Bi8240 GENETIKA ROSTLIN doc. RNDr. Jana Řepková, CSc. repkova@sci.muni.cz Prezentace 06 Rezistence rostlin k patogenům Biotické faktory prostředí Houbové organizmy (biotrofní, nekrotrofní) – Blumeria, Erysiphe, Monilinia, Sclerotinia, Ustilago, Melampsora, Puccinia, Uromyces, Fusarium aj. Bakterie – Xanthomonas, Pseudomonas, Agrobacterium, Erwinia aj. Viry a viroidy – Organizmy patogenní x nepatogenní Hmyzí škůdci Choroby Listy Plody Stonky – krčky stonků Kořeny Cladosporium fulvum Botrytis cinerea Hostitel – patogen 1. Interakce hostitel – patogen – 1. kontakt, nálet spór (jiných částic) – infekční tlak, mechanismy zabraňující vniknutí do pletiv rostliny 2. Infekce – patogen v aktivovaném stavu – obranná reakce látek přítomných, aktivace – produkce nových, inhibičních látek rostlinou 3. Parazitický vztah – projevy choroby u rostliny Virulence patogena Houbové patogenní organizmy Produkují enzymy narušující rostlinnou buněčnou stěnu: polygalakturonidázy, pektát lyázy, kutinázy V dalším stadiu enzymy hydrolázy, esterázy narušují makromolekulární komponenty rostlinných buněk Hostitelsky selektivní toxiny (mykotoxiny), specifický škodlivý účinek – např. Pseudomonas syringae pv. tabaci – tabtoxin, inhibuje glutamin syntetázu (odbourávání amonných iontů) – Cochliobolus carbonum - HC toxin, inhibuje aktivitu histonové deacetylázy (enzym nezbytný pro aktivaci genů obranného systému) Mechanizmy působení rostlinných patogenů 1. Pronikání do rostlinných buněk přes buněčnou stěnu Blumeria graminis (padlí travní) Tvorba haustoria 2. Tvorba toxinů a elicitorů Cochliobolus carbonum Elicitory HC-toxin inhibuje aktivitu histonové deacetylázy Gen HM1 tvoří HC-toxin reduktázu detoxifikuje HC-toxin Bakteriální patogenní organizmy Většinou gram-negativní Degradují pektin aj. složky buněčné stěny rostlin (pektin lyázy, polygalakturonidázy) Přežívají v mezibuněčných prostorách různých orgánů nebo v xylemu Produkují specifické toxiny, extracelulární polysacharidy Způsobují cévní vadnutí, rakovinu, sněti, hniloby, plísně Geny hrp (hypersensitive response and pathogenicity cluster) nezbytné pro patogenezi Geny Hrp produkující proteiny nezbytné pro patogenezi rostlinných patogenních bakterií – transport proteinů Avr. Mechanizmy rezistence rostlin k patogenům A. Konstitutivní a indukované obranné mechanizmy B. Pasivní a aktivní obranné mechanizmy Pasivní obranné mechanizmy – Kutikula – nerozpustný polyester kutin, suberin, vosky – Lignin – Buněčná stěna – Morfologické bariéry  ječmen - spory Ustilago nuda f. hordei sněť Konstitutivní inhibiční látky Saponiny – avenacin – pod povrchem kořenů – glykosylované látky – triterpenoidy, steroidy, steroidní glykoalkaloidy – Glykoalkaloid tomatin – rezistence k Fusarium u zelených plodů rajčat Glukosinoláty – Glukosidy obsahující síru – čeleď Brassicaceae – Poškození kořene – jejich hydrolýza a uvolňování řady toxických látek Pasivní obranné mechanismy Aktivní obranné mechanizmy 1. Biopolymery buněčné stěny – indukce patogenem a elicitory, enzymy peroxidázy – lignin, suberin, kalóza – extenziny, thioniny 2. Antibakteriální a antivirové látky – Elicitory (glukany, glukózaminy, polysacharidy, glykoproteiny, ribonukleázy) – Syntéza inhibičních látek po interakci hostitel – patogen – Fytoalexiny  sekundární metabolity rostliny, antibiotické povahy  nízkomolekulární látky, druhově specifické  pisatin, fazeolin, zeatin, trifolirhizin, rišitin  enzymy fenylalanin lyáza, chalkonsyntetáza 