Tolerancja krzyżowa

Tolerancja krzyżowa

Rośliny poddane działaniu jednemu stresowi stają się odporne na inny rodzaj stresora

W tolerancji krzyżowej główną rolę odgrywają związki sygnalne uruchamiane w czasie działania różnych stresów

Na poziomie komórkowym są nimi reaktywne formy tlenu (RFT) oraz jony wapnia

Rola jonów wapnia

Wzrost stężenia Ca2+ w cytozolu wywołuje szereg różnych stresów (chłód, szok termiczny, zasolenie, susza, niedobór tlenu).

Wiele czynników abiotycznych mobilizuje syntezę kwasu abscysynowego (ABA), który z kolei aktywuje fosfatazy białek zależnych od Ca2+. Białka te odgrywają istotną rolę w tzw. transdukcji sygnałów.

Transdukcja sygnałów w komórce

Rola jonów wapnia Wzrost stężenia ABA i Ca2+ w komórce następuje w różnym

czasie: ABA ulega koncentracji do 24 godzin od chwili odebrania sygnału stresu, natomiast Ca2+ wpływa do komórki w dużych ilościach natychmiast po odebraniu sygnału.

Etylen jest również hormonem stresu, a zwiększenie jego ilości wymaga obecności jonów wapnia. Etylen z kolei stymuluje wzrost stężenia ABA.

Równowaga ilościowa Ca2+ w komórce musi być zachowana także podczas stresu biotycznego. Wzrost stężenia jonów wapnia odnotowano w czasie działania elicytorów patogenów typu race-specific oraz non-race-specific, pod wpływem fragmentów chityny, łańcuchów oligogalakturonowych, zranienia i SA.

Rodzaje patogenów

Patogeny race-specific to patogeny mogące infekować tylko daną grupę roślin (wręcz dany gatunek lub genotyp)

Patogeny non-race-specific to patogeny porażające wiele różnych gatunków roślin

Rola jonów wapnia Ca2+ pochodzi ze ściany komórkowej (stabilizuje pektyny). W

błonach cytoplazmatycznych istnieje szereg różnych kanałów wapniowych, aktywowanych przez różne związki sygnalne.

W obrębie komórki magazynami Ca2+ są: mitochondria, retikulum endoplazmatyczne, plastydy, wakuola. Homeostaza jonów wapnia utrzymywana jest przez takie białka jak Ca2+ - ATPaza oraz antyporty Ca2+ .

Jony wapnia są toksyczne dla komórek wielu eukariotów, stężenie tego pierwiastka wynosi zazwyczaj 50-100 nM. Cytozol jest ostro buforowany przez białka wiążące Ca2+ np. kalmoduliny

Rola RFT

Reaktywne formy tlenu powstają pod wpływem działania różnych stresów. Do najczęściej wymienianych czynników powodujących stres oksydacyjny należą: susza, chłód, zasolenie, promieniowanie UV oraz wysokie natężenie promieniowania, patogeny, ozon, jony metali ciężkich, pestycydy.

Reaktywne formy tlenu

O2•– - anionorodnik ponadtlenkowy

H2O2 - nadtlenek wodoruOH • - rodnik wodorotlenowy

HO2 - rodnik wodoronadtlenkowy

Naturalne źródła RFT w komórce: łańcuch oddechowy faza świetlna fotosyntezy reakcje katalizowane przez oksydoreduktazy np. w

peroksysomach

AntyoksydantyEnzymatyczne dysmutaza anionorodnika ponadtlenkowego (SOD) katalazy peroksydaza askorbinianowa

Nieenzymatyczne glutation tokoferole karotenoidy kwas askorbinowy flawonoidy

Powstawanie RFT w wyniku reakcji obronnych

Reakcje katalizowane przez lipoksygenazę (utlenienie błonowych

kwasów tłuszczowych) oksydazę ksantynową (katabolizm puryn) peroksydazy utleniające alkohole fenolowe oksydazę NADPH

Powstawanie RFT

Oksydaza NADPH

O2 O2• —

SODH2O2

OH2• OH•

Peroksydacja lipidów błonowych

Lipoksygenaza

LignifikacjaJ

Ucieczka jonów

Nadtlenek wodoru

Produkowany głównie przez oksydazę NADPH oraz przez peroksydazę w ścianie komórkowej przy pH 7,2

W odróżnieniu od pozostałych form H2O2 może przechodzić przez błony cytoplazmatyczne

Rola H2O2 w reakcjach obronnych

Substrat dla peroksydaz utleniających alkohole fenolowe polimeryzujące następnie do ligniny

inicjuje powstawanie mostków tlenowych pomiędzy białkami ściany komórkowej, jak również ekstensyną a pektynami, wzmacniając strukturę ściany

utlenia DNA i białka, niszczy strukturę błon cytoplazmatycznych (reakcje w nadwrażliwości komórek)

bierze udział w ekspresji genów odpornościowych inicjuje syntezę PAL, S-transferazy glutationowej, peroksydazy

askorbinianowej aktywuje kaskadę kinaz (MAPK), ważny czynnik w transdukcji

sygnałów

Synteza ligniny - polimeryzacja wolnorodnikowa

Utlenienie przez peroksydazy ściany komórkowej.

