Wstęp Odpowiedź na stres Podsumowanie. Fizjologia i Regulacja Metabolizmu. Jarosław Szczepanik

Transkrypt

1 ROŚLINY I STRES Fizjologia i Regulacja Metabolizmu Jarosław Szczepanik Zakład Ekofizjologii Molekularnej Roślin, Instytut Biologii Eksperymentalnej i Biotechnologii Roślin

2 Plan prezentacji 1 Wstęp Definicje 2 Odpowiedź na stres Stres a organizm Stres oksydacyjny i nitrozacyjny Osmoregulacja Hormony stresu roślin Specyfika stresów biotycznych Ochrona systemu przewodzącego 3 Podsumowanie Diagnoza stresu u roślin

3 Wstęp Odpowiedź na stres Podsumowanie Czym jest stres? Kreeb, 1979 J. Szczepanik BiBS, FiRM: Stres roślin

4 Stres definicje STRESOR abiotyczny lub biotyczny czynnik środowiska ograniczający procesy życiowe organizmu STRES zmiana funkcji organizmu w odpowiedzi na czynnik stresowy, uzależniona od czasu trwania i natężenia bodźca

5 Stres definicje ADAPTACJA odziedziczalna modyfikacja cech organizmu danego gatunku, rasy, odmiany lub populacji, pozwalająca im przetrwać w danym środowisku oraz przekazać te cechy potomstwu AKLIMATYZACJA niedziedziczna zmiana struktury i funkcji organizmu zachodząca w reakcji na czynnik stresowy lub wyprzedzające przygotowanie rośliny do niekorzystnych warunków środowiska

6 Stres definicje UNIKANIE zapobieganie lub opóźnianie ustalenia się równowagi termodynamicznej z czynnikiem stresowym dzięki barierom fizycznym, chemicznym lub rozwojowym TOLERANCJA zapobieganie skutkom działania stresu lub tolerowanie tych skutków

7 Czynniki stresowe STRESY ABIOTYCZNE promieniowanie stresy mechaniczne woda nutrienty temperatura czynniki antropogeniczne STRESY BIOTYCZNE patogeny drapieżnictwo inne rośliny

8 Efekt działania stresu a czas Rank i in., 1991

9 Fazy reakcji organizmu na stres 1 Faza alarmu spadek odporności pierwsza reakcja na stresor 2 Faza restytucji naprawa uszkodzeń (wzrost odporności) 3 Faza odporności (aklimatyzacji) wysoka odporność odpowiedź fizjologiczna 4 Faza wyczerpania zbyt długi czas działania stresu spadek odporności chroniczne uszkodzenia organizmu

10 Wspólny mianownik odpowiedzi na stres Stres Wolne rodniki Ca 2+ w cytozolu Osmoregulacja ABA mróz chłód przegrzanie +? +? susza zasolenie anoksja +?? + metale ciężkie +???

11 Reaktywne formy tlenu i azotu 1 Reaktywne formy tlenu (ROS): wolne rodniki (ponadtlenkowy, hydroksylowy) nadtlenek wodoru ozon tlen singletowy 2 Reaktywne formy azotu (RNS): tlenek azotu rodnik peroksynitrolowy nitrozoglutation

12 ROS jako produkt uboczny metabolizmu van Breusegem, 1998

13 ROS jako produkt uboczny metabolizmu Ślesak i in., 2007

14 Stres oksydacyjny stres oksydacyjny brak równowagi pomiędzy produkcją a usuwaniem ROS gromadzenie ROS prowadzi do uszkodzeń błon, białek, DNA stresy wpływają na zaburzenie tej równowagi, stymulują produkcję ROS (wtórny stres oksydacyjny)

15 Systemy antyutleniające dysmutaza ponadtlenkowa (SOD) katalaza cykl glutationowy (peroksydaza glutationowa (tworzy GSSG) i reduktaza glutationowa (odtwarza GSH, zużywa NADPH) glutation (GSH) jest antyoksydantem, jego forma utleniona (GSSG) jest toksyczna cykl askorbinowy (witamina C) tokoferol (witamina E) flawonoidy karotenoidy różne systemy antyutleniające współpracują ze sobą (np. cykl glutationowo-askorbinianowy glutation, askorbinian oraz SOD)

