RODZAJE I MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA INDUKOWANEJ ODPORNOŚCI ROŚLIN

RODZAJE I MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA INDUKOWANEJ ODPORNOŚCI ROŚLIN Urszula Złotek Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Katedra Biochemii i Chemii Żywności Streszczenie: W ochronie roślin uprawnych kładzie się ostatnio nacisk nie tylko na wielkość plonu, ale również na jakość uzyskanego produktu oraz ochronę środowiska. Rośliny dysponują zespołem mechanizmów odpornościowych zarówno stałych, jak i indukcyjnych. Niniejszy artykuł przeglądowy omawia główne rodzaje odporności indukowanej z uwzględnieniem wykorzystania mechanizmów odporności systemicznej w ochronie roślin uprawnych. Odporność systemiczna może być wykorzystana zwłaszcza w uprawach, w których nie można stosować pestycydów bądź ze względu na uodpornienie się patogenów na nie, bądź dla upraw dla których pożądana jest bardzo niska bądź zerowa tolerancja na pozostałość pestycydów. Dlatego celowe i konieczne jest sprawdzenie jak znane stymulatory odporności wpływają na rośliny dotychczas nie badane. Słowa kluczowe: nabyta odporność systemiczna, indukowana odporność systemiczna, elicytory, ochrona roślin. Ochronie roślin przed patogenami stawiane są ostatnio coraz większe wymagania. Dotyczą one nie tylko ilości uzyskanego plonu, ale kładzie się obecnie nacisk także na jakość uzyskanego produktu oraz na ochronę środowiska. Rośliny dysponują zespołem mechanizmów odpornościowych zarówno stałych, jak i indukcyjnych (Rys.1). Z uwagi na to coraz więcej uwagi poświęca się badaniom mechanizmów odpornościowych konstytutywnych i indukcyjnych jakimi dysponują rośliny [Pospieszny 2000a i b]. Odporność roślin Indukowana Konstytutywna Bariery morfologiczno-anatomiczne Fizjologiczno-anatomiczne właściwości rośliny Rys. 1. Podział odporności roślin 1

Odpowiedź rośliny na działanie patogena może mieć charakter lokalny bądź systemowy. Pierwszą reakcją na atak patogena jest często reakcja nadwrażliwości (HR, hypersensitive response) wywoływana przez roślinę w celu ograniczenia rozprzestrzeniania się patogena, a objawiająca się lokalną martwicą komórek wokół zakażonego miejsca. Wynikiem HR oprócz zamierania tkanek są często zmiany w metabolizmie rośliny prowadzące do produkcji metabolitów uruchamiających mechanizmy wytwarzania odporności systemicznej [Kombrink i Schmelzer 2001, Ollerstaml i in. 2002]. Odporność systemiczną nabywaną przez rośliny można podzielić na dwa główne typy: - nabyta odporność systemiczna (SAR, systemic acquired resistance ) - indukowana odporność systemiczna (ISR, induced systemic resistance ). (Rys 2.) Indukowana odporność roślin Lokalna (reakcja nadwrażliwości) Systemowa Nabyta odporność systemiczna Indukowana odporność systemiczna Rys. 2. Rodzaje indukowanej odporności roślin Istotą obydwu wyżej wymienionych typów odporności jest uruchomienie w roślinie naturalnych mechanizmów obronnych zabezpieczających ją przed licznymi i różnorodnymi patogenami i szkodnikami [Pospieszny 2000b, Handschuh 1999]. Różnice między SAR i ISR dotyczą między innymi szlaków ich nabywania. Odporność typu SAR jest indukowana poprzez kwas salicylowy i jego metabolity funkcjonalne lub nabywana w wyniku lokalnej infekcji patogena. Odporność typu ISR jest wzbudzana przez niepatogenne bakterie kolonizujące korzenie roślin (np. Pseudomonas sp.) jak również czynniki abiotyczne takie jak etylen, kwas arachidonowy, kwas jasmonowy, kwas abscysynowy [Pospieszny 2000b, Starck 1999, Pieterse i in. 2000, Watanabe i in. 2001]. O różnicach w mechanizmie nabywania tych dwóch typów odporności świadczy też fakt, że rolę cząsteczki sygnałowej w SAR pełni kwas salicylowy (SA, salicylic acid) i nadtlenek wodoru, natomiast w alternatywnej do SAR indukowanej odporności systemicznej (ISR) rolę sygnałową przypisuje się dwóm niezależnym cząsteczkom są to 2

