Odpowiedź rośliny na zranienie

Odpowiedź rośliny na zranienie, STUDIA, choroby roślin

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Tom 60 2011
Numer 3–4 (292–293)
Strony
445–457
H
alina
Ś
lesak
1
, i
reneusz
Ś
lesak
2, 3
1
Instytut Botaniki
Uniwersytet Jagielloński
Grodzka 52, 31-044 Kraków
2
Instytut Fizjologii Roślin im. Franciszka Górskiego PAN
Niezapominajek 21, 30-239 Kraków
3
Katedra Genetyki, Hodowli i Biotechnologii Roślin
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego
Nowoursynowska 159, 02-776 Warszawa
E-mail: halina.slesak@uj.edu.pl
i.slesak@ifr-pan.krakow.pl
ODPOWIEDŹ ROŚLIN NA ZRANIENIE
WSTĘP
W odróżnieniu od zwierząt, większość
roślin jest przytwierdzona systemem korze-
niowym do podłoża, co powoduje brak moż-
liwości zmiany położenia organizmu i aktyw-
nego unikania zagrożenia związanego z ryzy-
kiem mechanicznego uszkodzenia. Jednym z
pytań, które można zadać jest, czy zranienie
rośliny prowadzi do określonej odpowie-
dzi fizjologiczno-biochemicznej o charakte-
rze obronnym i naprawczym? Wiele danych
wskazuje na to, że rośliny wykształciły odpo-
wiednik zwierzęcego systemu odpornościo-
wego, który indukowany jest w odpowiedzi
na zranienie i infekcję przez drobnoustroje
chorobotwórcze. W niniejszym artykule pod-
jęto próbę przedstawienia wybranych zagad-
nień, dotyczących mechanizmów obronnych
i odpowiedzi rośliny na zranienie.
DEFINICJA ZRANIENIA
Utrata integralności fizycznej komórek,
tkanek, czy organów rośliny, polegająca na
przerwaniu ciągłości ściany komórkowej
(apoplastu) może być ogólnie zdefiniowana
jako zranienie (ang. wounding), stres zranie-
nia czy też uszkodzenie mechaniczne. Stres
zranienia wywołany przez czynniki biotyczne
pojawia się najczęściej w wyniku żerowania
na roślinach owadów oraz całej grupy rośli-
nożerców należących do kręgowców. Obok
czynników biotycznych powodujących zra-
nienie, do uszkodzeń mechanicznych pro-
wadzą również czynniki fizyczne (abiotycz-
ne), takie jak np. wiatr, grad czy deszcz (
de
B
ruxelles
i r
oBerts
2001, l
eón
i współaut.
2001). Reakcja rośliny ujawnia się już po kil-
ku minutach od zranienia i obejmuje tworze-
nie cząsteczek sygnałowych, których prze-
mieszczanie się aktywuje określone grupy ge-
nów obronnych. Geny te kodują białka peł-
niące funkcje w szlakach przekazywania sy-
gnałów, naprawie uszkodzonych tkanek oraz
produkcji komponentów odstraszających ro-
ślinożerców, ograniczających ich żerowanie i
rozwój (s
zczegielniak
2007).
Wiele gatunków roślin wykształciło bier-
ne mechanizmy obronne przeciwko zranie-
niu. Należą do nich przede wszystkim przy-
stosowania o charakterze anatomiczno-mor-
fologicznym, takie jak: gruba kutikula na
powierzchni epidermy, kolce, ciernie, czy
adaptacje o charakterze chemicznym, np.
produkcja toksycznych dla roślinożerców
(np. larw owadów) substancji chemicznych
446
H
alina
Ś
lesak
, i
reneusz
Ś
lesak
Tabela 1. Przykłady wybranych związków chemicznych metabolizmu wtórnego produkowanych
przez rośliny w odpowiedzi na zranienie (wg c
onstaBel
1999, Ś
lesak
i współaut. 2001
).
