4_Фітоімунологія. Основні групи патогенів (частина 2)

ОСНОВНІ ГРУПИ ФІТОПАТОГЕНІВ

ТА ОСОБЛИВОСТІ ЇХ ВЗАЄМОДІЇ

З РОСЛИНАМИ (частина 2)

Акулов О.Ю., Заслужений працівник освіти України, канд. біол. наук, доцент кафедри мікології та фітоімунології ХНУ ім. В.Н. Каразина

АЗОТФІКСУЮЧІ БАКТЕРІЇ (RHIZOBIUM SPP. ТА ІН.)

N2 + 8 H+ + 8 e− → 2 NH3 + H2

нітрогеназа

бульбашки

Thermotoga

Green,

nonsulfur

Deinococci

Spirochetes

Greensulfur Bacteroides

Chlamydiae

Gram positive

Cyano

bacteria

a

b

g d

Proteobacteria

Rhizobium

Bradyrhizobium

Sinorhizobium

Agrobacterium

Azospirillum

Klebsiella

Azotobacter

Прокаріоти

Herbaspirillum Desulfoivbrio

ЕВОЛЮЦІЯ АЗОТФІКСАЦІЇ

клітини, заповнені бактеріями, >25000 на клітину

ПОПЕРЕЧНЫЙ ЗРІЗ БУЛЬБАШКИ

склеренхіма

провідні пучки

кортекс бульбашки

Бактерії Rhizobium Інфекційна нитка

Хімічні сигнали привертають бактірій

1

1

Кореневий волосок, що заселюється бактеріями

Бактероїд

Формування бактероїдів

Поділ клітин кортексу кореня

Поділ клітин періциклу

Розвиток бульбашки

Формування провідної системи бульбашки

ЕТАПИ КОЛОНІЗАЦІЇ РОСЛИНИ АЗОТФІКСАТОРАМИ:

1. Хімічне розпізнавання партнерів 2. Викривлення кореневых волосків 3. Формування інфекційної нитки 4. Заселення клітин кореня бактеріями 5. Формування бульбашки 6. Перетворення бактерій на бактероїди 7. Початок азотфіксації

From Hirsch, 1992.

New Phyto. 122, 211-237

Rhizobium

Формування

бульбашки

Диференціація

бактероїду

Фіксація

нітрогену

Nod-фактори

(специфічність)

Проникнення через інфекційну нитку Флавоноїди

(специфічність)

ЕТАПИ КОЛОНІЗАЦІЇ РОСЛИНИ АЗОТФІКСАТОРАМИ:

NodD

pSym

nod-гени

активація NodD

запускає експресію

nod-генів

Sinorhizobium meliloti

Флавоноїди –

специфічні

індуктори nod-

генів бактерій

основна хромосома

плазміда

люцерна усічена

продукти nod-генів – Nod-фактори

Структура головного Nod-фактору Sinorhizobium meliloti

Nod-фактори –

ліпоолігосахариди

Биосинтез

Nod-факторів

Специфічність визначається

різноманіттям радикалів (R)

в Nod-факторах

NodM

NodC

NodB

кореневий волосок

закручування кореневих волосків

ризобії

інфекційна нитка

інфекційний карман

провідний пучок кореня

Деформовані кореневі волоски Закручений

кореневий волосок

Судинний пучок

Ризобії

Кореневий волосок

www.cilr.uq.edu.au

корінь

бульбашка

ризобії

100 mm

Функціональні зони бульбашки

рожевий пігмент –

леггемоглобін

білкова частина синтезується рослиною – гемова бактеріями

штучні інокулянти для сої

Bradyrhizobium japonicum 2,0x109 + ліпо-хітоолігосахарид 1х10-7%

АПАРАТИ СЕКРЕЦІЇ У БАКТЕРІЙ

I типу

(контакт

незалежний)

II типу

(контакт

незалежний)

III типу

(контакт

залежний)

IV типу

(контакт

залежний)

V типу

(контакт

незалежний)

одноетапна секреція

субстратів

з цитоплазми без

періплазматичних

посередників

секреція

субстратів

в два етапи:

спочатку в

періплазму,

потім назовні

секреція

білків та

токсинів

з клітини

бактерії

в клітину

жертви

секреція в два

етапи з

використанням

белків-авто-

транспортерів

секреція

нуклеопротеїдів

та складних білків

з клітини

бактерії

в клітину

жертви

секреція через систему Sec вимагає присутності N-термінального сигнального пептиду

у білку, що секретується

бактеріальна плямистість корончасті гали м'яка гниль бактеріальне в'янення

АПАРАТ СЕКРЕЦІЇ III ТИПУ

інджектісома інджектісома

притаманний зоо- та фітопатогенним грам-негативним бактеріям

Corynebacterium diphtheriae

дифтерія

1888 р. – Ру (Roux) та Йерсен (Yersin)

