plodova)

Nivoi otpornosti Pasivna otpornost bazira se na:

Morfološkim Anatomskim Hemijskim mehanizmima zaštite

Aktivna otpornost bazira se na: biohemijskim fiziološkim procesima nakon infekcije

Površinska zaštita (kutikula, voskovi, pluto, periderma, debljina ćelijskog zida) predstavljaju faktore smanjenja isparavanja a ujedno i značajnu zapreku ulasku patogena

Biljka kao otvoreni kibernetski sistem

Biljke su savršeni kibernetski sistemi fiksirani za podlogu,i otvoreni prema vanjskoj sredini. U težnji postizanja homeostatskog stanja biljke se podešavaju pozitivnom i negativnom povratnom spregom.

Komunikacijski otvori Stome Hidatode Nektarje Lenticele Ektodezmi

Nektarje i hidatode

Kutikula

Glavni sastojci kutikule su brojni slojevi izgrađeni od: površinskog voska srednjeg sloja koji izgrađuje kutin i vosak i donjeg sloja koga izgrađuju: kutin, vosak i

ugljkohidrati.

Kutin predstavlja polimer dugih lanaca hidroksi-masnih kiselina međusobno povezanih estaskim vezama, tvoreći na taj način čvrstu trodimenzionalnu mrežu. Na listovima drvenastih vrsta, iznad epidermalnog sloja na površini se nalaze voštane presvlake. U drugom sloju je vosak isprepletan sa kutinom, a u trećem kutin je povezan sa pektinom i celulozom.

Suberin

Suberin predstavlja polimerni spoj sličan kutinu. Izgrađuju ga dugi lanci hidroksi-masnih kiselina povezanih estarskim vezama.Međutim, ovaj polimer sadrži i dikarbonske kiseline, te neke fenolne spojeve. Suberin je smješten u staničnim stjenkama Kasparijeva sloja (endodermisa), a nalazi se i na površinskim zaštitnim slojevima korijena

Suberin u korijenu je često povezan sa slojevima plute, a može se javiti i u staničnim zidovima periderme stabla drveća

Suberin se sintetiše i na mjestima rana nakon apscisije lista, kao i mjestima mehaničkih povreda, te povreda koje izazivaju kukci ubodima

Voskovi

Voskovi nisu makromolekule slične suberinu i kutinu, već smjese slobodnih dugih lanaca lipida sa visokim stepenom hidrofobnosti. U strukturi voskova prisutni su lanci alkana i alkohola, te dugolančani aldehidi, ketoni, estri i slobodne masne kiseline. Sintetišu se u ćelijama epidermalnog sloja u vidu kapljica, koje se izbacuju na površinu, gdje se kristaliziraju u obliku štapića,cjevčica i pločica

Mnogi mehanizmi zaštite od patogena pored strukturnih osobina biljke vezani su za njen biohemijski sastav, koji predstavlja odliku biljne vrste, roda ili porodice

Patogeni organizmi mogu da žive na biljci domaćinu i da ne izazivaju veća oštećenja ćelija, te se kao takvi nazivaju BIOTROFNIM. Međutim, ako izazivaju veća oštećenja i na kraju programiranu smrt ćelije i biljke nazivaju se NEKROTROFNIM.

Sa fiziološkog aspekta mnogo je bitnija hemijska osnova otpornosti biljaka prema bolestima. Mnoge metaboličke materije rastvorljive u vodi dospijevaju na površinu iznad svih zaštitnih mehaničkih slojeva i time sprečavaju klijanje spora ( jabučna kiselina, fenoli, flavoni, antocijani)

Slična je situacija sa korijenom, gdje brojne njegove izlučevine uništavaju patogene u neposrednoj blizini (ugljena kiselina, jabučna, fenoli itd)

Na proces infekcije značajno utječu : mineralna ishrana, enzimski kompleks, intenzitet disanja i drugi fiziološki procesi

Velika skupina patogenih gljiva izlučuje MIKOTOKSINE koji ometaju glavne metaboličke puteve i funkcije biljne ćelije

Primjer: fuzikokcin ( iz gljive Fusicocum amygdali) koji djeluje na H+ ion ATP-aze. Gljiva- Alternaria alternata sintetiše tentotoksin koji djeluje na ATP-azu hloroplasta, sprečavajući njeno učešće u sintezi energetskog jedinjenja ATP.

Sinteza ATP-a u hloroplastima

Na proces infekcije značajno utječu : mineralna ishrana enzimski kompleks intenzitet disanja drugi fiziološki procesi

Tako pretjerana ishrana azotom smanjuje pasivnu otpornost zbog smanjene sinteze fenolnih spojeva i aromatičnih aminokiselina

Pasivna otpornost biljaka može da se zasniva i na nedostacima nekih metabolita, koje patogen ne može sam sintetisati ( vitamini, neke aminokiseline, neki enzimi)

Takav je slučaj i sa procesom disanja gdje postoji visok stepen pozitivne korelacije između aktivnosti enzima peroksidaza i polifenol- oksidaza i otpornosti date vrste prema brojnim patogenima.