Związek chemiczny
Gatunek
Związki fenolowe
Kwasy fenolowe, np. kwas chlorogenowy
Furanokumaryny, np. ksantotoksyna
Kumaryny, np. skopoletyna
Stilbeny, np. pinosylwina
Taniny
Ligniny
Lycopersicon esculentum, Solanum
sp.
Pastinaca sativa
Heliantus
sp.,
Nicotiana
sp.
Pinus radiata
Quercus
sp.,
Salix
sp.,
Betula
sp.
różne gatunki
Terpenoidy
Monoterpeny, kwasy diterpenowe
Alkaloidy steroidowe, np. solanidyna
Kukurbitacyny
Abies grandis
Solanum
sp.
Cucurbita maxima
Alkaloidy
Nikotyna
Alkaloidy tropanowe, np. apoatropina
Kwasy hydroksamowe
Nicotiana attenuata
Atropa acuminata
Triticum aestivum
w różnych organach roślinnych (c
onstaBel
1999, l
eón
i współaut. 2001, d
icke
i V
an
P
oecke
2002, k
essler
i B
aldwin
2002) (Ta-
bela 1).
W uszkodzonych komórkach dochodzi
do znacznego zaburzenia funkcji życiowych.
Oprócz ściany komórkowej, zazwyczaj zerwa-
niu podlega również ciągłość plazmolemy i
innych przedziałów komórkowych, np. wa-
kuoli, chloroplastów itp. (l
eón
i współaut.
2001). Zranienie tkanki roślinnej prowadzić
może do znacznej utraty wody, co w efekcie
wywołuje również objawy stresu wodnego.
W przypadku zranienia wywołanego przez
owady roślinożerne dodatkowym czynni-
kiem, oprócz zranienia mechanicznego, jest
oddziaływanie substancji chemicznych (tzw.
elicytorów) zawartych w ślinie owadów, któ-
re wzmacniają odpowiedź rośliny na uszko-
dzenie mechaniczne (d
icke
i V
an
P
oecke
2002, k
essler
i B
aldwin
2002).
Przykładem
są inceptyny, nowa klasa białkowych elicyto-
rów odkrytych w cofającym się, strawionym
pokarmie larw, żerujących na fasolniku chiń-
skim (
Vigna unguiculata
). Inceptyna w tak
małych ilościach jak 1 femtomol (10
–15
M)
na liść indukuje zwiększenie poziomu kwasu
jasmonowego (ang. jasmonic acid, JA) i kwa-
su salicylowego (ang. salicylic acid, SA) w
liściach, a także uwolnienie etylenu i terpe-
Ryc. 1. Ogólna charakterystyka odpowiedzi
rośliny na zranienie, które wywołuje tzw. od-
powiedź indukowaną (ang. induced response,
IR).
Pokazano wybrane substancje chemiczne produko-
wane w odpowiedzi na zranienie; H
2
O
2
: nadtlenek
wodoru, JA: kwas jasmonowy, MeJA: jasmonian me-
tylu, OGA: kwas oligogalakturonowy, ROS: reak-
tywne formy tlenu oraz lotne związki organiczne
(VOC), które są chemoatraktantami dla owadów dra-
pieżnych lub pasożytniczych atakujących roślinożer-
ców.
447
Odpowiedź roślin na zranienie
noidów (F
elton
i t
umlinson
2008). Zranio-
na roślina reaguje tzw. odpowiedzią aktywo-
waną zranieniem (ang. wound-activated re-
sponse), która ma na celu regenerację uszko-
dzonej tkanki i obronę organizmu przed
negatywnymi skutkami zranienia (l
eón
i
współaut. 2001). Uszkodzenie tkanki w okre-
ślonym miejscu wywołuje odpowiedź w ob-
rębie miejsca zranienia i wówczas mamy do
czynienia z tzw. odpowiedzią lokalną (ang.
local response). Jednocześnie informacja o
uszkodzeniu może być przekazywana do in-
nych, często odległych od miejsca zranienia,
nieuszkodzonych części rośliny. W tym dru-
gim przypadku odpowiedź rośliny ma cha-
rakter systemowy (ang. systemic response) i
często jest określana jako tzw. odpowiedź in-
dukowana (ang. induced response, IR) (Ryc.