kwas jasmonowy i etylen [Pospieszny 2000b, Handschuh 1999, Starck 1999]. Różnice pomiędzy głównymi typami odporności indukowanej przedstawia tabela 1. Tabela 1. Charakterystyka głównych typów indukowanej odporności roślin [Kombring i in. 2001, Vallad i in. 2004, Tiryaki i in. 2003]. REAKCJA NADWRAŻLIWOŚCI (HR, ang. Hypersensitive response) NABYTA ODPORNOŚĆ SYSTEMICZNA (SAR, ang. Systemic acquired resistance) INDUKOWANA ODPORNOŚĆ SYSTEMICZNA (ISR, ang. Induced systemic resistance) pierwsza reakcja rośliny na atak patogena, wywołana w celu ograniczenia rozprzestrzeniania się patogena objawia się lokalną martwica komórek wokół zakażonego miejsca prowadzi często do zmian w metabolizmie rośliny skutkujących produkcją metabolitów uruchamiających mechanizmy wytwarzania odporności systemicznej Indukowana przez patogeny nekrotyzujące tkankę roślinną Zależna od wewnątrzkomórkowego nagromadzenia się kwasu salicylowego Związana z akumulacją białek związanych z patogenezą (białka PR, ang.pathogenesis related) Wykazuje aktywność wobec patogenów grzybowych, bakteryjnych i wirusowych Indukowana przez niepatogeniczne bakterie kolonizujące korzenie i stymulujące wzrost roślin Indukcja przebiega szlakiem niezależnym od kwasu salicylowego Cząsteczkami sygnalnymi w szlaku nabywania są kwas jasmonowy i etylen Niezwiązana z akumulacją białek PR Wykazuje aktywność także przeciwko szkodnikom roślin Pojawia się coraz więcej dowodów eksperymentalnych na to, iż szlaki nabywania odporności typu SAR i ISR są ze sobą powiązane metabolity pośrednie jednego szlaku powodują indukcję bądź hamowanie odporności drugiego typu. Relacje te w dużej mierze zależą od rośliny, układu roślinapatogen, jak też od zastosowanego stymulatora odporności (Rys.3). 3

