K
osmos
Num er 1-2 (250-251)________ _ Strony 49-59
PROBLEMY NAUK BIOLOGICZNYCH____________ Polskie Towarzystwo Przyrodników im. Kopernika
An d r z e j Ba j g u z i Ro m u a l d Cz e r p a k
Zakład Biochemii Roślin, Instytut Biologii Uniwersytet w Białymstoku
Świerkowa 20 B, 15-950 Białystok e-mail: abcyguz@noc.uwb.edu.pl
ROLA KWASU SALICYLOWEGO W ODPOWIEDZIACH OBRONNYCH ROŚLIN NA DZIAŁANIE PATOGENÓW
W STĘ P
Kwas salicylowy (ang. salicylic acid, SA), jako jeden z głównych fenolokwasów, występuje powszechnie w świecie roślin naczyniowych. Dzięki swym specyficznym właściwościom fizy kochemicznym posiada dość dużą i różnorodną aktywność fizjologiczno-biochemiczną niezbęd ną w kształtowaniu interakcji między organi zmami, zwłaszcza o charakterze obronnym przed patogenami. U roślin najczęściej wystę puje w postaci wolnej, najbardziej aktywnej biologicznie oraz w formie połączeń estrowych, głównie jako salicylan metylu (ang. methyl sa licylate, MeSA) lub glikozydowych. Wykazuje on działanie stymulujące lub inhibicyjne, a nawet blokujące wiele różnorodnych procesów fizjo logicznych i metabolicznych roślin (W o b b e i
K l e s s i g 1996, C z e r p a k i B a jg u ż 1998).
SA wraz z innymi fenolokwasami jest zali czany, obok typowych fitohormonów, do pospo litych endogennych regulatorów wzrostu i me tabolizmu roślin naczyniowych. SA i MeSA w sposób specyficzny działają regulująco na takie procesy jak: wzrost liści i systemu korzeniowe go, kiełkowanie nasion, rozwój kwiatów i ich
metabolizm oraz mechanizmy obronne i odpo rnościowe roślin przed patogenami wirusowy mi, bakteryjnymi i grzybowymi. SA korzystnie wpływa na biosyntezę chlorofili, białek, szcze gólnie enzymatycznych, odpornościowych i transportujących oraz przenikanie metabolitów przez lipoproteinowe cytomembrany. U wielu gatunków roślin okrytozalążkowych (Angio- spermae) SA działa regulująco na proces termo- genezy pojedynczych kwiatów, bądź całych kwiatostanów, poprzez stymulację oddychania komórkowego, głównie glikolizy, cyklu Krebsa i szlaku alternatywnego oddychania (K l e s s i g i
M a la m y 1994, R a sk in 1995, L e n n o n i współaut.
1997). Ponadto SA i MeSA spełniają rolę mole kularnego przekaźnika sygnałów komórkowych w procesach obronnych przed patogenami, a także w mechanizmach odpornościowych indu kują syntezę białek związanych z patogenezą (ang. patogenesis-related, PR) ( C l a r k e i współ aut. 1998, F r e y i C a r v e r 1998, N ik i i współaut.
1998, C a m e ro n i współaut. 1999, M e r k o u r o -
POULOSi współaut. 1999, M o lin a i współaut.
1999).
CZYNNIKI I M ECH ANIZM Y OBRONNE ROŚLIN PRZED PATOGENAMI
Rośliny, podobnie jak zwierzęta, w ciągu wielu milionów lat swego istnienia, wytworzyły na drodze ewolucji różnorodne mechanizmy ob ronne przed inwazją patogenów i abiotycznych czynników stresowych. W odpowiedzi na atak patogenu rośliny dysponują natychmiastową strategią obronną zlokalizowaną bezpośrednio w ścianie komórkowej i plazmolemie. Prócz tego u roślin dopiero po kilku godzinach lub dniach
od momentu pierwotnego zainfekowania poja wia się systemiczna odporność nabyta (ang. systemie acquired resistance, SAR) (K o m b rin k i
S o m s s ic h 1995, R a sk in 1995).