вперше виділили дифтерійний токсин (білкової природи)

довели, що саме цей токсин є головним фактором вірулентності, оскільки він викликає ті ж самі симптоми хвороби, що зараження бактерією

Симптоми бактеріозів, як правило, є результатом дії

на організм жертви їх токсинів

Апарат секреції III типу Pseudomonas syringae

(білки Hrp і Hrc), є аналогічним до апарату секреції

збудника бубонної чуми Yersinia pestis (білки Ysc)

hrp-гени (hypersensitive

reaction and pathogenicity)

hrc – hrp-concerved

пілін

клітинна стінка

рослини

Збудник хвороби – класичний модельний об'єкт фітоімунології

Існують сорти з генами

специфічної стійкості до хвороби

Бура бактеріальна плямистість (Bacterial speck) збудник Pseudomonas syringae pv. tomato (Okabe) Young, Dye, et Wilkie

1970-ті рр. – виявлено ген специфічної стійкості pto у томата

1992 р. – було охарактеризовано продукт цього гену – Pto (серін-треонінова протеїн кіназа),

яка функціонально асоційована з білком Prf (LRR-NBS)

АПАРАТ СЕКРЕЦІЇ IV ТИПУ

корончасті гали збудник – бактерія Rhizobium (Agrobacterium) tumefaciens

Опіни – Agrobacterium-специфічні непротеіногенні амінокислоти

Корончастий гал на розі

Корончастий гал на винограді

Приклади опінів, синтез яких кодується Т-ДНК A. tumefaciens

нопалін октопін маннопін

ПАТОГЕНЕЗ AGROBACTERIUM

TUMEFACIENS (IV ТИП СЕКРЕЦІЇ)

РОЗПІЗНАВАННЯ ФІТОПАТОГЕННИХ БАКТЕРІЙ РОСЛИНАМИ

рецептори розпізнавання флагеліну

РОЗПІЗНАВАННЯ ФІТОПАТОГЕННИХ БАКТЕРІЙ РОСЛИНАМИ

розпізнавання Avr-білків розпізнавання структурних компонентів

pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) effector-triggered susceptibility (ETS)

pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) effector-triggered susceptibility (ETS)

ГРИБИ ТА ГРИБНІ ХВОРОБИ (МІКОЗИ) РОСЛИН

ШЛЯХИ ПРОНИКНЕННЯ ГРИБІВ В РОСЛИНИ

через рани

хімічний тип (токсини+ферменти)

через інтактну поверхню через природні отвори або стики рослин

механічний тип (тиск гіф) хімічне

розпізнавання

механічне розпізнавання

«Дайте мені точку опори, і я переверну Землю», Архімед, 3 ст. до н.е.

росткові трубки змінюють направленість росту при контакті з гребнями

росткові трубки ростуть у довільному напрямку

Росткові трубки та гіфи Blumeria graminis ростуть уздовж жолобків, утворених антиклінальними стінками епідермальних клітин листків

Ефективність проникнення через «стики» клітин

ЕТАПИ РОЗВИТКУ ФІТОПАТОГЕННИХ ГРИБІВ В РОСЛИНІ

проникнення колонізація розмноження

Етапи проникнення: 1. проростанння спор 2. прикріплення 3. інфікування

ПРОРОСТАННЯ СПОР:

1. в краплях води (крапельний тип) 2. за рахунок конденсації води на їх поверхні (сухоспоровий тип)

ROS токсини

Для виходу спор зі стану спокою зазвичай потрібні речовини-атрактанти рослини-хазяїна

Сигнальні шляхи, опосередковані протеїнкіназою А, приймають участь у гідролізі трегалози та проростанні

спор у грибів

наприклад, флавоноїд

гліцеоллін

виводить ооспори

збудника пероноспорозу

сої із спокою

СТРУКТУРИ ПРИКРІПЛЕННЯ:

1. адгезійна подушка 2. гіфоподії (лише прикріплення) 3. апрессорії (прикріплення та проникнення)

рецептори адгезії - адгезіни

поверхня клітини рослини зазвичай гідрофобна

гідрофобіни

ПРИКРІПЛЕННЯ:

1. літичні ферменти (кутінази, естерази…) 2. слиз, білки-гідрофобіни

амебоїд

циста

адгезійна подушка

Етапи розвитку кіли капусти збудник Plasmodiophora brassicae

білковий шип – модифікація жалкої органели

ХІМІЧНИЙ ТИП ІНФІКУВАННЯ РОСЛИН

Клітинна стінка – «депо» ферментів та захисних молекул

Уламки клітинної стінки рослини – індуктори захисних реакцій

- з використанням токсинів

- з використанням літичних ферментів

НЕСПЕЦИФІЧНЕ РОЗПІЗНАВАННЯ ПАТОГЕНІВ

ПАТОГЕН

розщеплення (зокрема

пектинів) вивільнення SA з глікозиду

уламки клітінної стінки

(зокрема пектинів)

вільна саліцилова к-та (SA)

розпізнання

рецепторами рослини ЗАХИСНА РЕАКЦІЯ

літичні ферменти

(пектинази та ін.) органічні

кислоти

КЛІТИННА СТІНКА РОСЛИНИ

генерація неспецифічних

токсинів, ROS..