1) (B
ostock
i współaut. 2001, l
eón
i współ-
aut. 2001).
SYGNAŁY O ZRANIENIU
Obserwowana na poziomie komórek i
tkanek odpowiedź jest wynikiem działania
całego zespołu czynników o charakterze
egzo- i endogennym (
de
B
ruxelles
i r
o
-
Berts
2001, l
eón
i współaut. 2001). Spośród
najwcześniejszych zdarzeń biochemicznych
zaangażowanych w odpowiedź na uszko-
dzenie tkanki należy wymienić zmiany w:
tzw. potencjale transbłonowym i wewnątrz-
komórkowym stężeniu jonów Ca
+2
, produk-
cję reaktywnych form tlenu (ang. reactive
oxygen spiecies, ROS), aktywację kanałów
jonowych i związanych z cytoszkieletem re-
ceptorów wrażliwych na zmiany napręże-
nia (ang. stretch-sensors) oraz modyfikacje
potranslacyjne białek (k
oo
i H
owe
2009).
Wiele zróżnicowanych pod względem che-
micznym cząsteczek regulatorowych jest za-
angażowanych w przekazywanie informacji
o zranieniu. Do podstawowych substancji
sygnałowych należą: systemina, oligosachary-
dy uwalniane z uszkodzonej ściany komórko-
wej, głównie kwas oligogalakturonowy (ang.
oligogalacturonic acid, OGA) i cząsteczki peł-
niące rolę hormonów. Do tej drugiej grupy
należą przede wszystkim kwas jasmonowy i
jego pochodne oraz etylen i kwas abscysyno-
wy (ang. abscisic acid, ABA) (Ryc. 1) (P
aul
i współaut. 2000,
de
B
ruxelles
i r
oBerts
2001, l
eón
i współaut. 2001).
Jak wspomniano powyżej, jedną z pod-
stawowych substancji, która pojawia się w
tkankach w wyniku zranienia jest systemina
(Ryc. 1, 2). Systeminę zidentyfikowano po-
czątkowo w liściach pomidora (
Lycopersicon
esculentum
), następnie ziemniaka (
Solanum
Ryc. 2. Model transdukcji sygnału zranienia w
odpowiedzi lokalnej i systemowej u
Lycopersi-
con esculentum
(wg o
rozco
-c
árdenas
i współ-
aut. 2001, g
ateHouse
2002, zmienione).
Uszkodzenie tkanki poprzez zranienie mechaniczne
lub atak roślinożercy aktywuje biosyntezę JA z kwa-
su linolenowego w tzw. szlaku oktadekanoidowym.
Kwas linolenowy powstaje w wyniku związania
przez odpowiedni receptor systeminy i aktywność
fosfolipazy PLA
2
.
JA może być metabolizowany do
różnych pochodnych, spośród których pokazano
MeJA. OGA może aktywować oksydazę NADPH w
błonie komórkowej, co prowadzi do produkcji ROS,
głównie H
2
O
2
. W odpowiedź systemową zaangażo-
wana jest systemina i pochodne JA. W efekcie tej
odpowiedzi roślina produkuje PIN, PPO oraz wiele
związków metabolizmu wtórnego (l
eón
i współaut.
2001); CM: kalmodulina, ko: komórki okołowiązko-
we, MeJA: jasmonian metylu, OGA: kwas oligogalak-
turonowy, PIN: inhibitory proteinaz, PLA
2
: fosfolipa-
za A
2
, PPO: oksydaza polifenolowa, R: receptor dla
systeminy (SR 160), wp: wiązka przewodząca.
448
H
alina
Ś
lesak
, i
reneusz
Ś
lesak
tuberosum
), papryki (
Capsicum
sp.) i wilczej
jagody (
Atropa belladonna
) (s
zczegielniak
2007).