W bezpośredniej reakcji obronnej rośliny na atak patogenu, przede wszystkim następuje wzmacnianie i uszczelnianie struktury ściany komórkowej, poprzez jej intensywną lignifikację i kutynizację oraz poprzeczne usieciowanie
przez odkładanie kalozy, a u niektórych roślin krzemianów wapnia. Również ściana komórko wa i powierzchniowa warstwa płazmolemy ule gają szybkiemu wy syceniu specyficznymi meta bolitami o właściwościach inhibicyjnych i pato- genobójczych. Do tego typu związków należą: fenole, fenolokwasy, fenylopropanoidy, garbNl-
Kl, alkaloidy, glikozydy cyjanogenne, kumary ny, tioniny, opiny oraz różnorodne struktural nie fitoncydy, fitoaleksyny i antybiotyki. W ten sposób ściana komórkowa z plazmolemą, do datkowo wzbogacona w wyżej wymienione me tabolity, stanowi bezpośrednią barierę struktu ralną i frzjologiczno-metaboliczną dla atakują cych patogenów (Jo n e s 1994, Kl e s s ig i Ma l a m y 1994, Ko m b r in k i So m m s ic h 1995, Ra s k in 1995,
Wo b b e i Kl e s s ig 1996, Du i Kl e s s ig 1997, Do n g 1998, Do n n e l i w s p ó ła u t. 1998, Sc h w e iz e r i
w s p ó ła u t. 1998, He l l 1999, Ra o i Da v is 1999).
Podczas infekcji patogenu do komórki ro ślinnej, najpierw dochodzi do penetracji ściany komórkowej i zmian w jej chemizmie, struktu rze i funkcji oraz rozpoznania fizykochemiczne go z udziałem płazmolemy. W dalszym etapie następuje szybka interakcja między patogenem a atakowaną komórką, której końcowym efe ktem może być śmierć komórki będąca jedno cześnie sukcesem obronnym przed dalszą in wazją, gdyż w martwych komórkach nie mogą dalej rozwijać się i namnażać patogeny. Ponad to od zainfekowanych komórek stopniowo roz przestrzeniają się sygnały chemiczne do zdro wych, bezpośrednio sąsiadujących z chorymi, a następnie w całej roślinie. Również w postaci lotnych związków przenikają, np. MeSA, do są siednich roślin, aby mogły wcześniej przygoto wać się strukturalnie i metabolicznie do obrony przed inwazją patogenów (Ko m b r in ki So m s s ic h
1995, Kr z y m o w s k ai He n n ig 1995, Ra s k in 1995,
Du r n e r i współaut. 1997, Cz e r p a k i Ba j g u z 1998, Se s k a r i współaut. 1998).
Sygnały chemiczne pochodzące przeważnie od patogenu i częściowo od zainfekowanych komórek, zwane induktorami (elicitorami), wy wołują w zdrowych przylegających do nich ko mórkach reakcje obronne zapobiegające dalszej infekcji w roślinie. Do induktorów reakcji ob ronnej w zainfekowanej roślinie należą wytwa rzane głównie przez patogeny metabolity, zwła szcza enzymy: celulazy, kutynazy, pektynazy, ksylanazy i proteazy oraz różnorodne inhibito ry, toksyny, a nawet węglowodanowe produkty degradacji ściany komórkowej gospodarza. In- duktory wchodząc w interakcje ze specyficzny mi sensorowymi receptorami komórkowymi zainfekowanej rośliny, zlokalizowanymi głów nie w warstwie zewnętrznej płazmolemy, zapo czątkowują ciąg reakcji biochemicznych z
udziałem genomu komórkowego. Efektem tego działania jest wzmożona synteza specyficznych metabolitów o właściwościach inhibicyjnych bądź toksycznych, które ograniczają dalsze roz przestrzenianie się patogenu w zainfekowanej roślinie. Część patogenów potrafi wytwarzać związki supresorowe, które częściowo bądź cał kowicie znoszą efekt działania induktorów syg nalizujących zdrowym komórkom obecność w roślinie patogenu. Również niektóre patogeny, zwłaszcza grzybowe potrafią neutralizować to ksyczne działanie fitoaleksyn, powodując ich hydroksylację, redukcję lub demetylację, bądź inne przemiany metaboliczne (Rye. 1) (Ko m
b r in k i So m s s ic h 1995, Wo b b e i Kl e s s ig 1996, d u i Kl e s s ig 1997, Re y m o n d i Fa r m e r 1998,
Du r n e r i Kl e s s ig 1999, He l l 1999).