1. Oderwanie atomu wodoru grupy hydroksylowej, pozostawiając niesparowany elektron przy atomie tlenu przez co powstaje rodnik.

2. Stabilizacja rezonansowa - przesuwanie niesparowanego elektronu w inne miejsca cząsteczki, przez co powstaje pięć form rodnikowych rezonansowych pozostających ze sobą w równowadze.

3. Rodniki łączą się ze sobą składając niesparowane elektrony w nowe wiązanie kowalencyjne: b+b, b+c, a+b, a+c. Następuje wygaszenie wolnych rodników.

Lignina

Struktura ściany komórkowej

Oddziaływanie hydroksyproliny na ścianę komórkową

Rola nadtlenku wodoru

Inicjuje biogenezę peroksysomów będących źródłem RFT

Peryksysomy to mikrociała otoczone błoną, które zawierają różnorodne enzymy. Substancje wypełniające te organella katalizują szereg reakcji metabolicznych. Podczas rozpadu lipidów produkowany jest nadtlenek wodoru - substancja toksyczna dla komórki. Peryksysomy zawierają enzymy rozkładające nadtlenek wodoru do produktów nieszkodliwych dla komórki.

Nadtlenek wodoru a HR

Utlenia DNA, białka i lipidy co ma znaczenie w czasie autodestrukcji komórek (zaprogramowana śmierć kmórek); aktywuje proteazy niszczące białka w czasie HR

Apoptoza

Reakcja nadwrażliwości

H2O2-induced luciferase activity surounding an area of hypersensitive cell death in a gst1::luciferase transgenic Arabidopsis line

Utleniająca rola nadtlenku wodoru

Utlenianie białek

Utleniając białka zmienia ich konformację co jest równoznaczne z ich aktywacją

Kontroluje ekspresję genów odpornościowych

1.Synteza białek de novo2.Aktywacja białek

obecnych3.Degradacja białek4. Inibicja innych sygnalnych

lub metabolicznych ścieżek

inicjuje syntezę PAL, S-transferazy glutationowej, peroksydazy askorbinianowej

aktywuje kanały wapniowe

Aktywuje kaskadę kinaz (mitogen activated protein kinase)

Mitogen-activated protein kinases (MAPK) rodzina kinaz przenosząca resztę kwasu fosoforowego z ATP na białka zawierające serynę lub tyrozynę, szeroko rozpowszechniona pośród eukariotów i odgrywająca rolę w takich procesach, jak powstawanie, różnicowanie komórek, przenoszenie się komórek i ich śmierć. MAPK “signaling cascades” są zorganizowane hierarchicznie w czteropoziomowe moduły. MAPKs są fosforylowane i aktywowane przez MAPK-kinazy (MAPKKs), które są z kolei fosforylowane i aktywowane przez MAPKK-kinazy (MAPKKKs). MAPKKKs są z kolei aktywowane w interakcji z rodziną małych GTPaz lub innych kinaz białkowych zawartych w module MAPK.

Mitogen

Mitogen - związek chemiczny lub inny czynnik indukujący mitozę komórek, w tym zwłaszcza komórek układu odpornościowego. Nazwą równie często funkcjonującą jest aktywator poliklonalny.

U roślin taki mitogenem zazwyczaj są cytokininy odpowiedzialne za podział komórek

Nadtlenek wodoru jest głównym czynnikiem w tolerancji krzyżowej

Stres

Stres

Zależność pomiędzy Ca2+ a RFT

aktywacja

H2O2 Ca 2+

kanałów

Ca 2+ H2O2

kalmodulina

Inicjacja sygnałówPIP2 - fosfatydyloinozytolo(4,5)bisfosforan, DAG - diacyloglicerol, IP3 -

trifosfoinozytol

R

E

Oksydaza NADPH

Ca2+

Kinaza białkowa kalmodulinozależna

Kinaza białkowa C

Białko G

Flipaza C

PIP2 DAG

IP3

Błona komórkowaO2 O2

• —

Zasolenie

Susza

Odporność na suszę

Odporność na suszę

This image was obtained by infrared photography of drought-stressed Arabidopsis plants in screening condition. The abi1-1 mutant that has a reduced responsiveness to abscisic acid (ABA), fails to close its stomata in response to drought, and thus has a lower leaf temperature (21ºC) than wild type plants (24ºC). This screen allowed us to easily select this kind of mutant in the midst of wild type plants.

UV

Przykłady tolerancji krzyżowej Słonecznik poddany suszy stał się bardziej

odporny na wysokie zasolenie Jęczmień ozonowany staje się bardziej

odporny na patogeny biotroficzne i nekrotyczne

Trawy i zboża chłodzone są bardziej odporne na patogeny powodujące pleśń śniegową i Bipolaris sorokiniana

Tytoń poddany promieniowaniu UV stał się odporny na wirusa mozaiki tytoniowej

Przykłady tolerancji krzyżowej

Rzepak ozonowany i chłodzony staje się mniej podatny na Phoma lingam

Jęczmień i kostrzewa łąkowa ozonowane są mniej podatne na Bipolaris sorokiniana

Tytoń rosnący na glebie o wysokim zasoleniu NaCl jest odporny na wysoką temperaturę