16 Cross-talk systemów antyutleniających Szarka i in., 2012

17 Karotenoidy a promieniowanie Rimiki i in., 1999

18 Cykl ksantofilowy Foyer i Horbison, 1999

19 ROS a rodzaj stresu Stres abiotyczny: wzrost produkcji ROS natychmiastowe zmiatanie ROS aktywacja systemów antyultleniających Stres biotyczny: nadprodukcja ROS (oksydaza NADPH) wygaszenie systemów antyutleniających miejscowa PCD, nekrozy uruchomienie odpowiedzi obronnych

20 Reaktywne formy azotu (RNS) produkt uboczny metabolizmu azotanów i argininy powodują głównie uszkodzenia białek i lipidów (stres nitrozacyjny) usuwanie RNS odbywa się przy pomocy glutaionu, hemoglobin lub ROS zarówno metabolizm, jak i rola ROS oraz RNS zazębiają się ROS i RNS są zarówno substancjami toksycznymi, jak i cząsteczkami sygnałowymi (NO, nadtlenek wodoru) niezwykle ważne w procesie kiełkowania

21 ROS i RNS jako cząsteczki sygnałowe Szymańska i Strzałka, 2010

22 ROS i RNS a hormony

23 Osmoregulacja regulacja ciśnienia osmotycznego w komórkach ma miejsce wówczas, kiedy zaburzona zostaje równowaga wodna komórki (mróz, susza, zasolenie) komórka przeciwdziała utracie wody zwiększając stężenie substancji osmotycznie czynnych

24 Substancje osmotycznie czynne prolina polialkohole (poliole) sorbitol, mannitol, gricerol betaina glicynowa cukry: glukoza, sacharoza, trehaloza, mannoza, fruktoza, galaktoza, rafinoza, stachioza, laktoza, oligosacharydy

25 Prolina Szabados i Savoure, 2009

26 Kwas abscysynowy SYNTEZA izoprenoid synteza głównie w dojrzałych organach DZIAŁANIE antagonista większości hormonów hamuje wzrost i kiełkowanie stymuluje spoczynek i starzenie w warunkach stresu odpowiada za zamykanie szparek zwiększa odporność na stresy reguluje przepływ przez PD brak ABA w nasionach powoduje kiełkowanie na roślinie macierzystej

27 Stres i transport ABA Davies i Zhang, 1991

28 Stres i transport ABA Sauter i in., 2001

29 Stres i transport ABA Taiz i Zeiger, 2000

30 Etylen SYNTEZA synteza z metioniny (ACC prekursor) powstaje w różnych częściach rośliny szczególnie intensywnie w tkankach merstematycznych, starzejących się, dojrzewających owocach, pod wpływem anoksji lub innych stresów DZIAŁANIE indukcja epinastii (zalanie korzeni, wykł. 1) dojrzewanie owoców stymulacja kiełkowania przyspieszanie starzenia i opadania organów indukcja wzrostu na grubość, hamowanie wzrostu elongacyjnego

31 Jasmonidy SYNTEZA pochodne kwasu linolenowego kwas jasmonowy i ester metylowy kwasu jasmonowego (forma lotna), koniugaty z aa i cukrami DZIAŁANIE podobnie do ABA hamuje wzrost, stymuluje starzenie, dojrzewanie i opadanie organów hamuje fotosyntezę pełni szczególną rolę w odpowiedzi stres UV, ozon, zranienie najważniejszy podczas odpowiedzi na stresy biotyczne (polipetyd systemina indukuje lipazę, ta uwalnia kwas linolenowy)

32 JA i obrona systemiczna Stratmann, 2003

33 Systemina i JA Systemina jest polipeptydem bogatym w hydroksyprolinę

34 Obrona przed stresami biotycznymi zróżnicowana odpowiedź w zależności od rodzaju i wielkości napastnika, miejsca ataku obrona chemiczna (produkcja ROS, fitoaleksyny, fenole, flawonoidy, glikozydy, nikotyna, neurotoksyny) obrona mechaniczna (czopowanie ksylemu i floemu, żywice, włoski pokryte śluzem, kolce, gruczoły parzące) powszechna zmiana struktury ściany komórkowej, zamykanie plazmodesm, odkładanie kalozy nekrozy, odcinanie zakażonej tkanki

