tolerancja krzyżowa
TRANSCRIPT
Tolerancja krzyżowa
Tolerancja krzyżowa
Rośliny poddane działaniu jednemu stresowi stają się odporne na inny rodzaj stresora
W tolerancji krzyżowej główną rolę odgrywają związki sygnalne uruchamiane w czasie działania różnych stresów
Na poziomie komórkowym są nimi reaktywne formy tlenu (RFT) oraz jony wapnia
Rola jonów wapnia
Wzrost stężenia Ca2+ w cytozolu wywołuje szereg różnych stresów (chłód, szok termiczny, zasolenie, susza, niedobór tlenu).
Wiele czynników abiotycznych mobilizuje syntezę kwasu abscysynowego (ABA), który z kolei aktywuje fosfatazy białek zależnych od Ca2+. Białka te odgrywają istotną rolę w tzw. transdukcji sygnałów.
Transdukcja sygnałów w komórce
Rola jonów wapnia Wzrost stężenia ABA i Ca2+ w komórce następuje w różnym
czasie: ABA ulega koncentracji do 24 godzin od chwili odebrania sygnału stresu, natomiast Ca2+ wpływa do komórki w dużych ilościach natychmiast po odebraniu sygnału.
Etylen jest również hormonem stresu, a zwiększenie jego ilości wymaga obecności jonów wapnia. Etylen z kolei stymuluje wzrost stężenia ABA.
Równowaga ilościowa Ca2+ w komórce musi być zachowana także podczas stresu biotycznego. Wzrost stężenia jonów wapnia odnotowano w czasie działania elicytorów patogenów typu race-specific oraz non-race-specific, pod wpływem fragmentów chityny, łańcuchów oligogalakturonowych, zranienia i SA.
Rodzaje patogenów
Patogeny race-specific to patogeny mogące infekować tylko daną grupę roślin (wręcz dany gatunek lub genotyp)
Patogeny non-race-specific to patogeny porażające wiele różnych gatunków roślin
Rola jonów wapnia Ca2+ pochodzi ze ściany komórkowej (stabilizuje pektyny). W
błonach cytoplazmatycznych istnieje szereg różnych kanałów wapniowych, aktywowanych przez różne związki sygnalne.
W obrębie komórki magazynami Ca2+ są: mitochondria, retikulum endoplazmatyczne, plastydy, wakuola. Homeostaza jonów wapnia utrzymywana jest przez takie białka jak Ca2+ - ATPaza oraz antyporty Ca2+ .
Jony wapnia są toksyczne dla komórek wielu eukariotów, stężenie tego pierwiastka wynosi zazwyczaj 50-100 nM. Cytozol jest ostro buforowany przez białka wiążące Ca2+ np. kalmoduliny
Rola RFT
Reaktywne formy tlenu powstają pod wpływem działania różnych stresów. Do najczęściej wymienianych czynników powodujących stres oksydacyjny należą: susza, chłód, zasolenie, promieniowanie UV oraz wysokie natężenie promieniowania, patogeny, ozon, jony metali ciężkich, pestycydy.
Reaktywne formy tlenu
O2•– - anionorodnik ponadtlenkowy
H2O2 - nadtlenek wodoruOH • - rodnik wodorotlenowy
HO2 - rodnik wodoronadtlenkowy
Naturalne źródła RFT w komórce: łańcuch oddechowy faza świetlna fotosyntezy reakcje katalizowane przez oksydoreduktazy np. w
peroksysomach
AntyoksydantyEnzymatyczne dysmutaza anionorodnika ponadtlenkowego (SOD) katalazy peroksydaza askorbinianowa
Nieenzymatyczne glutation tokoferole karotenoidy kwas askorbinowy flawonoidy
Powstawanie RFT w wyniku reakcji obronnych
Reakcje katalizowane przez lipoksygenazę (utlenienie błonowych
kwasów tłuszczowych) oksydazę ksantynową (katabolizm puryn) peroksydazy utleniające alkohole fenolowe oksydazę NADPH
Powstawanie RFT
Oksydaza NADPH
O2 O2• —
SODH2O2
OH2• OH•
Peroksydacja lipidów błonowych
Lipoksygenaza
LignifikacjaJ
Ucieczka jonów
Nadtlenek wodoru
Produkowany głównie przez oksydazę NADPH oraz przez peroksydazę w ścianie komórkowej przy pH 7,2
W odróżnieniu od pozostałych form H2O2 może przechodzić przez błony cytoplazmatyczne
Rola H2O2 w reakcjach obronnych
Substrat dla peroksydaz utleniających alkohole fenolowe polimeryzujące następnie do ligniny
inicjuje powstawanie mostków tlenowych pomiędzy białkami ściany komórkowej, jak również ekstensyną a pektynami, wzmacniając strukturę ściany
utlenia DNA i białka, niszczy strukturę błon cytoplazmatycznych (reakcje w nadwrażliwości komórek)
bierze udział w ekspresji genów odpornościowych inicjuje syntezę PAL, S-transferazy glutationowej, peroksydazy
askorbinianowej aktywuje kaskadę kinaz (MAPK), ważny czynnik w transdukcji
sygnałów
Synteza ligniny - polimeryzacja wolnorodnikowa
Utlenienie przez peroksydazy ściany komórkowej.