Induktory ISR Induktory SAR Kwas linolenowy lipoksygenaza Nadtlenki kwasów tłuszczowych? HR Reaktywne formy tlenu Jasmoniany / etylen? Salicylany Odporność na szkodniki i niektóre patogeny Inhibitory enzymów proteolitycznych Oksydaza polifenolowa Odporność przeciw patogenom Białka PR Fitoaleksyny Rys. 3. Wzajemne relacje pomiędzy szlakami nabywania odporności typu SAR i ISR [Fidantsef. i in.1999]. Roślinie w środowisku jej życia towarzyszą różnego rodzaju stresy biotyczne i abiotyczne. Stres biotyczny to niekorzystne działanie czynników, pochodzących z przyrody ożywionej (patogeny, chwasty, szkodniki), natomiast stresem abiotycznym nazywa się czynniki stresogenne pochodzące z przyrody nieożywionej (susza, zasolenie, wysoka temperatura, niska temperatura, promieniowanie UV) [Fujita i in. 2006]. Indukcja odporności systemicznej roślin zmniejsza podatność rośliny na wszelkiego rodzaju stresy, a szczególne zainteresowanie badaczy skupione jest ostatnio na możliwościach wykorzystania stymulatorów odporności w ochronie roślin przeciwko patogenom i szkodnikom. Sposobem na podnoszenie odporności roślin poprzez indukcję odpowiedzi systemicznej jest elicytacja czyli stosowanie biotycznych i abiotycznych elicytorów (induktorów reakcji obronnych) [Szpitter i in. 2005]. Zarówno SAR jak i ISR mogą indukować czynniki biotyczne i abiotyczne. Induktory abiotyczne są obecnie coraz częściej wykorzystywane ze względu na bardziej stabilne i powtarzalne parametry. Tabela 2 przedstawia dostępne w literaturze przykłady zastosowań abiotycznych induktorów odporności w ochronie roślin przed atakiem patogenów. Tabela 2. Przykłady zastosowania abiotycznych induktorów odporności w ochronie roślin. Roślina Patogen Induktor Literatura Jęczmień Blumeria graminis Benzotiadiazol (BTH) Weise i in. 2003 Fasola Uromyces appendiculatus Kwas dichloroizonikotynowy (INA), Dann i in. 1996 Benzotiadiazol (BTH) Siegrist i in. 1997 Sałata Bremia lactucae Kwas β-aminomasłowy (BABA) Pajot i in. 2001 4

Ziemniak Phytophthora infestans Kwas β-aminomasłowy (BABA) Cohen 2000 Kwas arachidonowy (AA) Ozeretskovskaya i in. 2002 Kwas jasmonowy (JA) Cohen i in. 1993 Pomidor Phytophthora infestans Kwas jasmonowy (JA) Cohen i in. 1993 Truskawka Phytophthora spp. Benzotiadiazol (BTH) Eikemo i in. 2003 Wywoływanie indukcji odporności systemicznej w ochronie roślin nie wyklucza stosowania pestycydów, gdy jest to konieczne, natomiast może w tym wypadku umożliwić stosowanie niższych dawek środków ochrony roślin, co zapobiega również uodparnianiu się na nie patogenów. Natomiast uodpornienie patogenów na SAR i ISR jest praktycznie niemożliwe ze względu na złożoność zjawiska nabywania odporności systemicznej. Niewątpliwą zaletą stosowania induktorów odporności systemicznej jest fakt, iż są to związki nieszkodliwe co ma znaczenie zwłaszcza w przypadku roślin jadalnych. Odporność systemiczna może być zatem wykorzystana zwłaszcza w uprawach, w których nie można stosować pestycydów bądź ze względu na uodpornienie się patogenów na nie, bądź dla upraw dla których pożądana jest bardzo niska bądź zerowa tolerancja na pozostałość pestycydów. Dlatego celowe i konieczne jest sprawdzenie jak znane stymulatory odporności wpływają na rośliny dotychczas nie badane [Pospieszny 2000b]. Literatura: 1. Cohen Y., Gisi U., Niderman T. 1993. Local and systemic protection against Phytophthora infestans induced in potato and tomato plants by jasmonic acid and jasmonic methyl ester. Phytopathology, 83, 1054-1062. 2. Cohen Y. 2000. Methods for protecting plants from fungal infection. US Patent 20006075051. 3. Dann EK, Deverall BJ: 2,6-Dichloroisonicotinic acid (INA) induces resistance in green beans to the rust pathogen, Uromyces appendiculatus, under field conditions. 1996. Australas Plant Pathol, 25,199-204. 4. Eikemo H, Stensvand A, Tronsmo AM. 2003 Induced resistance as a possible means to control diseases of strawberry caused by Phytophthora spp. Plant Dis., 87,345-350. 5. Fidantsef A.L., Stout M.J., Thaler J.S., Duffey S.S., Bostock R.M. 1999. Signal interactions In patogen and insect attaca: expression of lipoxygenase, proteinase inhibitor II and pathogenesis-related protein P4 in the tomato, Lycopersicon esculentum. Physiological and Molecular Plant Pathology, 54, 97-114. 6. Fujita M., Fujita Y., Noutoshi Y., Takahashi F., Narusaka Y., Yamaguchi-Shinozaki K., Shinozaki K. 2006. Crosstalk between abiotic and biotic stress responses: a current view from the points of convergence in the stress signaling networks. Current Opinion in Plant Biology, 9, 436-442. 5