Fotosinteza- disanje i putevi sekundarnih metabolita

Sekundarni metaboliti Pored prethodnih slojeva koji predstavljaju mehaničku

barijeru patogenima, daleko učinkovitija zaštita i otpornost biljnih organizama, stečena kroz evoluciju ispoljava se produktima metabolizma koji se nazivaju

sekundarni metaboliti

Njihov naziv upućuje na činjenicu da oni nemaju poseban značaj za procese primarnog metabolizma :

-fotosintezu -disanje -transport diferencijaciju itd.

Stoga, ovi metaboliti imaju specifičnu raspodjelu po organima, a javljaju se samo kod onih sistematskih kategorija koje su bile najčešći objekt napada patogena, kukaca, beskičmenjaka i kičmenjaka (herbivora), odnosno samo u specifičnim ekosistemima.

Sekundarni metaboliti Krebsovog ciklusa

Biljne odbrambene tvari, nastale su kao plod pozitivnih nasljednih mutacionih mehanizama prirodne selekcije i drugim evolucionim mehanizmima, koji su se pokazali dominantnim faktorima održanja vrste. Pojava sekundarnih metabolita sa odlikom specifičnog mirisa, boje, okusa i otrovnosti, javila se dominantnom osobinom u održanju vrste.

Sve te materije sa aspekta sinteze možemo podijeliti u tri skupine :

Terpene Fenolne spojeve Spojeve sa nitrogenom (dušikom)

Terpeni TERPENI su lipidi čija sinteza započinje od aceti- CoA

u putu mevalonske kiseline. To je najveća skupina sekundarnih metabolita kod biljaka. Njihova odlika je da su netopivi u vodi, a pri visokim vanjskim tempetraturama se razgrađuju do izoprena ( C5H8). Mogu biti izgrađeni od 2 x C5 jedinice (monoterpeni), 3 x C5 jedinica (seskviterpeni), 4 x C5 jedinica= diterpeni, 6 x C5-jedinica =triterpeni i 8 x C5 jedinica tetraterpeni, C5 x n= politerpeni.

Spajanjem 3 molekule acetil CoA nastaje mevalonska kiselina, koja se

fosforilira, dekarboksilira i dehidrira, dajući IZOPENTIL-PIROFOSFAT

Od izopentil-pirofosfata i dimetilalil-pirofosfata nastaje = geranil-pirofosfat , koji je prekursor (prethodnik u sintezi) svih =monoterpena

geranil-pirofosfat+ izopentil-pirofosfata=farnezil-pirofosfat, koji je prekursor svih, seskviterpena

izopentil-pirofosfat+ farnezil-pirofosfat =geranilgeranil-pirofosfat, koji je prekursor- diterpena

Daljim procesima dimerizacije izopentil-pirofosfata diterpenima, nastaju triterpeni, odnosno 2 molekule , tetraterpeni

Mnogi od spojeva terpena su bitni za procese rasta: seskviterpeni su prekursori sinteze hormona stresa- ABE diterpeni međuspojevi u biosintezi hormona cvjetanja –

giberelina

Karoteni i ksantofili su jedinjenja tetraterpena Fitol, u molekuli hlorofila je derivat terpena Najveći dio terpena pripada isključivo sekundarnim

metabolitima sa odbrambenim funkcijama

Monoterpeni Piretroid- snažan insekticid .

Prvi put je izolovan iz listova i cvjetova hrizanteme, a kasnije je pronađen kod buhača.

Alfa i beta pinen, limonen i mircen kod jele i bora nakupljaju se u smolnim kanalima iglica, stabla i grana i predstavljaju otrove za brojne insekte. Stoga, napad insekata ima za posljedicu pojačano lučenje ovih spojeva.

Neki od monoterpena su predstavljeni biljnim uljima koja se često nalaze u žljezdanim dlakama, čijim dodirom se brzo izlučuju na površinu djelujući na odbijanje napadača. Takav je slučaj kod listova limuna, nane i bosioka čiji su monoterpeni predstavljeni biljnim uljima koji su mješavina eteričnih terpena i seskviterpena .

Seskviterpeni Jedinjenja sa 15 atoma

karbona u strukturi, smještenim u laktonskim prstenima

Poznati kao antiherbivorna jedinjenja koja odvraćaju životinje da ih koriste u ishrani, kukce, a kod ljudi izazivaju gorak ukus

Izolovani su iz biljaka porodice glavočika, a nalaze širu primjenu u zaštiti biljaka od patogenih gljiva i bakterijskih patogena. Među njima su dva najpoznatija kostunolid i gosipol. Ovaj posljednji je dokazano muški kontraceptiv

Diterpeni U strukturi sadrže 20 atoma

karbona Dokazano je da su herbivorni

otrovi. Kod drveća su prisutni kod borova, tise, jele. Iz smole borova izolovana je abietinska kiselina koja na mjestima povreda predstavlja fizičku i hemijsku zaštitu organizma.