1. Oderwanie atomu wodoru grupy hydroksylowej, pozostawiając niesparowany elektron przy atomie tlenu przez co powstaje rodnik.
2. Stabilizacja rezonansowa - przesuwanie niesparowanego elektronu w inne miejsca cząsteczki, przez co powstaje pięć form rodnikowych rezonansowych pozostających ze sobą w równowadze.
3. Rodniki łączą się ze sobą składając niesparowane elektrony w nowe wiązanie kowalencyjne: b+b, b+c, a+b, a+c. Następuje wygaszenie wolnych rodników.
Lignina
Struktura ściany komórkowej
Oddziaływanie hydroksyproliny na ścianę komórkową
Rola nadtlenku wodoru
Inicjuje biogenezę peroksysomów będących źródłem RFT
Peryksysomy to mikrociała otoczone błoną, które zawierają różnorodne enzymy. Substancje wypełniające te organella katalizują szereg reakcji metabolicznych. Podczas rozpadu lipidów produkowany jest nadtlenek wodoru - substancja toksyczna dla komórki. Peryksysomy zawierają enzymy rozkładające nadtlenek wodoru do produktów nieszkodliwych dla komórki.
Nadtlenek wodoru a HR
Utlenia DNA, białka i lipidy co ma znaczenie w czasie autodestrukcji komórek (zaprogramowana śmierć kmórek); aktywuje proteazy niszczące białka w czasie HR
Apoptoza
Reakcja nadwrażliwości
H2O2-induced luciferase activity surounding an area of hypersensitive cell death in a gst1::luciferase transgenic Arabidopsis line
Utleniająca rola nadtlenku wodoru
Utlenianie białek
Utleniając białka zmienia ich konformację co jest równoznaczne z ich aktywacją
Kontroluje ekspresję genów odpornościowych
1.Synteza białek de novo2.Aktywacja białek
obecnych3.Degradacja białek4. Inibicja innych sygnalnych
lub metabolicznych ścieżek
inicjuje syntezę PAL, S-transferazy glutationowej, peroksydazy askorbinianowej
aktywuje kanały wapniowe
Aktywuje kaskadę kinaz (mitogen activated protein kinase)
Mitogen-activated protein kinases (MAPK) rodzina kinaz przenosząca resztę kwasu fosoforowego z ATP na białka zawierające serynę lub tyrozynę, szeroko rozpowszechniona pośród eukariotów i odgrywająca rolę w takich procesach, jak powstawanie, różnicowanie komórek, przenoszenie się komórek i ich śmierć. MAPK “signaling cascades” są zorganizowane hierarchicznie w czteropoziomowe moduły. MAPKs są fosforylowane i aktywowane przez MAPK-kinazy (MAPKKs), które są z kolei fosforylowane i aktywowane przez MAPKK-kinazy (MAPKKKs). MAPKKKs są z kolei aktywowane w interakcji z rodziną małych GTPaz lub innych kinaz białkowych zawartych w module MAPK.
Mitogen
Mitogen - związek chemiczny lub inny czynnik indukujący mitozę komórek, w tym zwłaszcza komórek układu odpornościowego. Nazwą równie często funkcjonującą jest aktywator poliklonalny.
U roślin taki mitogenem zazwyczaj są cytokininy odpowiedzialne za podział komórek
Nadtlenek wodoru jest głównym czynnikiem w tolerancji krzyżowej
Stres
Stres
Zależność pomiędzy Ca2+ a RFT
aktywacja
H2O2 Ca 2+
kanałów
Ca 2+ H2O2
kalmodulina
Inicjacja sygnałówPIP2 - fosfatydyloinozytolo(4,5)bisfosforan, DAG - diacyloglicerol, IP3 -
trifosfoinozytol
R
E
Oksydaza NADPH
Ca2+
Kinaza białkowa kalmodulinozależna
Kinaza białkowa C
Białko G
Flipaza C
PIP2 DAG
IP3
Błona komórkowaO2 O2
• —
Zasolenie
Susza
Odporność na suszę
Odporność na suszę
This image was obtained by infrared photography of drought-stressed Arabidopsis plants in screening condition. The abi1-1 mutant that has a reduced responsiveness to abscisic acid (ABA), fails to close its stomata in response to drought, and thus has a lower leaf temperature (21ºC) than wild type plants (24ºC). This screen allowed us to easily select this kind of mutant in the midst of wild type plants.
UV
Przykłady tolerancji krzyżowej Słonecznik poddany suszy stał się bardziej
odporny na wysokie zasolenie Jęczmień ozonowany staje się bardziej
odporny na patogeny biotroficzne i nekrotyczne
Trawy i zboża chłodzone są bardziej odporne na patogeny powodujące pleśń śniegową i Bipolaris sorokiniana
Tytoń poddany promieniowaniu UV stał się odporny na wirusa mozaiki tytoniowej
Przykłady tolerancji krzyżowej
Rzepak ozonowany i chłodzony staje się mniej podatny na Phoma lingam
Jęczmień i kostrzewa łąkowa ozonowane są mniej podatne na Bipolaris sorokiniana
Tytoń rosnący na glebie o wysokim zasoleniu NaCl jest odporny na wysoką temperaturę