ROŚLINY I STRES Fizjologia i Regulacja Metabolizmu Jarosław Szczepanik Zakład Ekofizjologii Molekularnej Roślin, Instytut Biologii Eksperymentalnej i Biotechnologii Roślin
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
Wstęp Odpowiedź na stres Podsumowanie Czym jest stres? Kreeb, 1979 J. Szczepanik BiBS, FiRM: Stres roślin
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
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
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
Czynniki stresowe STRESY ABIOTYCZNE promieniowanie stresy mechaniczne woda nutrienty temperatura czynniki antropogeniczne STRESY BIOTYCZNE patogeny drapieżnictwo inne rośliny
Efekt działania stresu a czas Rank i in., 1991
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
Wspólny mianownik odpowiedzi na stres Stres Wolne rodniki Ca 2+ w cytozolu Osmoregulacja ABA mróz + + + + chłód + + + + przegrzanie +? +? susza + + + + zasolenie + + + + anoksja +?? + metale ciężkie +???
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
ROS jako produkt uboczny metabolizmu van Breusegem, 1998
ROS jako produkt uboczny metabolizmu Ślesak i in., 2007
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)
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)
Cross-talk systemów antyutleniających Szarka i in., 2012
Karotenoidy a promieniowanie Rimiki i in., 1999
Cykl ksantofilowy Foyer i Horbison, 1999
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
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
ROS i RNS jako cząsteczki sygnałowe Szymańska i Strzałka, 2010
ROS i RNS a hormony
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
Substancje osmotycznie czynne prolina polialkohole (poliole) sorbitol, mannitol, gricerol betaina glicynowa cukry: glukoza, sacharoza, trehaloza, mannoza, fruktoza, galaktoza, rafinoza, stachioza, laktoza, oligosacharydy
Prolina Szabados i Savoure, 2009
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
Stres i transport ABA Davies i Zhang, 1991
Stres i transport ABA Sauter i in., 2001
Stres i transport ABA Taiz i Zeiger, 2000
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
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)
JA i obrona systemiczna Stratmann, 2003
Systemina i JA Systemina jest polipeptydem bogatym w hydroksyprolinę
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
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)
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
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
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
Od odpowiedzi miejscowej do systemicznej Jones i Dangl, 2012
Od odpowiedzi miejscowej do systemicznej Buchannan, 2000
Odporność roślin w skali ewolucyjnej Jones i Dangl, 2012
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
Ochrona ksylemu Yadeta i Tomma, 2013
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
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
Styleoktomia Tjallingli, 2006
Styleoktomia Tjallingli, 2006
Obrona roślin a zapis kopalny
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
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