Jedną z najbardziej skutecznych i zarazem drastycznych reakcji rośliny na patogeny jest uruchomienie genetycznych mechanizmów za programowanej śmierci, zwanej apoptozą. Efe ktem tego działania jest tworzenie się w zainfe kowanych komórkach nekroz powodujących ich szybką śmierć i jednocześnie uwięzienie w nich czynników patogennych, które nie mogą dalej rozprzestrzeniać się do zdrowych komó rek. Tylko wczesne rozpoznanie przez roślinę patogenu, połączonie z szybką reakcją obronną w miejscu infekcji, prowadzi do ekspresji genów obronnych związanych z SAR. Przede wszy stkim dochodzi do intensywnej syntezy inhibi torów działających bakterio- i grzybostatycznie, a także enzymów uszkadzających i niszczących struktury patogenu, głównie jego białka. W li cznych przypadkach na powierzchni zainfeko wanych komórek pojawiają się specyficzne gli- koproteiny bogate w hydroksyprolinę, które stanowią nie tylko barierę strukturalną dla pa togenów, ale również powodują niespecyficzną aglutynację chorobotwórczych mikroorgani zmów. Natomiast zbyt późne rozpoznanie przez roślinę patogenu z reguły stanowi dla niej śmiertelne zagrożenie z powodu nie uruchomie nia we właściwym czasie lokalnej odpowiedzi i związanej z nią kaskady chemicznych sygnałów i reakcji powodujących ekspresję odpowiednich genów odpowiedzialnych za systemiczną odpo rność nabytą typu SAR (Kl e s s ig i Ma l a m y 1994,
Ra s k in 1995, Fr e y i Ca r v e r 1998, Sc h w e iz e ri współaut. 1998, Sm it h-Be c k e r i współaut. 1998, Wil l it s i Ry a l s 1998, Ca m e r o n i współ aut. 1999, He l l 1999, Mo l in a i współaut.
1999).
W procesach opornościowych roślin na pa togeny ważną rolę odgrywa gen odporności (ang. resistance, R) wywołujący reakcje nad wrażliwości (ang. hypersensitive response, HR), których działanie uzależnione jest od obecności
odpowiedniego genu awirulentnego (ang. aviru- lence, AVR) w atakującym patogenie. Gdy pato gen z genem AVR zaatakuje roślinę dochodzi do jego rozpoznania poprzez odpowiednie sekwen
cje nukleotydowe genu R rośliny. W efekcie następuje ekspresja obu genów, a powstałe pro dukty białkowe wchodzą ze sobą w interakcję
d z ą c e z u d z ia łe m g e n o m u k o m ó rk o w e g o , n a k tó r e s k ła d a s ię g łó w n ie n a jb a r d z ie j s k u te c z n a w d z ia ła n iu s y s t e m ic z n a o d p o r n o ś ć n a b y t a (SAR) (Jo n e s 1994, Wo b b e i Kl e s s ig 1996, Du r n e r i w s p ó ła u t. 1997, Do n g 1998, Do n n e l i w s p ó ła u t. 1998, Fr e y i Ca r v e r 1998, Sc h w e i- z e r i w s p ó ła u t. 1998, Ca m e r o n i w s p ó ła u t.
Ryc. 1. M echanizm y aktywacji genów kom órek zainfekowanych patogenem w celu w yw ołania kaskady reakcji obronnych (wg Kombrinka i Somssicha 1995, zmodyfikowany). (SA, kwas salicylowy: JA, kwas jasm onow y; NO, tlenek azotu; ROS, reaktyw ne form y tlenu)
biochemiczną. W ten sposób roślina rozpoznaje intruza i uruchamia cały szereg lokalnych i systemicznych mechanizmów obronnych w ko mórkach zainfekowanych i w zdrowych, zwłasz cza bezpośrednio stykających się z chorymi. Wyróżniamy tutaj reakcje wczesnego, prawie natychmiastowego reagowania rośliny na pato genu oraz procesy obronne opóźnione
zacho-1999, He l l 1999, H Cc k e l h o v e n i współaut. 1999, Mo l in a i współaut. 1999).