Systemina jest 18-aminokwasowym
oligopeptydem, który powstaje w wyniku
zranienia z 200-aminokwasowego prekursora
tzw. prosysteminy (m
atsuBayasHi
i współaut.
2001, r
yan
i współaut. 2002). Biosynteza
prosysteminy zachodzi w komórkach mię-
kiszowych floemu (n
arVaez
-V
asquez
i r
yan
2004). Systemina jest oligopeptydem, który
pojawia się zarówno w odpowiedzi lokalnej
jak i systemowej, albowiem może być trans-
portowana na duże odległości w obrębie ro-
śliny (
de
B
ruxelles
i r
oBerts
2001, l
eón
i
współaut. 2001). Stwierdzono, że systemina
jest transportowana w soku floemowym, acz-
kolwiek mechanizm tego transportu nie zo-
stał dotychczas szczegółowo poznany (r
yan
i współaut. 2002). Aktywność fizjologiczną
systemina wykazuje już w ilościach femtomo-
lowych (w przeliczeniu na świeżą masę rośli-
ny) i dlatego zaliczana jest do grupy peptydo-
wych hormonów roślinnych (m
atsuBayasHi
i
współaut. 2001, r
yan
i współaut. 2002). Jej
główną funkcją jest indukcja genów dla in-
hibitorów proteinaz (
PIN
). Inhibitory prote-
inaz (PIN) mają kluczowe znaczenie w ge-
nerowaniu odporności roślin na zranienie
i atak roślinożerców. Ich działanie obronne
polega na inaktywacji enzymów trawiennych
owadów, takich jak trypsyna i chymotryp-
syna (c
onstaBel
1999, k
essler
i B
aldwin
2002). W ziemniaku i pomidorze stwierdzo-
no indukcję serynowych inhibitorów pro-
teinaz i wyróżniono ich
dwie rodziny, tzw.
PIN I i PIN II (c
onstaBel
1999, r
yan
2000).
Z liści pomidora (
Lycopersicon esculentum
)
wyizolowano też trzy bogate w hydroksy-
prolinę glikopeptydy, o długości: 20, 18 i 15
aminokwasów, które były odpowiedzialne
za aktywację genów obronnych, podobnie
jak systemina (P
earce
i r
yan
2003). Pepty-
dy te powstają z pojedynczego, indukowa-
nego zranieniem prekursora o długości 146
aminokwasów. Traktowanie młodych łodyg
pomidora tymi peptydami w ilościach fem-
tomolowych indukowało syntezę białek PIN,
co sugeruje, że stanowią one istotną część
sygnału o zranieniu, który z kolei aktywuje
obronę przeciwko roślinożercom i patoge-
nom. Uważa się, że wymienione wyżej pepty-
dy zaliczane do rodziny systemin, są syntety-
zowane w odpowiedzi na atak roślinożerców
lub inne uszkodzenie mechaniczne, zarówno
w liściach uszkodzonych jak i w tych niezra-
nionych (P
earce
i r
yan
2003). U tytoniu na-
tomiast opisano dwa polipeptydy powstające
z 165 aminokwasowego prekursora, nie wy-
kazującego homologii do prosysteminy. Ak-
tywują one syntezę obronnych białek PIN w
sposób zbliżony do systeminy. Wskazuje to,
że strukturalne różnice pomiędzy hormona-
mi peptydowymi różnych gatunków roślin
nie stanowią przeszkody, aby hormony te
pełniły podobną funkcję. Co ciekawe, sytu-
acji takiej nie spotyka się w świecie zwierząt
(P
earce
i wpółaut. 2001).
Obok wspomnianych związków chemicz-
nych wskazuje się również inne czynniki
lub układy sygnałowe uczestniczące w odpo-
wiedzi systemowej. Zalicza się do nich im-
pulsy elektryczne pojawiające się w wyniku
zranienia, jak również falę hydrauliczną (
de
B
ruxelles
i r
oBerts
2001, l
eón
i współaut.