3. PR proteiny (pathogen related) – Indukované infekcí virů, bakterií, houbovými patogeny – Enzymová aktivita - chitinázy, glukanázy, deproteinázy – Lokalizace v mezibuněčných prostorách – Induktor PR proteinů – etylén, prostřednictvím enzymu PAL (fenylalanin lyáza) 4. Systémová rezistence (SR) – Indukce aktivního obranného systém tzv. hypersenzitivní reakce, nekróza – šíření signálu po rostlině – endogenní signál při SR - kyselina salicylová, – změna exprese genů, exprese některých genů pro PR proteiny – další signální látky – etylén, jasmonová Překrývání obranných mechanizmů Koordinovaná indukce různých metabolických aktivit Bezprostřední rekce v místě průniku patogena Tvorba volných radikálů (kyslíku) Otevírání iontových kanálů Fosforylace a defosforylace proteinů Přeuspořádání cytoskeletu Hypersenzitivní reakce Aktivace exprese genů Lokální reakce a aktivace genů Změny v biosyntéze sekundárních metabolitů Zastavení buněčného cyklu Syntéza PR proteinů Akumulace kyseliny salicylové 20x – 50x Tvorba etylénu a kyseliny jasmonové Tvorba ligninu v buněčných stěnách Systémová reakce a aktivace genů Glukanázy, Chitinázy Peroxidázy Syntéza dalších PR proteinů Napadení rostliny patogenem Fáze obranné reakce rostliny Systémová rezistence Získaná systémová rezistence SAR Okus, poranění Kyselina jasmonová Etylén Indukovaná systémová rezistence Signál – kyselina jasmonová, etylén SAR Signál – kyselina salicylová 1 – I. infekce TMV u tabáku 2 – II. infekce 12 Signalizační kaskáda a aktivace jaderných genů Aktivace obranných mechanizmů rostliny Signalizační kaskáda a aktivace jaderných genů Klíčící spóra Appresorium Penetrace Signalizační kaskáda a aktivace jaderných genů 1. PG – enzym polygalakturonidáza – pektolytický enzym, naruší buněčnou stěnu 2. PG uvolňují oligogalakturonidy (elicitor), ty reagují s receptory cytopl. mem. 3. Přenos signálu a aktivace exprese jaderných genů pro obranné proteiny – včetně PGIP – inaktivace enzymu PG – fytoalexiny – glukanázy – chitinázy 4.–5. Poškození hyf houbového patogena Klasifikace rezistence k patogenům 1. Vertikální – kódována alelami 1 nebo několika genů – rasově specifická – alela určitého lokusu rezistence R kóduje odolnost vůči 1 genotypu patogena = patotypu Flor, 1940 - teorie gen proti genu 2. Horizontální – kódována polygenně – rasově nespecifická – účinná vůči širokému spektru patotypů, polní rezistence, silná interakce genotypu a prostředí Vertikální rezistence Genetická determinace rezistence rostliny – gen rezistence R/r Genetická determinace avirulence patogena – gen avirulence AVR/avr Koncepce gen proti genu Genetická determinace rezistence Výsledkem je rezistence rostliny Rostlina (hostitel) Patogen genom 1 genom 2 geny rezistence R geny avirulence Avr většinou dom. alela dominantní protein 1 protein 2=elicitor interakce rozpoznání Rasově specifická rezistence Inkompatibilní a kompatibilní interakce hostitel – patogen Toxin dependentní kompatibilní interakce hostitel – patogen len Linum usitatissimum Flor 1940 Hostitel (rostlina) geny rezistence R – odrůda gen rezistence L s alelami L, l genotyp LLnn – odrůda N N, n llNN Patogen (= patotyp) geny avirulence s alelami Avr, avr – patotyp AvrN – patotyp AvrL – L determinuje rezistenci k AvrL – l determinuje citlivost k AvrL – N determinuje rezistenci k AvrN – n determinuje citlivost k AvrN Rezistence ke rzi Melampsora lini Podstata interakce produktů genu R a AVR Způsob interakce mezi produkty genů R a AVR