We wczesnej fazie infekcji pod wpływem eli- citora dochodzi do istotnych fizykochemicznych zmian w ścianie komórkowej i plazmolemie. Między innymi następuje szybkie przenikanie jonów potasowych i chlorkowych na zewnątrz komórki, a wnikanie do wnętrza kationów wa
pniowych i wodorowych. Prócz tego pod wpły wem oksydazy z udziałem NADPH2 dochodzi do
wzmożonej syntezy H2O2, a w dalszej konse
kwencji do powstawania reaktywnych form tle nu (ang. reactive oxygen species, ROS), tlenku azotu (NO) i innych metabolitów działających inhibicyjnie bądź toksycznie na patogeny w zainfekowanych komórkach. Równolegle do chodzi do wzmożonej syntezy etylenu, NO,
kwa-nian wapniowy i innych, spełniają rolę sj^gna- łów chemicznych aktywujących kinazy, prze ważnie serynowo-treoninowe, które fosfoiylując białka regulatorowe i histonowe powodują de- represję i aktywację ekspresji genów obron nych. W ten sposób zostaje uruchomiona ka skada chemicznych reakcji składających się głównie na SAR, a także zachodzą strukturalne zmiany w ścianie komórkowej i plazmolemie, co
Ryc. 2. Prawdopodobieństwo w zajem nego powiązania m iędzy syntezą NO, SA, ROS, i cG M P a indukcją obum ierania kom órki lub aktyw acją w niej genów obronnych pod wpływem inwazji patogena (wg DuRNERAi Klessiga 1999, zm odyfikowany). (NOS, syntaza tlenku azotu; PIOX, oksygenaza indukująca patogenezę; PAL, am oniako-liaza L-fenyloalaniny)
sów: jasmonowego (JA) i salicylowego (SA) i innych fenolokwasów oraz fenylopropanoidów, np. kumarynowych, flawonoidowych o właści wościach inhibicyjnych, fitochelatynowych, fi- toncydowych, antybiotycznych, a nawet toksy cznych w stosunku do patogenów. Niektóre z nich jak: SA, JA, etylen, ROS, NO, z udziałem przekaźników typu cAMP, cGMP,
kalmoduli-w formie schematókalmoduli-w przedstakalmoduli-wiają Ryc. 1 i 2
(K le s s ig i M a la m y 1994, K o m b r in k i S o m s s ic h 1995, R askin 1995, W o b b e i K l e s s i g 1996, D u i K l e s s i g 1997, D o n g 1998, D o n n e l i współaut. 1998, F r e y i C a r v e r 1998, R e y m o n d i F a r m e r 1998, C a m e ro n i współaut. 1999, H e l l 1999, R a o i D a vis 1999).
RO LA SA W INDUKCJI EKSPRESJI GENÓW OBRONNYCH ROŚLIN PRZED PATOGENAM I
W przebiegu procesu patogenezy, u roślin zainfekowanych zwłaszcza wirusami lub grzy
bami, ważną rolę spełniają fenolokwasy, na czele z pospolicie występującym SA. W
komór-procesy komórkowe
Ryc. 3. W pływ infekcji w iru sem TM V na m etabolizm S A w tytoniu (N icotiana tabacum) (wg Wobbe i Klessiga
1999)
(Phe, fenyloalanina; PAL, amoniako-liaza L-fenyloalaniny; BA, kwas benzoesowy: BA-2H, 2-hydroksylaza kwasu benzoe sowego: t-CA, kwas trans-cynamonowy: o-CA, kwas orto-kumarowy; SAG, glukozyd SA)
Ryc. 4. Interakcje m iędzy głów nym i szlakam i syntezy kaskad chem icznych sygnałów obronnych a bioch e
micznym i i genetycznym i reakcjam i kom órki na atak patogena (wg Małecka i Dietricha 1999).