Slična jedinjena, diterpenskih estera javljaju se kod biljaka iz porodice mlječika gdje je izolovano jedinjenje fobrol koje je otrovno za kukce, sisare i brojne životinje. Fobrol kod ljudi izaziva iritiranje kože i opekotine, a služi kao model promotora za istraživanje karcinogeneze kod životinja.

Kod tise je otkriven diterpen taksol, koji je posebno otrovan za konje, a koristi se kao lijek za sprječavanje rasta zloćudnog tumora –raka jajnika.

Triterpeni Sadrže u struktiuri 30 atoma ugljika. To su

prevashodno jedinjenja steroida, od kojih su neki bitna gradivna komponenta plazmatične membrane. Među njima su interesantna jedinjenja fitoekdisona koja su bitne odbrambene tvari. Ova jedinjenja su po svojoj hemijskoj strukturi najsličnija hormonima presvlačenja kod insekata. U tome je sadržana njihova toksičnost za kukce, jer prekidaju ciklus presvlačenja, odnosno, izazivaju odbacivanje starog i stvaranje novog egzoskeleta, zbog čega insekti postaju jako ranjivi.

Triterpeni

Triterpeni Iz biljaka limuna je izolovan insekticid limonoid koji je u jako

malim dozama (50 dijelova razrijeđeno na milijun rastvarača) jako otrovan za insekte, a istovremeno nije otrovan za sisare, te se koristi kao efikasan insekticid.

Triterpenima pripadaju i kardenolidi koji u strukturi uključuju i molekulu šećera. Jako gorkog su ukusa i teški otrovi za čovjeka. Kod čovjeka direktno djeluju na Na+ i K+ pumpu srčanog mišića. Prvi put su izolovani iz vrsta roda Digitalis ( digitotoksigenin), jaki su otrov za kukce, a njihovo djjestvo se zasniva na hormonskim aktivnostima.

Triterpenskim glikozidima pripadaju jedinjenja saponina. Imaju svojstva deterdženata, te mogu utjecati na razgradnji lipoidnog kompleksa živih membrana. Jako su otrovni za mnoge insekte i patogene. Jedan od njih – Jamogenin je izolovan iz vrste Dioscorea balcanica, a primjenjuje se u farmaceutskoj industriji kao početni spoj (sličan hormonu progesteronu) za pravljenje kontracepcijskih pilula.

Politerpeni Predstavljaju spojeve koji sadrže iznad 40

atoma C. To su polimerna jedinjenja sa 1.500 do 15.000 izopentenskih jedinica sa dvostrukim vezama između C atoma u cis konfiguracijama. Svi produkti politerpena su odbrambene tvari kod biljaka u smislu zacjeljivanja rana, toksina za herbivore, te toksičnim efektom na brojne mikroorganizme.

Neki insekti napr. leptiri, jedući lišće biljaka koje sadrže politerpene, nagomilavaju ih, te im služe kao zaštita od predatora. Nagomilani politerpeni u gusjenicama ili imagu, imaju opominjući efekat, kakav je slučaj sa gusjenicom leptira monarha (Danaus plexippus)

Nagomilani politerpeni ( srčani glikozidi) kod ove vrste leptira se zadržavaju i u stadiju odrasle individue, upozoravajući ptice da ih izbjegavaju u ishrani. Slične modele zaštite kroz evolucionu selekciju razvili su brojni beskičmenjaci.

Aktivna otpornost biljaka

Za razliku od pasivne otpornosti koja je sadržana u mofološko-anatomskim i hemijskim sadržajima, aktivna otpornost nastupa nakon infekcije. Naime, to su reakcije biljnog organizma izazvane zarazom.

Faze reakcija Prva reakcija biljke na zarazu je povećanje

intenziteta DISANJA. Pri tome se smanjuje aktivnost Krebsovog ciklusa , a povećava direktna oksidacija glukoze.

Druga fiziološka reakcija zaraženog biljnog organizma je povećanje biosinteze fenolnih spojeva. Povećava se i aktivnost enzima koji kataliziraju oksidaciju fenola, jer su oksidirani oblici fenola toksičniji od redukovanih koji se nalaze negdje deponirani u redukovanom obliku.

Sljedeća reakcija zaražene biljke je povećana aktivnost enzima peroksidaza, te odgovarajućih enzima za razgradnju membrane patogena.