Interakce rajče – Pseudomonas syringae pv. tomato Patogen – AvrPto Rostlina – Pto, Prf Genetická determinace rezistence podle teorie gen proti genu Odrůda1 R1R1 R2R2 R1r1 R2r2 Odrůda2 R1R1 r2r2 R1r1 r2r2 Odrůda3 r1r1 R2R2 r1r1 R2r2 Odrůda4 r1r1 r2r2 Rasa1 AVR1 rezistence rezistence citlivost citlivost Rasa2 AVR2 rezistence citlivost rezistence citlivost Inkompatibilní interakce patogen – hostitel Patogen Melampsora lini – Cladosporium fulvum – virus mozaiky tabáku Molekulární genetika rezistence rostlin k chorobám Hostitel Linum sitatissim – Lycopersicon esculentum – Nicotiana tabacum Dvou- a trojrozměrná struktura proteinu Avr9 Cladosporium fulvum Kompatibilní interakce patogen – hostitel Molekulární genetika rezistence rostlin k chorobám patogen hostitel Produkty genů R a jejich charakteristické domény Použité zkratky domén proteinů LRR (leucine-rich repeat) – receptorová doména – mnohonásobná repetice AK s leuciny – lokalizace extracelulární i cytoplazmatická NBS (nucleotide binding site) – signální doména – vazebná místa pro ATP a GTP, místo – interakce R proteinů s dalšími proteiny regulační kakády CC (coiled coil) – struktura svinutého helixu, místo tvorby dimerů TIR (Toll interleukin receptor) – cytoplazmatická signalizační doména, homologie s receptorovými doménami savců – Toll protein (Drosophila melanogaster) – interleukin 1 receptory živočichů NLS (nuclear localisation signal) WRKY (transkripční factor) TM (transmembrane) Klasifikace některých klonovaných genů resistence (1/3) Třída Struktura proteinu Gen Hostitel Patogen 1 TIR-NBS-LRR L, M, P len Melampsora lini N tabák virus mozaiky tabáku RPP1,RPP5, RPS4 Arabidopsis Peronospora parasitica Pseudomonas syringae CC-NBS-LRR Prf rajče Pseudomonas syringae Mi Melodogyne incognita Gpa2/Rx1 brambor Glodobera (nematoda), virus X bramboru RPS2, RPS5, RPM1, RPP8/HRT Arabidopsis Pseudomonas syringae Peronospora, Turnip crinkle virus NBS-LRR Bs2 pepper Xanthomonas campestris Třída Struktura proteinu Gen Hostitel Patogen 1 NBS-LRR Dm3 locika Bremia lactuca I2 rajče Fusarium oxysporum Cre3 pšenice Heterodera avenae Xa1 rýže Xanthomonas oryzae Pib, Pi-ta Magnaporthe grisea Rp1 kukuřice Puccinia sorghi Mla ječmen Blumeria graminis TIR-NBS-LRR- NLS-WRKY RRS1-R Arabidopsis Ralstonia solanacearum 2 LRR-TM Cf-2, Cf-4,Cf-5, Cf-9 rajče Cladosporium fulvum 3 Kináza Pto rajče Pseudomonas syringae Klasifikace některých klonovaných genů resistence (2/3) Třída Struktura proteinu Gen Hostitel Patogen 3 Kináza PBS1 Arabidopsis Pseudomonas syringae Kináza-kináza Rpg1 ječmen Puccinia graminis 4 LRR-TM-Kináza Xa21 rýže Xanthomonas oryzae FLS2 Arabidopsis Innate immunity 5 jedinečný HS1pro-1 suggar beet Heterodera schachtii 6 jedinečný RPW8 Arabidopsis Erysiphe (fungus) 7 membránový protein mlo ječmen Blumeria graminis 8 glykoprotein buněčného povrchu Ve1 rajče Verticilliu albo-atrum 9 toxin reduktáza Hm1 kukuřice Cochliobolus carbonum Klasifikace některých klonovaných genů resistence (3/3) Obrana před parazity a predátory Obranné látky: – Konstitutivní – Indukované Háďátka – modifikují metabolizmus kořenových buněk Obrana před parazity a predátory Hmyz – vektory šíření virů v rostlinných buněk Obrana před parazity a predátory 1. Sekundární metabolity rostlin – fenoly – terpenoidy – dusíkaté sloučeniny 2. Syntéza hmyzích hormonů rostlinnými pletivy, analogy svlékacích hormonů Výukovou pomůcku zpracovalo Servisní středisko pro e-learning na MU http://is.muni.cz/stech/