35 Obrona przed stresami biotycznymi rośliny posiadają wyłącznie nieswoisty system odpornościowy są w stanie rozpoznawać białka i substancje obcego pochodzenia na poziomie komórkowym w przypadku dużego nasilenia infekcji, dochodzi do reakcji nadwrażliwości (HR), skutkującej nekrozą regiony zakażenia są źródłem informacji systemicznej (przekazywanej systemem przewodzącycm, przygotowującej inne części rośliny do obrony) HR i rozrost nekroz są niezbędne do aktywacji odporności systemicznej (SAR)

36 Patogeneza u roślin rozpoznanie obcych białek i toksyn (Pattern Recognition Receptors) na tym etapie zatrzymywana jest większość patogenów (stąd specjalizacje co do konkretnych gatunków roślin) patogeny, które ominą PRR, muszą stawić czoła białkom R działają podobnie do PRR, ale intensywniej uaktywnienie ścieżki systemicznej (hormony, białka PR) białka PR (Pathogenesis Related) są najczęściej hydrolazami, chitynazami itp. w zależności od rodzaju patogena, różne hormony/regulatory: biotrof (nie niszczy komórek) kwas salicylowy, nekrotrof JA i etylen

37 Odporność roślin białka R Białkami R scą zarówno RPM1/RPS2 CC-NBS-LRR (coiled coil nucleotide-binding site-leucine-rich repeat), jak i RIN4. Spoel i Dong, 2012

38 Pamięć immunologiczna roślin Pamięć immunologiczna (epigenetyczne modyfikacje genomu) mogą utrzymywać się kilka tygodni. Niektóre mogą być dziedziczone (gamety tworzone z komórek somatycznych, a nie z osobnej linii). Spoel i Dong, 2012

39 Od odpowiedzi miejscowej do systemicznej Jones i Dangl, 2012

40 Od odpowiedzi miejscowej do systemicznej Buchannan, 2000

41 Odporność roślin w skali ewolucyjnej Jones i Dangl, 2012

42 Ochrona ksylemu część bakterii i grzyby chętnie zasiedlają ksylem ochrona polega na tworzenie tyloz okluzje z wrostów parenchymy drzewnej do światła naczyń; czopowanie naczyń oraz zamknięcie patogena wewnątrz nie wszystkie rośliny potrafią skutecznie tworzyć tylozy (i nie przeciw wszystkim patogenom) zbyt dużo tyloz naraża roślinę na stres suszy

43 Ochrona ksylemu Yadeta i Tomma, 2013

44 Ochrona floemu kaloza kaloza β 1,3 glukan syntaza kalozy w ścianie komórkowej odkładanie kalozy odpowiada za zamykanie się plazmodesm (tworzy zwieracze) oraz zaczopowanie płytek sitowych na zdjęciu obok płytka sitowa bambusa: 0 minut (B), 3 minuty (C), 10 minut (D, E) i 20 minut od zranienia (F) Mullendore i in., 2010

45 Ochrona floemu mszyce wektor dla wirusów i innych patogenów elastyczny aparat gębowy wkłuwa się, minimalizując uszkodzenia potrafią wybierać najlepsze rurki sitowe analogie z komarami i pijawkami ewolucyjny wyścig zbrojeń czopowanie floemu, plazmodesmy, PRs

46 Styleoktomia Tjallingli, 2006

47 Styleoktomia Tjallingli, 2006

48 Obrona roślin a zapis kopalny

49 Stres a rośliny podsumowanie inna odpowiedź na stres biotyczny i abiotyczny wspólne mianowniki działania wielu stresów (ROS, RNS, osmotika, wapń, białka PR, białka HSP) ściana, błona, plazmodesmy oraz aparat fotosyntetyczny zazwyczaj reagują jako pierwsze odpowiedź miejscowa (nadwarażliwość ) i systemiczna siła odpowiedzi zależy od genomu, wieku, kondycji fizjologicznej rośliny rośliny nie umieją odpowiadać specyficznie na stres, którego nie znali ich przodkowie odpowiedź nieswoista (indukcja wielu mechanizmów) pamięć immunologiczna roślin, dziedziczenie nabytej odporności

50 Diagnoza stresu u roślin spadek fluorescencji chlorofilu (norma 0,7) najszybsza i najmniej inwazyjna metoda oceny kondycji roślin nekrozy wzrost stężenia proliny produkcja ABA, SA wysoka zawartość ROS, wysoka aktywność enzymów antyutleniających