Sve prethodne pojave predstavljaju nenormalno izvedeno stanje označeno patogenim «stresom». U takvom stanju pojačano se luči stres-etilen, koji sada podstiče povećanu aktivnost enzima glukanaze i kutinaze koje razlažu kalozu i kutin gljive, istovremeno ne djelujući na iste gradivne komponente biljke domaćina.

Ni gljive nisu bez mehanizama zaštite. One se od pomenutih enzima brane celuloznim i lipidnim «štitom».

Ravnoteža

U nadmetanju između biljke i gljive na molekularnom nivou često se uspostavlja RAVNOTEŽA, koja se u datim okolnostima može pomjerati u jednom ili drugom smjeru. U protivnom bi davno nestale i biljke i patogene gljive.

Hipersenzibilnost

Jedna od daljnjih aktivnosti biljnog organizma u stvaranju obrambenih mehanizama i otpornosti je HIPERSENZIBILNOST ili NEKROGENE reakcije.

Ulaskom patogena u ćeliju, informacija se prenosi na zonu okolnih, koje autolizom stvaraju izolacioni sloj okolnog tkiva. U membranama do nekrogene zone inkorporira se lignin stvarajući zapreku ( barijeru ) širenju infekcije.

Pored mehaničke barijere odgovor na infekciju je multikomponentan, jer neinficirane dodirne zone počinju naglo sintetizirati hemijske spojeve tipa LEKTINA i FITOALEKSINA.

Lektini Lektini predstavljaju specifične PROTEINE koji su

sposobni da vezuju šećere. Oni se izlučuju na spoljašnju stranu žive membrane, a vezujući šećere oduzimaju hranu patogenima.

Jedinjenja lektina su brojna i nađena su od 3.000 ispitivanih biljaka kod njih 1.000. Jako veliki broj lektina nađen je u sjemenima biljaka, čime se ona štite od propadanja. Najveći broj lektina kod drveća nađen je kod biljaka iz porodice Fabaceae (bagrem, zlatna kiša, tilovina i dr. )

Interakcija patogenih mikroorganizama i biljaka u razvoju bolesti Mada mnogi virusi i bakterije kao patogeni izazivaju

oboljenja, ipak su gljive glavni uzročnici epidemija ( Knogge,1996). Stoga su najčešće proučavana oboljenja baš ona koja izazivaju gljive. Visoka specifičnost rasa i sojeva patogenih gljiva , prema potencijalnom domaćinu , ukazuju na precizno uzajamno prepoznavanje ovih organizama.

U procesu nastajanja infekcije dolazi do

sekvencijalne razmjene signala , od kojih ovisi hoće li odnos između patogena i biljke biti kompatibilan ili ne. Ovaj odnos je prvi definirao Flor, 1971. godine, kao hipotezu «gen-za- gen»

Po tom modelu specifičnost patogena i domaćina uslovljena je komplementarnim parom dominantnih gena , od kojih je jedan u gljivi, a drugi u biljci. Gljiva sadrži gen za avirulenciju (Avr-gen), koji korespondira sa genom za za rezistenciju (R-genom ) domaćina.

Signali i elicitori Produkti gena virulencije su SIGNALI koji upućuju

na prisustvo patogena, dok gen rezistencije proizvodi receptore za te signale

Takvi signali su označeni pojmom ELICITORI ( što u prijevodu znači izazvati ili izmamiti)- supstance koje izazivaju odbrambene reakcije biljaka. Za kratko vrijeme rezistentni geni domaćina kaskadno uključuju cijeli niz biohemijskih procesa u kojima se izgrađuju zaštitna sredstva protiv elicitora virulentnih gena. Ukoliko biljka nema rezistentnih gena (dokazano kod mutanata) neće doći do imunog odgovora.

Gljive sadrže virulentne gene koji mogu biti aktivirani pod djejstvom šećera, fenola ili drugih metabolita. Oni također proizvode različite elicitore. Ako biljka ne spriječi njihovo djejstvo, pojavljuju se poznati vizuelni simptomi bolesti. Gljive prije svega proizvode enzime za razgradnju ćelijskog zida biljke, što im omogućava invaziju u biljku. Bolest napreduje korak po korak, a krajnji ishod je da će jedno od njih dvoje nadvladati i pobijediti.

Metodama molekularne biologije mnogi avirulentni geni su identifikovani kod nekih gljiva i bakterije. To su mali peptidi koji se izlučuju u apoplast i koji čak i bez prisustva patogena mogu da indukuju aktivnost gena za rezistenciju u biljci. Do sada je izolovano 5 familija rezistentnih gena i dokazano da jedna biljka može imati njih više. Većina izolovanih gena utiče na proizvodnju proteina koji sadrže aminokiselinu leucin.

Rezistentni geni uglavnom proizvode membranske receptore koji otkrivaju prisustvo elicitora avirulentnog gena.

u rezistentnim genima se kodiraju transkripcioni faktori (fakt. Prepis. šifre- koda)

rezistentni geni kodiraju proteinske kinaze : (serin/treonin kinazu) i segmente koji vezuju nukleotide ATP i GTP. Time se aktivira signalni lanac kinaza i fosfataza koji aktiviraju niz drugih metaboličkih puteva.