2001).
W wyniku uszkodzenia tkanki obserwuje
się również wzmożoną produkcję reaktyw-
nych form tlenu (ROS), takich jak aniono-
rodnik ponadtlenkowy (O
2
ˉ
˙
) czy nadtlenek
wodoru (H
2
O
2
). W obrębie liścia H
2
O
2
był
generowany zarówno w odpowiedzi lokal-
nej, jak i systemowej (o
rozco
-c
ardenas
i
r
yan
1999). o
rozco
-c
ardenas
i r
yan
(1999)
stwierdzili ponadto, że zarówno uszkodzenie
mechaniczne, jak i obecność systeminy, OGA
i JA wywołują akumulację H
2
O
2
w tkankach
na drodze systemowej. Badania prowadzo-
ne na
Pisum sativum
przez l
iu
i współaut.
(2008) dowiodły, że zarówno JA jak i H
2
O
2
są włączone w transdukcję sygnału o zranie-
niu i odgrywają ważną rolę w odpowiedzi
obronnej indukowanej zranieniem. Uszko-
dzenie stymuluje szybką syntezę
de novo
JA.
Zwiększony poziom JA wywołuje natomiast
produkcję H
2
O
2
przez błonową oksydazę
NADPH. Ponadto, o
rozco
-c
árdenas
i współ-
aut. (2001) wykazali, że egzogenny H
2
O
2
in-
dukował ekspresję genów
PIN
. Na skutek
uszkodzenia mechanicznego stwierdzono
również wzrost aktywności jednego z pod-
stawowych enzymów antyoksydacyjnych ja-
kim jest dysmutaza anionorodnika ponadtlen-
kowego (ang. superoxide dismutase, SOD)
(c
Handru
i współaut. 2003, Ś
lesak
i współ-
aut. 2008) oraz wzrost aktywności niespecy-
ficznych oksydaz polifenolowych (ang. po-
lyphenol oxidase, PPO), a także peroksydaz
(c
onstaBel
1999, g
ateHouse
2002). Oksyda-
zy polifenolowe katalizują reakcje utleniania
związków monofenolowych i
orto
-difenolo-
wych przy udziale tlenu cząsteczkowego, a
produktem ich działania są wysoce reaktyw-
ne
orto
-chinony, które spontanicznie polime-
ryzują z innymi biomolekułami. Efektem tych
449
Odpowiedź roślin na zranienie
reakcji jest charakterystyczne brązowienie
tkanki w miejscu zranienia. Wiązanie się chi-
nonowych pochodnych z białkami prowadzi
do ich wytrącania i utrudnia trawienie ta-
kich kompleksów roślinożercom (c
onstaBel
1999). Peroksydazy natomiast utleniają wiele
substancji, m. in. związki fenolowe. Ocenia
się, że zasadniczą funkcją peroksydaz w reak-
cji na zranienie jest udział w procesach na-
prawczych, takich jak biosynteza ligniny pod-
czas odbudowy uszkodzonej ściany komór-
kowej (c
onstaBel
1999). W reakcjach kata-
lizowanych przez peroksydazy substratem
jest H
2
O
2
, stąd też nadtlenek wodoru, oprócz
wspomnianych wcześniej funkcji sygnało-
wych, pełni również rolę czynnika uczest-
niczącego w naprawie ściany komórkowej
i ograniczającego wzrost mikroorganizmów
chorobotwórczych, które mogą wnikać do
zranionej tkanki. Opisana powyżej wzmożo-
na produkcja H
2
O
2
,
jaką obserwuje się w wy-
niku zranienia, jest bardzo podobna do ana-
logicznego procesu, który ma miejsce pod-
czas zakażenia rośliny patogenami (H
eatH
2000, B
ostock
i współaut. 2001). Co cieka-
we, podobne zjawisko zwiększonej produkcji
ROS, tzw. „wybuch tlenowy” (ang. oxidative
burst), występuje u ssaków podczas reakcji
neutrofili na stan zapalny wywołany wnik-
nięciem do organizmu drobnoustrojów cho-
robotwórczych (l
ütHje
i współaut. 2000).