(PAL, amoniako-liaza L-fenyloalaniny: BA2H, 2-hydroksylaza kwasu benzoesowego: AOS, syntaza tlenku allenu; AOC, cyklaza tlenku allenu)
kach tytoniu zainfekowanych wirusem mozaiki tytoniowej (ang. tobacco mosaic virus, TMV) SA aktywnie uczestniczy w mechanizmach obron nych związanych z indukowaniem genów odpo
rności na patogenu nie tylko lokalnej, ale także typu HR i SAR. SA wraz z innymi przekaźnikami (sygnałami) chemicznymi komórki, jak: JA, ety len, NO, ROS i innymi metabolitami indukuje i
Rye. 5. Model indukcji biochem icznej odpowiedzi na infekcje wirusów, bakterii i grzybów z udziałem SA aktywującego ekspresję genów kodujących syntezę białek odpornościowych PR (wg Chivasa i C a rra 1998). (AA, antymycyna A; AOX, alternatywna oksydaza; INA, kwas 2,6-dichloroizonikotynowy; KCN, cyjanek potasu; SHAM, kwas salicylohydroksaminowy)
aktywuje ekspresję genów odpowiedzialnych za wszystkie rodzaje odporności roślin przed infe kcją patogenów, a szczególnie typu HR i SAR. Wpływ patogenów na przykładzie wirusa TMV na syntezę i przemiany SA w komórkach zain fekowanego tytoniu przedstawia Rycina 3. Na tomiast interakcje między dwoma szlakami syntezy przekaźników chemicznych: etylenu, SA i JA pod wpływem inwazji patogenów wywo łujących biochemiczne i genetyczne reakcje
ob-cznych mechanizmów zaprogramowanej śmier ci komórki. Dotyczy to tych komórek, które nie są w stanie same obronić się przed inwazją patogenu. Proces ten odbywa się głównie z udziałem intensywnie wytwarzanych wolnych rodników, hydrolitycznych enzymów, zwłaszcza kaspaz i toksyn powodujących szybką śmierć zainfekowanych komórek wraz ze znajdującymi się w nich patogenami. W ten sposób następuje ochrona sąsiednich zdrowych komórek rośliny
Ryc. 6. Rola S A w ekspresji genów odpowiedzialnych za odporność lokalną i system iczną nabytą na działanie stresów m etabolicznych, środowiskowych i infekcje patogenów, na przykładzie rzodkiew nika pospolitego
[Arabidopsis thaliana) (wg D u rnera i współaut. 1997). ronne komórki roślinnej uwidacznia schemat na Rycinie 4 ( K l e s s i g i M a la m y 1994, K o m b rin k
i S o m s s ic h 1995, W o b b e i K l e s s i g 1996, R ey-
m on d i F a r m e r 1998, Z h o u i współaut. 1998,
H O c k e lh o v e n i współaut. 1999, M a le c k i D ie t r i c h 1999, R a o i D a v is 1999).
Do ostatecznych reakcji obronnych w zain fekowanej roślinie należy uruchomienie
genety-przed dalszym rozprzestrzenianiem się patoge nu, co w efekcie końcowym zabezpiecza orga nizm przed całkowitym porażeniem — stanem chorobowym (K o m b rin k i S o m s s ic h 1995, Du i
K l e s s i g 1997, V i d a l i współaut. 1998, D u r n e r
i K l e s s i g 1999, R a o i D a vis 1999).
REG U LU JĄCE DZIAŁANIE S A W M OLEKULARNYCH M ECHANIZM ACH SAR
Doświadczenia z mutantami rzodkiewnika pospolitego (Arabidopsis thaliana), wykazujący mi zaburzenia w procesach obronnych, pozwo liły zidentyfikować geny kontrolujące SAR. U wyselekcjonowanych mutantów rzodkiewnika pojawiły się nekrozy podobne do nekroz wywo
łanych przez patogen. Jest to jeden z typów mutantów charakteryzujących się ekspresją ge nów PR, podwyższonym poziomem endogenne go SA oraz wzbudzoną odpornością systemicz ną (SAR). Zaliczamy tutaj mutanty typu: cpr (ang. constitutive expresser of PR genes), lsd
(ang. lession simulating disease), acd2 (ang. accelerated cell death), cim3 (ang. constitutive imminity), cepl (ang. constitutive expression of
PR genes), ssil (ang. suppresor of salicylate
intensitivity), dndl (ang. defense with no HR cell death). Drugim rodzajem mutantów Arabi-
dopsis są rośliny, w których nie dochodzi do
ekspresji genów PR pod wpływem SA, np. npr (ang. nonexpresser of PR genes), edrl (ang. enhanced disease resistance). W przypadku mutantów cpr pojawiają się nekrozy podobne do nekroz wywołanych przez HR. Z kolei wpro wadzenie do mutantów cpr genu NAHG (gen kodujący enzym hydroksylazę salicylanową)
białka o nieznanej funkcji) i BGL2, których zadaniem jest wywołanie odpowiedzi obronnej przeciwko grzybom, między innymi Peronospo-
raparasitica (Ryc. 4, 7, 8, 9) ( C l a r k e i współaut.
1998, D o n g 1998, M a n n e r s i współaut. 1998,
M a l e c k i D ie t r ic h 1999, S h a h i współaut.
1999).