Kompleks gena za avirulenciju predstavlja sistem za prepoznavanje patogena i transdukciju signala.

Funkcije koje aktiviraju rezistentni geni

hipersenzitivna reakcija pojava reaktivnih vrsta kisika sinteza proteina povezanih sa patogenezom sinteza polimera ĆELIJSKOG ZIDA sinteza fitoaleksina i lektina sinteza salicilne kiseline uspostavljanje stečene sistemske

rezistencije

Hipersenzitivna reakcija Pri inkompatibilnoj reakciji prema gljivama, bakterijama i

virusima , na mjestu ulaska patogena pojavljuju se nekrotične povrede, koje nastaju kao posljedica lezije (liziranja stanica) na listu ili drugim organima biljke. Liziranje ćelija može da nastupi za 10-60 minuta. Izumiranje ćelija i pojava hipersenzitivne reakcije u vidu mrlje može da nastupi kao posljedica naglog nakupljanja supstance štetne za patogene, ali i za samu ćeliju.

Moguće je da patogeni indukuju APOPTOZU (genetički programiranu smrt ćelije), koje predstavljaju barijeru u daljnjem širenju infekcije. Hipersenzitivna reakcija potstiče i druge nivoe zaštite i otpornosti.

Reaktivne vrste kisika Među prvim pojavama pri inkopatibilnoj reakciji između

biljke i patogena su povećani oksidativni procesi kod biljke domaćina i produkcija reaktivnih oblika kiseonika. Ova pojava, može biti razlog pojavi hipersenzitivne reakcije. U oksidativnim procesima posredstvom membranske NADPH-dehidrogenaze , aktivirana OKSIDAZA , redukuje molekularni kisik

Tada nastaju SUPEROKSID ANJON O2-, H2O2 i hidroksilni radikal OH-.

Dosadašnja saznanja upućuju da vodik peroksid može biti glavni intoksikant za mikroorganizme.

Tipovi reaktivnog oxigena

Enzimi koji degradiraju ćelijski zid Osobina patogenih gljiva je proizvodnja enzima

DEPOLIMERAZA koji razgrađuju makromolekule ćelijskog zida. One time otvaraju sebi put za ulazak u tkivo, a istovremeno obezbjeđuju sebi energente šećere za ishranu. S obzirom na kompleksan gradivni sadržaj ćelijskog zida, te gljive moraju imati na raspolaganju cijeli set enzima : celulaze,pektinaze, ksilanaze, galaktozidaze, kutinaze, proteaze i fosfolipaze ( Walton, 1994).

Razgradnja ćelijskog zida kod biljaka izaziva kontra reakciju, reagujući ne na enzime nego na njihove produkte. Najvažniji među njima su OLIGOSAHARIDI , koji su glavni elicitori u patogenezi. Oni u biljnoj ćeliji za kratko vrijeme pokrenu biosintezu brojnih antimikrobijalnih supstanci i proteina.

Takve supstance su OLIGOSAHARINI , ugljikohidrati kraćih lanaca koji imaju signalnu ulogu u rastenju i razviću, te kao elicitori u odbrambenim reakcijama

U odbrambenim reakcijama oligosaharini su posrednici između patogenih činilaca i sistema zaštite u kome učestvuju : JASMONSKA KISELINA,SALICILNA KISELINA i dr. U tim procesima oligosaharini indukuju aktivnost gena koji regulišu sintezu zaštitnih jedinjenja: ANTIBIOTIKA, FITOALEKSINA , ALKALOIDA, TERPENA i LEKTINA.

Od oligosaharina najaktivniji su OLIGOGALAKTURONOIDI kao elicitori , koji nastaju iz primarnog zida biljne ćelije . Na njihov signal biljka odgovara sintezom enzima koji će razgraditi ćelijski zid gljive ili bakterije, te tako zaustavljaju njeno širenje.

Proteini povezani sa patogenezom

Ovaj tip proteina izolovan je iz biljaka sa hipersenzitivnom reakcijom, jer ih kod zdravih biljaka nema. Postoje dvije vrste takvih proteina:

kiseli proteini u međustaničnim prostorima bazični proteini koji se nalaze u vakuoli ćelije.

Svi ti proteini patogeneze svrstani su u pet grupa: Proteini PR-1 -njihova funkcija je još nedovoljno

jasna beta-1,3-glukanaze hitinaze četvrta grupa nije još dešifrovana i proteini-enzimi : proteaze i proteinaze koji

nastaju kao reakcija nakon uboda insekta u list. Nakupljaju se u digestivnom traktu insekta i kao inhibitori enzima proteaza sprječavajući u larvama i imago jedinkama korištenje proteinskih materija u ishrani.

