Interakcje między abiotycznymi i biotycznymi czynnikami stresowymi: od teorii do praktyki Elżbieta Kuźniak Joanna Chojak

Transkrypt

1 Katedra Fizjologii i Biochemii Roślin Uniwersytetu Łódzkiego Interakcje między abiotycznymi i biotycznymi czynnikami stresowymi: od teorii do praktyki Elżbieta Kuźniak Joanna Chojak

2 Plan wykładu Przykłady interakcji abiotycznych i biotycznych czynników stresowych Wspólne i swoiste elementy odpowiedzi komórki roślinnej na różne czynniki stresowe Konwergencja szlaków sygnałowych aktywowanych w odpowiedzi na stres deficytu wody i stres biotyczny Reaktywne formy tlenu, stan redoks i fitohormony jako kluczowe mediatory odpowiedzi rośliny na stres wieloczynnikowy Znaczenie badań nad stresem wieloczynnikowym u roślin

3 Wpływ przewidywanych zmian klimatu na rolnictwo wzrost średniej temperatury o 1-2,5 o C do 2030 roku wzrost stężenia CO 2 zmiany w ilości i rozkładzie opadów, temperatury, nasłonecznienia ZMIANY W PLONOWANIU ROŚLIN Raport IPCC, 2007

4 W warunkach naturalnych rośliny narażone są na działanie stresu wieloczynnikowego Suzuki et al., New Phytol 2014; 203: Mittler, Trends Plant Sci 2006; 11: 15-19

5 Oddziaływanie roślina - środowisko Interakcje między szlakami sygnałowymi (ang. cross talk) zachodzą na wielu płaszczyznach Cross-talk ma znaczenie gdy rośliny narażone są na sekwencyjne lub równoczesne działanie wielu czynników stresowych

6 Tolerancja krzyżowa Stres biotyczny Infekcja Rhizobacterium Ozon Stres abiotyczny + Susza + Susza + Infekcja bakteryjna + Infekcja bakteryjna Stres abiotyczny Stres biotyczny Tippmann i wsp., Biotic and abiotic stress signaling, 2006, 52-67

7 Efekty działania stresu wieloczynnikowego 7 dni 7 dni Kontrola P. syringae (Psl) 50 mm NaCl 50 mm NaCl+Psl Kontrola Psl NaCl + Psl 24,7 0,9 mm 2 40,9 2,4 mm 2 NaCl Psl Analiza Chojak i wsp., Veget Crops Res Bull 2012; 77:5-16

8 Rizhsky et al. Plant Physiol. 2004;134: Efekty działania stresu wieloczynnikowego Reakcja rośliny na działanie pojedynczego stresora i dowolnej kombinacji stresów jest specyficzna

9 Stres abiotyczny Susza Stres solny Chłód Stres cieplny Stres świetlny Generowanie RFT Redoks Stres biotyczny Patogeny Szkodniki Hormony ABA, SA, JA, ET Kinazy Kinazy MAP Czynniki transkrypcyjne MYC, MYB, NAC, ZF, HSF Odpowiedzi na stres Curr Opin Plant Biol 2006, 9:

10 RFT w stresie biotycznym i abiotycznym Cucurbita maxima O 2 - O 2 - Cucumis sativus 6h 24h 48h H 2 O 2 6h 24h 72h Kuźniak et al., J Plant Interact 2013; 9:

11 RFT w stresie biotycznym i abiotycznym Błony komórkowe Chloroplasty Peroksysomy RFT Mitochondria Retikulum endoplazmatyczne DZIAŁANIE UŻYTECZNE Przekazywanie sygnału Regulacja transkrypcji Kaskadowa reakcja z udziałem kinaz białkowych Czynniki transkrypcyjne Transkrypcja DZIAŁANIE DESTRUKCYJNE Stres oksydacyjny Degradacja na poziomie molekularnym (białka, lipidy, DNA, barwniki) Degradacja na poziomie komórkowym Śmierć komórki Szymańska & Strzałka Post Biochem 2010; 56,

12 Bailey-Serres and Mittler, Plant Physiol. 2006;141:311 Sygnatura reaktywnych form tlenu Realizacja odpowiedzi na stres wymaga sprawnie działającej sygnalizacji na poziomie: - subkomórkowym (mitochondria-chloroplasty) - międzykomórkowym - międzyorganowym (korzeń-pęd)

13 Kompartmentacja odpowiedzi na stres Neill et al., Curr Opin Plant Biol 2002; 5: Kużniak & Skłodowska., J Exp Bot 2005; 413:

14 Regulacyjna funkcja chloroplastów

15 Odbiór i przekazywanie sygnału o stresie UV-B Chłód Stres świetlny Stres cieplny Zasolenie Deficyt składników mineralnych Metale śladowe Susza Stres biotyczny SENSORY PS I* PS II** Rubisco SYGNAŁY Zaburzenia równowagi energetycznej - reakcji fotochemicznych Zaburzenia - genetycznym - zmiana równowagi - metabolicznym statusu redoks redoks Generowanie ROS Zmiany poziomu cukrów Transdukcja sygnału AKLIMATYZACJA Krótkookresowa - rozpraszanie Przeprogramowanie nadmiaru na poziomie: energii Długookresowa - zmiana ekspresji genów - modyfikacje białek stresowych Wg Biswal i wsp., Curr Sci 2011; 101:47-56

16 Lokalna i systemiczna odpowiedź na stres Baxter et al., 2014; J Exp Bot 65: Suzuki et al., 2013; Plant Cell 25:

17 Efekty działania stresu wieloczynnikowego

18 Metaboliczne podstawy aklimatyzacji roślin do stresu Szabados & Savouré; Trends Plant Sci, 2010; 15: Chojak et al., Veget Crops Res Bull 2012; 77:5-16 LEAVES ROOTS

19 Metaboliczne podstawy aklimatyzacji roślin do stresu

20 Efekty działania stresu wieloczynnikowego Psl Psl +NaCl 1 2 ODPORNOŚĆ ROS ABA Proteoliza Moreau et al., Cell Res 2012; 22: ; Pieterse et al., Nat Chem Biol 2009; 5: STRES OKSYDACYJNY

21 Analiza odpowiedzi roślin na czynniki stresowe LABORATORIUM WARUNKI POLOWE Jeden stresor Kontrolowane warunki doświadczenia Jeden cykl stres/restytucja Jedno stadium rozwojowe rośliny Standaryzacja warunków glebowych Rośliny modelowe Wysoka intensywność oświetlenia Silny stres Ograniczona objętość gleby Stres wieloczynnikowy Zmienne warunki doświadczenia Kilka cykli stres/restytucja Interakcja stres/stadium rozwojowe Interakcje z innymi organizmami Zmienne warunki pogodowe Zmienne natężenie i czas trwania stresu Naturalny stosunek korzeń/pęd

22 Znaczenie badań nad stresem wieloczynnikowym TRANSKRYPTOM PROTEOM METABOLOM Znajomość mechanizmów tolerancji krzyżowej i odpowiedzi na stres wieloczynnikowy Selekcja i hodowla roślin odpornych na kilka stresów środowiskowych