Zintegrowane działanie cząsteczek sygnało wych JA, etylenu i SA reguluje zarówno ekspre sję genów obronnych, jak i ekspresję genów: PR, defensyn (PDF 1.2) i tionin (Thi2.1) w indukcji odporności na szkodliwe działanie owadów lub grzybów na komórki pomidora, tytoniu czy rzodkiewnika. Przykładem jest zainfekowanie S k a le c z e n ie śc ia n y k o m ó rk o w e j A w iru le n tn y p a to g e n W irulentny p a to g e n O d p o w ie d ź na zra nienie P D F 1.2, Thi2.1 ISR ge n y P R O d p o rn o ś ć na P e r o n o s p o r a p a r a s i ti c a S A R o d p o rn o ś ć na: P. pa ra si tic a
Ryc. 7. M odel głównych szlaków działających w roślinach o szerokim spektrum odpowiedzi biochem iczno- genetycznej na infekcje patogenam i wirulentnym i i awirulentnym i oraz skaleczenia ściany kom órkowej (wg
Do n g a 1998).
powoduje blokadę ekspresji genów PR, która zależna jest od biosyntezy SA. Mutanty nprl nie indukują odporności SAR pod wpływem pato genu, SA czy też syntetycznego kwasu 2,6- dichloroizonikotynowego (INA) lub benzotiadia- zolu (BTH). Sugeruje to, że gen n p r i reguluje procesy indukowane przez SA (Ryc. 5, 6). W związku z tym, że gen n p r i może funkcjonować
z CPR6 lub ssil w regulacji genów indukowanych przez JA, to jest PDF1.2 i Thi2.1, jak również przez SA w indukcji genów PR-1 (kodującego
Arabidopsis przez grzyb Fusarium oxysporum
sp. matthiole prowadzi do indukcji genu tioniny
[Thi2.1], natomiast infekcja przez grzyb Alterna- ria brassicola wzbudza gen defensyny PDF 1.2.
Wynikiem tego działania jest indukcja genów
PIN (kodujących inhibitory proteinaz, proteina
se inhibitor). Sygnałami w szlaku reakcji obron nej na atak patogenu są JA i etylen, które działają synergistycznie na indukcję genów ob ronnych oraz stymulację ich biosyntezy. Geny kodujące defensyny i tioniny prowadzą do po
wstania indukowanej odporności systemicznej (ang. induced systemie resistance, ISR). Dodat kowo biochemizm aktywności i korelacja w akumulacji JA i etylenu w indukcji genu odpo rności stanowi dowód o ewidentnej roli tychże hormonów w odporności na atak patogenu. Mutacja ja rl zachodząca w genach typu JAR (ang. JA-intensitive, prawdopodobnie receptor JA) oraz ETR1 (receptor etylenu) uniemożliwia
INA. W rezultacie następuje indukcja genów PR związana z odpornością na patogeny bakteryjne i grzybowe poprzez alternatywną oksydazę (ang. alternative oxidase, AOX) — enzymu mitochon- drialnego alternatywnego szlaku oddychania, który może być blokowany przez kwas salicy- lohydroksaminowy (salicylhydroxyamic acid, SHAM). Indukcja akumulacji transkryptu AOX następuje takie przez SA, INA lub inhibitory
Ryc. 8. Proponowany m odel funkcji regulacyjnej genów CPR6 i NPR1 z udziałem SA w indukcji genów
związanych z obronną odpow iedzią roślin na patogeny bakteryjne i grzybowe (wg Clarke’A i współaut. 1998).
wzbudzenie ISR, alternatywnego szlaku dla SAR, niezależnego od SA, w którym głównymi mediatorami są JA i etylen. Z kolei NPR1, w przeciwieństwie do genów CPR, kontroluje pro cesy indukowane przez SA (Ryc. 7 i 8) (Cl a r k e i współaut. 1998, Do n g 1998, Te r r a s i współ aut. 1998).