Neki od proteina čija je sinteza indukovana patogenezom ne učestvuju u odbrani direktno, već kao enzimi koji sintetišu druga zaštitna jedinjenja. To su enzimi koji učestvuju u izgradnji strukturnih proteina ćelijskog zida pojačavajući zid u blizini infekcije i time sprječavajući njeno širenje. Takav je slučaj sa peroksidazama koje kataliziraju izgradnju lignina. Ostali enzimi kataliziraju jedinjenja male molekulske mase kao što su fenoli, fitoaleksini, lektini, alkaloidi sa antimikrobijalnim efektom.

Fenolni spojevi kao odbrambeni metaboliti biljaka Fenolna jedinjenja kod biljaka karakteriše prisustvo

fenolne (hidroksilne) skupine u aromatskom prstenu. Osobina im je da su topivi ili u vodi ili samo u organskim otapalima. Pored značaja u odbrani od herbivora i patogena, fenolna jedinjenja imaju poseban značaj i u procesima : privlačenja oprašivača, rasprostiranja sjemena i plodova, te redukciji rasta (alelopatskog djestva) susjednih biljaka.

Kod biljaka sinteza fenola moguća je kroz dva puta: put šikiminske kiseline i put jabučne kiseline

Put jabučne kiseline sinteze fenolnih spojeva je daleko prisutniji kod gljiva i bakterija.

Put šikiminske kiseline je jako bitan u izgradnji odbrambenih mehanizama biljaka. Jedan od često korištenih herbicida u šumarstvu – Round-up (glifozat) svoje djejstvo na uništavanju biljaka bazira baš na zaustavljanju reakcija ovog ciklusa.

Putevi sinteze fenola

U najjednostavnija fenolna jedinjenja kod biljaka pripadaju : transcimetna kiselina kavina kiselina ferulinska kiselina kumarini (umeliferon i prosalen) derivati benzojeve kiseline (vanilin i salicilna

kiselina)

Svi prethodni spojevi su otrovi za herbivorne životinje, insekte i gljive.

Neki od ovih spojeva kod biljaka postaju otrovni tek onda kada ih aktivira UW regija svjetlosti od 320-400nm. Neki od njih kao što je slučaj sa furanokumarinom, mogu da prave zamjene pirimidinskih baza citozina i timina, pri prepisivanju genetičke šifre, što izaziva smrt ćelije- biljke.

Jedinjenja fenola

Lignin Lignin je poslije celuloze najviše zastupljen polimer u

tkivima biljaka. Sintetiše se iz puta šikiminske kiseline, ali nažalost njegova hemijska struktura još i dalje je nepoznata.

Lignin je bitna odbrambena tvar u biljnom organizmu. Njegov značaj u odbrani biljaka je dokazan kod hipersenzitivne reakcije, kada se lignin brzo sintetiše i inkorporira u ćelijske zidove zone oko mjesta infekcije, sprečavajući na taj način dalje širenje infekcije.

Drugi značajan dokaz obrambene funkcije lignina je dokazan kodhrasta, nakon invazije gusjenica gubara koje na stablu pojedu sve listove. Iz uspavanih pupova biljka razvija nove listove koji sadrže ogroman procenat lignina koji teško probavljiv za gusjenice i druge herbivore, te se time biljka zaštićuje od insekata i herbivora.

Lignin-strukturna formula

Flavonidi Predstavljaju najbrojniju skupinu biljnih fenola. Prema

stupnju oksidacije se dijele na antocijanine, flavone, izoflavone i flavonole.

Sve ove metaboličke skupine prisutne su od cvjetova, kore stabla do epiderme listova. Bitnu ulogu imaju kao antistresne materije od UW zračenja, ali u posljednje vrijeme je dokazano da mnogi od njih djeluju kao fitoaleksini.

Sve ove materije su antimikrobnih aktivnosti i naglo se počinju nakupljati nakon uboda insekta, bakterijske ili gljivične infekcije u okolnoj zoni oko mjesta infekcije sprječavajući njeno širenje u druge dijelove biljnog organizma.

Stoga su inficirane biljke često obojenih ljubičastih listova.

Antocijanidini i antocijanini

Tanini Tanini su biljni polimerni fenoli jakih obrambenih svojstava.