7. Handschuh L., 1999. Etylen a reakcje obronne roślin. Biotechnologia, 3(46): 86 93. 8. Kombrink E. i Schmelzer E., 2001. The hypersensitive response and its role in local and systemic disease resistance. European Journal of Plant Pathology, 107, 69 78. 9. Ollerstam O., Rohfritsch O., Höglund S., Larsson S., 2002. A rapid hypersensitive response associated with resistance in the willow Salix viminalis against the gall midge Dasineura marginemtorquens. Entomologia Experimentalis et Applicata, 102, 153 162. 10. Ozeretskovskaya O. L.,. Vasyukova N. I,. Tshalenko G. I,. Gerasimova N. G, Grishanina A. N.,. Khromova L. Ya,. Yakovleva G. A,. Varlamov V. P,. Skryabin K. G. 2002. Induction of resistance to Phytophthora in tubers of transgenic potato. Applied Biochemistry and Microbiology, 38(5), 552-555. 11. Pajot E, Le Corre D, Silue D. 2001. Phytogard W and DL-b-aminobutyric acid (BABA) induce resistance in lettuce (Lactuca sativa L.) against downy mildew (Bremia lactucae). Eur J Plant Pathol., 107,861-869 12. Pieterse CMJ, Van Pelt JA, Ton J,Parchmann S, Mueller MJ, Buchala AJ, Métraux JP, Van Loon LC., 2000. Rhizobacteria-mediated induced systemic resistance (ISR) in Arabidopsis requires sensitivity to jasmonate and ethylene but is not accompanied by an increase in their production. Physiol. and Mol. Plant Pathol., 57, 123 134. 13. Pospieszny H., 2000a. Dotychczasowy rozwój i dalsze perspektywy ograniczania strat powodowanych przez choroby roślin. Postępy w Ochronie Roślin, 40(1), 84 92. 14. Pospieszny H., 2000b. Nabyta odporność systemiczna roślin na patogeny od nauki do praktyki. Postępy Nauk Rolniczych, 5, 27 42. 15. Siegrist J, Glenewinkel D, Kolle C, Schmidtke M: 1997. Chemically induced resistance in green bean against bacterial and fungal pathogens. J Plant Dis Protect, 104,599-610. 16. Starck Z., 1999. Niektóre aspekty zróżnicowania reakcji roślin na niekorzystne warunki środowiska stare problemy, nowa interpretacja. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln., 469, 145 158. 17. Szpitter A., Królicka A., 2005. Stymulujący wpływ elicytorów biotycznych na produkcję farmakologicznie czynnych metabolitów wtórnych w roślinnych kulturach in vitro. Biotechnologia, 4(71), 82-108. 18. Tiryaki I., Tunaz H. 2003. Systemic acquired resistance: Characterization of genes associated with plant defence response. Journal of Cell and Molecular Biology, 3, 9-14. 19. Watanabe T., Fujita H., Sakai S., 2001. Effects of jasmonic acid and ethylene on the expression of threegenes for wound-inducible 1-aminocyclopropane-1-carboxylate synthase in winter squash (Cucurbita maxima). Plant Science, 161, 67 75. 20. Weise J, Bagy MMK, Schubert S: Soil properties, but not plant nutrients (N, P, K) interact with chemically induced resistance against powdery mildew in barley. 2003. J Plant Nutr Soil Sci, 166,379-384. 6

21. Vallad G. E., Goodman R. M. 2004. Systemic Acquired Resistance and Induced Systemic Resistance in Conventional Agriculture. Crop Science Society of America, 44,1920 1934. 7