Innym ważnym czynnikiem chemicz-
nym, zaangażowanym w odpowiedź lokalną,
jest wspomniany wcześniej OGA (Ryc. 1, 2).
Związek ten jest produktem hydrolizy polisa-
charydów ściany komórkowej, katalizowanej
przez poligalakturonazę mikroorganizmów
chorobotwórczych (g
ateHouse
2002). o
roz
-
co
-c
ardenas
i współaut. (2001) sugerują, że
poligalakturonaza w obrębie komórek oko-
łowiązkowych może aktywować błonową
oksydazę NADPH, która z kolei przyczynia
się do wzmożonej produkcji O
2
ˉ
˙
i H
2
O
2
. W
tym modelu wiązki przewodzące stanowiły-
by główny system, który umożliwia transport
nadtlenku wodoru (Ryc. 2). Endogenne po-
chodzenie oligogalakturonidów potwierdzają
wyniki doświadczeń, w których systemina
indukowała gen dla poligalakturonazy. Po-
nadto, oligogalakturonidy aktywują ekspresję
indukowanych zranieniem genów
PIN
u
So-
lanaceae.
Chociaż oligosacharydy mogą po-
chodzić z mechanicznego uszkodzenia ścian
komórek roślinnych, indukowane zranieniem
geny poligalakturonazy, opisane u pomidora,
mogą być odpowiedzialne za produkcję en-
dogennych oligogalakturonidów podczas zra-
nienia. Biorąc pod uwagę fakt, że poligalak-
turonidazy są indukowane przez systeminę,
oligogalakturonidy mogą reprezentować etap
pośredni w sygnalizacji odpowiedzi lokalnej,
już po wytworzeniu systeminy w miejscu
uszkodzenia. Ponadto, w komórkach pomido-
ra oligogalakturonidy wywołują „wybuch tle-
nowy”, co sugeruje, że przynajmniej w tym
przypadku sekwencja zdarzeń: zranienie
→
systemina
→
oligogalakturonidy
→
ROS nale-
ży do tego samego szlaku transdukcji sygna-
łu. Natomiast u
Arabidopsis
oligogalakturoni-
dy pośredniczą w zahamowaniu szlaku sygna-
łowego zależnego od JA, oddziałując lokalnie
poprzez produkcję etylenu w uszkodzonych
tkankach. Z kolei w odpowiedzi systemowej
w pełni funkcjonuje ścieżka sygnałowa zależ-
na od JA (l
eón
i współaut. 2001).
ROLA FITOHORMONÓW
Wspólną cechą odpowiedzi na zranienie
u roślin, związaną z pojawieniem się systemi-
ny i OGA, jest lokalna i systemowa akumula-
cja JA i ABA (
de
B
ruxelles
i r
oBerts
2001,
l
eón
i współaut. 2001, g
ateHouse
2002).
Przypuszcza się, że za wzmożoną produkcję
ABA na skutek zranienia odpowiedzialne jest
odwodnienie tkanek (r
eymond
i współaut.
2000). Niemniej jednak nie wiadomo, który
z etapów biosyntezy ABA jest aktywowany
przez zranienie. Dobrze udokumentowany
jest fakt, że
poziom ABA rośnie w tkankach
roślinnych poddanych stresowi suszy (w
il
-
kinson
i d
aVies
2002) i przypuszcza się, że
szlak syntezy ABA w zranionych organach
przebiega podobnie jak w przypadku stresu
wodnego (l
eón
i współaut. 2001).
KWAS JASMONOWY i jego PocHodne
Istotną rolę w odpowiedzi roślin na zranie-
nie odgrywa wspomniany już kwas jasmono-
wy. W ostatniej dekadzie zbadano szlak sygna-
łowy z udziałem JA u przedstawicieli roślin
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

happyhour.opx.pl