Vežu se na proteine i time povećavaju njihovu otpornost prema patogenima. Jako su prisutni kod drvenastih vrsta. Sadrže fenolne kiseline (galnu) i jednostavne šećere. Jaki su otrovi za herbivore i insekte, te brojne patogene gljive. Kod insekata reduciraju rast i preživljavanje. Tako npr. Kada ciganski moljac (Lymantria dispar), napadne i pojede listove hrasta, novi listovi koji se razvijaju pored povećane količine lignina sadrže visoku dozu fenolnih spojeva – tanina koji koče razviće ličinki moljca i ubijaju image, smanjujući intenzitet napada. Njihov glavni učinak, pored vezivanja na proteine je, inhibicija enzima varenja kod insekata. Neke herbivorne životinje (zec) , te mnogi novi mutanti gljiva da bi smanjili toksičnost tanina, proizvode specifične proteine sa visokom dozom aminokiseline PROLINA (25-45%) koji ima osobinu vezivanja tanina, čime oni postaju manje toksični. Glavni razlog dugog opstanka posječenog gradivnog drveta je vezan za antimikrobni efekat tanina u njima

Struktura tanina

METABOLITI BILJAKA SA DUŠIKOM Veliki broj biljnih spojeva antimikrobnog i

toksičnog efekta sintetiše se iz aminokiselina i služe u odbrani biljaka.

Među njima su najpoznatiji : alkaloidi, cijanogeni glikozidi, glukozinolati, neproteinske aminokiseline odbrambeni proteini

Alkaloidi Alakaloidi su prisuti kod 30% flore viših biljaka

Najveći broj alkaloida se sintetiše iz aromatskih kiselina : tirozina i triptofana i alifatskih aminokiselina: lizina, ornitina i aspartinske kiseline.

Najzanimljiviji alkaloidi za čovjeka su : kokain, nikotin, morfin, kofein. Svi oni, kao i brojni drugi( koncein, koniadrin, strihin, atropin, kolhicin) djeluju kao jaki antimikrobni otrovi. Njihovo djejstvo na sisare i insekte najčešće se ogleda u paralizi nervnog sistema. Našli su veliku primjenu u suvremenoj farmakopeji i medicini, nekada kao stimulatori ili inhibitori fizioloških aktivnosti, a neki od njih kao antikancerogene materije ( mitotički otrovi). Zbog svoje jake toksične aktivnosti biljke koje ih sadrže ( i ako su oni u njima vezani i neaktivni) rijetko napadaju patogeni i insekti.

Skundarni metaboliti- alkaloidi

Cijanogeni glikozidi

Postaju aktivni tek kada se nađu u spoju sa odgovarajućim enzimima. Zbog toga ih biljke drže odvojeno ( u vakuoli ćelija epiderme glikozidi, a enzimi u mezofilu lista). Pri napadau patogena aktivira se dvostupna enzimska reakcija, čiji je rezultat otpuštanje gasa cijanovodonika (HCN), koji je inače krvni bojni otrov, posebno učinkovit kao antipatogen i jak insekticid. Reakcija lučenja cijanovodnika je jako brza pri ubodu lista od strane insekata.

Cijanogeni glikozidi

Neproteinske aminokiseline i odbrambeni proteini

Ovi metaboliti ne ulaze u konstituciju proteina. U ćelijama se nalaze u slobodnom obliku, a djeluju kao zaštitne tvari.Do sada su iz biljnih uzoraka izolovane : kanavanin i azetidin-2-karbonska kiselina. Po strukturi hemijske organizacije slične su argininu i prolinu.

Odbrambeni proteini svoju funkciju zasnivaju na sprječavanju proteolitičkih enzima u digestivnom traktu insekata i herbivora.Među njima su najpoznatiji LEKTINI koji imaju jak afinitet prema ugljikohidratima. Njihova odbrambena funkcija se zasniva na prepoznavanju ćelija istog ili drugog organizma. Spojevi: FITOHEMAGLUTININI dovode do aglutinacije ćelija, a često se vezuju za hitin sprečavajući rast hifa gljiva kod sjemena koje klija ili na korijenu (Chrispeels i Raikhel, 1991).

Biljni hormoni i rezistencija U procesu infekcije patogeni organizmi

pokušavaju staviti pod kontrolu kompletan biljni metabolizam, te je zanimljivo pitanje šta se dešava sa biljnim hormonima. Mnoge gljive i bakterije proizvode hormone, koji imaju morfogenetski učinak. Međutim nije dovoljno poznato kako se njihovi hormoni ponašaju u razvoju bolesti.

Etilen Prvi hormon koji odgovara na proces infekcije i

predstavlja najraniji signal je ETILEN

Etilen se u enormnim količinama pojavljuje znatno prije hipersenzitivne reakcije i nekroloških efekata izolacije patogena. Dokazano je da se visok intezitet sinteze etilena zadržava baš u ćelijama zahvaćenim nekrozom. Egzogeno dodavanje etilena inficiranoj biljci indukuje sintezu bazičnih proteina koji se nalaze u vakuoli (glukanaze i hitinaze). Međutim, egzogeno dodan etilen ne potstiče sintezu ekstracelularnih kiselih proteina. Iz toga bi se moglo zaključiti da je etilen indikator aktivne odbrane i prije svega signal za aktiviranje obrambenih sistema biljke.