РОСЛИНА КЛІТИННА СТІНКА ГРИБА ( хітин, β-1,3 та 1,6-глюкани…)

хітинази, глюканази (конституїтивна активність)

олігомери хітину та інших глюканів

НЕСПЕЦИФІЧНЕ РОЗПІЗНАВАННЯ ПАТОГЕНІВ

фітотоксин церкоспорин гриб захищається від синглетного кисню за допомогою вітаміну В6

Церкоспорозна прикоренева гниль злаків

(збудник Oculimacula yallundae = Cercosporella herpotrichoides)

Неспецифічні токсини фітопатогенних грибів

1. Специфічно впливають на рослину-хазяїна, але не ушкоджують інші рослини 2. Відповідальні за прояв основних симптомів хвороби 3. За їх відсутності патогени неспроможні викликати типове захворювання 4. Мутації, що призводять до зниження синтезу токсинів, призводять до суттєвого зниження або навіть втрати патогенності

Специфічні токсини бактерій часто є сполуками білкової природи, а грибні є низькомолекулярними речовинами, що здатні безперешкодно

проникати через клітинну стінку рослини

Т-токсин гриба Cochliobolus heterostrophus

Токсичний по відношенню до рослин кукурудзи, мітохондрії якої містять ген цитоплазматичної чоловічої стерильності cms

Під впливом токсину відбувається деполярізація мембран мітохондрій

Cпецифічні токсини фітопатогенних грибів

патотип 1 – nec+ chl+ патотип 2 – nec+ chl- патотип 3 – nec- chl+ патотип 4 – nec- chl-

Піренофороз пшениці (жовто-бура плямистість – tan spot)

збудник – Pyrenophora tritici-repentis

Видоспецифічні токсини Ptr трех типов: А, В, С

саме специфічні токсини – причина високої шкодочинності

по відношенню до пшениці

Ptr Tox A (пептид) Ptr Tox B (пептид) Ptr Tox C (низькомолекулярний)

Руйнується за температури вище 70 град. С

На пшениці описано 8 рас, що різняться комбінацією цих токсинів

США, Канада – раси 1, 2, 3, 4, 5 Північна Африка – раси 1, 2, 5, 6 Кавказ (Азербайджан) – раси 1, 2, 5, 6, 7, 8 Сирія, Туреччина – раси 1, 2, 3, 5, 7, 8 Чехія (2010 р.) – раси 1, 2, 3, 4, 6, 8

Вікторин гриба Cochliobolus victoriae

НС-токсин гриба Cochliobolus carbonum

AAL-токсин гриба Alternaria alternata f. sp. lycoperscici

Cпецифічні токсини фітопатогенних грибів

СТРУКТУРИ ПРОНИКНЕННЯ ТА ЖИВЛЕННЯ БІОТРОФНИХ ГРИБІВ

СТРУКТУРИ ПРОНИКНЕННЯ ТА ЖИВЛЕННЯ БІОТРОФНИХ ГРИБІВ

Гриб Magnaporthe grisea, 3M гліцерол, тиск 8 міліпаскалей

МЕХЕНІЧНИЙ ТИП ІНФІКУВАННЯ РОСЛИН

РОЛЬ МЕЛАНІНУ У ГРИБІВ: - захист гіф від ферментативного лізису - укріплення клітинних стінок - утримання гліцеролу (нагнітання тиску) - захист від ультрафіолету

Трициклазол – інгібітор биосинтезу меланіну

СХЕМА БУДОВИ ГАУСТОРІЇ

Схематичне зображення фрагменту гаусторія/клітина рослини

більший осмотичний тиск

менший осмотичний тиск

РЕАКЦІЯ НАДЧУТЛИВОСТІ (запрограмована загибель клітин, апоптоз)

швидке вбивство рослиною власних клітин разом з патогеном, що намагається їх інфікувати

Реакція надчутливості:

- дезінтеграція мембран; - генерація активних форм кисню; - ліквідація запасів поживних р-н (денатурація білків,

автофагія…); - вивільнення фітоантиципінів з вакуолей, синтез

фітоалексинів; - швидка втрата води клітиною; - потовщення клітинної стінки в суміжних клітинах; - активація системної набутої стійкості SAR

борошниста роса злаків:

ураження листа (зверху)

та відторгнення патогену (знизу)

ця реакція є дуже ефективною для захисту від біотрофних паразитів