Jasmonati Jasmonati su biljni hormoni koji također imaju

vezu sa rezistencijom prema patogenima. Ovi hormoni nastaju peroksidacijom lipida iz ćelijske membrane pod utjecajem vodonik peroksida, gdje se sintetiše prvo prekursor jasmonata LINOLENSKA KISELINA.

Nakon infekcije izazvane patogenima i ubodima insekata u listovima se sintetiše jedan polipeptid od 18 aminokiselina nazvan SISTEMINOM, koji se ksilemom brzo prenosi u sve dijelove biljke i indukuje sintezu jasmonata. Ovo je ujedno i prvi podatak o SIGNALNIM PROTEINIMA kod biljaka. Brojni insekti raspolažu monitorima za prepoznavanje jasmonata, te zbog toga ne napadju te vrste. Inače, ovi biljni hormoni u digestivnom traktu insekata inhibiraju enzime PROTEINAZE.

Auksini Auksini su hormoni vrlo rasprostranjeni kod gljiva i

bakterija. U svim dosadašnjim eksperimentima dokazano je da AUKSINI snižavaju aktivnost gena koji učestvuju u sistemskim obrambenim mehanizmima biljaka. Tako auksini smanjuju aktivnost gena za sintezu aminokiseline PROLINA, koja je bitna za otpornost. Zatim smanjuju aktivnost gena koji su zaduženi za BETA_GLUKANAZE I HITINAZE (koji razgrađuju hitin kod gljiva i insekata (Yamada, 1993). Kao zaključak može se potvrditi da virulencija patogena , dobrim dijelom ovisi o sposobnosti patogena da izluči auksin, koji će INAKTIVIRATI biljne odbrambene mehanizme.

Citokinini

Za CITOKININE nema podataka u vezi sa njihovim utjecajem na virulentnost patogena. Međutim, brojni radovi upućuju na činjenicu da ovi hormoni imaju veliki značaj za fazu ozdravljena biljke koja je pobjedila patogen.

Sistemski stečena rezistencija Hipersenzitivna reakcija označava kolaps ili smrt

ćelija oko mjesta gdje je prodro???? patogen i gdje se počne umnožavati. Dok traje stvaranje mehaničkih barijera daljem širenju patogena (sinteza lignina, kaloze i drugih elemenata staničnog zida) u široj zoni dolazi do ubrzanih sintetskih procesa : izgradnje odbrambenih proteina, sinteza fitoaleksina, fenola i drugih odbrambenih sekundarnih metabolita. Na taj način biljka za kratko vrijeme izgradi sistemski stečenu rezistenciju.

Sistemska rezistencija se manifestira i na mjestima daleko od infekcije ili čak i na drugim biljkama iste vrste. To upućuje na podatak da se informacija (signal ) o infekciji prenosi hemijskim putem.

Prema brojnim autorima taj hemijski signal predstavlja salicilna kiselina. Njena koncentracija je najveća na mjestu hipersenzitivne mrlje i odmah u zoni oko nje. Salicilna kiselina je fenolni spoj i da je ona zaista hemijski signal koji se prenosi ne samo ksilemom, već i vazduhom su eksperimenti Shulaeva (1995) koji je ovaj metabolit obilježio izotopom kisika 18O2.

Da je salicilna kiselina zaista signal sistemski stečene rezistencije, dokazali su u eksperimentima sa mutantima koji ne mogu sitetisati salicilnu kiselinu Delaney et al. (1994).

Prijenos signala Najnoviji eksperimeti u ovoj oblasti upućuju da se

daljinski signal o infekciji može prenositi i vazdušnim putem na nezaražene biljke u okolini inficiranog stabla. Izgleda da je hlapljivi signal metil-estar salicilne kiseline (metil-salicilat) koji se vazdušnim putem može prenositi na širu zonu od inficiranog stabla i izazvati stečenu otpornost.

Eksperimeti u oblasti zaštite biljaka od patogena

trenutno su usmjereni na izolaciju genskih zona otpornih biljaka za određeni tip mikroorganizma i prijenos iste u transgene biljke. U tom smislu je dokazano da je nahG-gen , odgovoran za sintezu salicilne kiseline, a traga se za zonama odgovornim za sintezu drugih fitoaleksina i spojeva lektina, te drugih obrambenih tvari u cilju stvaranju rezistencije od patogena na molekularno- biohemijskom nivou vlastitih metabolita.

Daljinski signal

Rezime

Kroz dugi period evolucije i selekcije biljke su izgradile dva nivoa otpornosti i zaštite :

PASIVNU OTPORNOST(anatomske histološke, morfološke i hemijske prilagodbe, koje čine odliku vrste) i

AKTIVNU OTPORNOST, koja se formira nakon ulaska patogena u živi sistem ili dobijanja signala o širenju infekcije.

Hvala na pažnji!

Pitanja?