Zainfekowane mutanty Arabidopsis lsd cha rakteryzują się podwyższonym poziomem SA, który stymuluje pojawienie się nekroz powodu jących obumarcie zarażonych komórek. Z kolei
mutanty lsd z wprowadzonym bakteryjnych ge nem NAHG nie wykazują wystąpienia nekroz, które są przywrócone po podaniu mutantom
oddychania: antymycynę A (AA), cyjanek pota su (KCN). Również stymulacja transkryptu AOX odbywa się bezpośrednio poprzez zahamowanie aktywności akonitazy wywołanej przez SA. W mitochondrium akonitaza bierze udział w cyklu Krebsa, w przemianie cytrynianu do izocytry- nianu. Inaktywacja akonitazy przez SA prowa dzi do podwyższenia poziomu cytrynianu, który może indukować ekspresję genu AOX. Dlatego też SA jako mediator inhibicji akonitazy prowa dzi do wzrostu aktywności AOX, a tym samym do wzbudzenia odporności na patogeny wiruso we (Ryc. 2, 5) (Ch iv a s a i Ca r r 1998, Du r n e r i
PODSUMOW ANIE
W reakcjach obronnych roślin przed pato genami wyróżnia się reakcje natychmiastowe o charakterze lokalnym i opóźnione typu nadwra żliwości (HR) i systemicznej odporności nabytej (SAR). W reakcjach nadwrażliwości (HR) zasad niczy mechanizm polega na interakcji białka kodowanego przez gen odpornościowy (R)
rośli-rych zależy intensywność ekspresji genów o funkcji obronnej i odpornościowej roślin.
W przebiegu procesów obronno-odporno- ściowych roślin przed patogenami, zwłaszcza grzybowymi i wirusowymi, ważną rolę spełnia SA, który jest jednym z głównych sygnałów chemicznych pośrednio uczestniczących w
in-Ryc. 9. Prawdopodobne pow iązania m iędzy S A a genami: NPR1, SS/1, PR i PDF1.2 w odpornościowej
odpowiedzi roślin na infekcje patogenów (wg Shaha i współaut. 1999).
ny z białkiem genu awirulencji patogenu [AVR]. W molekularnych mechanizmach obronnych przed patogenami typu SAR podstawową rolę spełniają białka odpornościowe.
Podczas inwazji patogenów ważną rolę speł niają elicitoiy tzw. wywoływacze, które łącząc się ze swoistymi receptorami komórkowymi uruchamiają całą kaskadę reakcji biochemicz nych odpowiedzialnych za syntezę białek bez pośrednio lub pośrednio związanych z obroną roślin przed dalszym rozprzestrzenianiem się patogenów. Elicitory mogą pochodzić z patoge nu, np. produkt białkowy genu AVR, a także niektóre metabolity komórek roślinnych mogą pełnić tę rolę, np. kwas arachidonowy, hepta— glukozyd, niektóre fitoaleksyny, itp. W mecha nizmach aktywacji genów komórek zainfekowa nych patogenem zasadniczą rolę spełniają ko mórkowe sygnały chemiczne, takie jak: SA, JA, NO, ROS, etylen i inne, które z udziałem przekaźników typu cAMP, cGMP, IP3, kalmodu-
linian wapniowy i innych bezpośrednio oddzia- ływują na aktywność kinaz i fosfataz, od
któ-dukowaniu genów związanych z mechanizma mi odporności na infekcje typu HR i SAR. W odpowiedzi roślin na działanie patogenu nastę puje wzbudzenie SAR wraz ze wzrostem pozio mu SA, np. w mutantach cpr Arabidopsis tha-
liana. W przypadku mutantów npr dochodzi do
procesów obronnych uruchamianych przez SA. Przeciwieństwem SAR jest indukowana syste- miczna odporność typu ISR, której wzbudzenie jest niezależne od SA. Głównymi mediatorami ISR jest etylen i kwas jasmonowy. Pomimo po znania szeregu genów odpornościowych, nie wyjaśnione pozostają do końca ich funkcje oraz molekularne mechanizmy rozpoznawania awi- rulentnych patogenów przez rośliny. Badania laboratoryjne sprowadza się wyłącznie do stwierdzenia odpowiedzi obronnej przed pato genem odnośnie udziału pojedynczych genów. Natomiast w środowisku naturalnym w mecha nizmach odpornościowych roślin uczestniczy dużo genów, które najprawdopodobniej ze sobą współdziałają, zwłaszcza różnorodne produkty ich ekspresji.
TH E ROLE OF SALICYLIC ACID IN D EFENCE RESPONSES OF PLANTS TO T H E ACTIO N OF PATHOGENS
S u m m a r y Salicylic acid is an important signal molecule which plays a critical role in plant defence responses against pathogen attack. These responses include the induction of local and systemic disease resistance or cell death. The mechanisms through which salicylic acid mediates these effects are varied. They involve alterations in the activity or
synthesis of certain enzymes, or increased defence gene expression. Recent studies demonstrated that jasmonic acid, ethylene and nitric oxide are important for the induc tion of non-specific disease resistance through signalling pathways which may be regulated by salicylic acid.
LITERATU RA
Ca m e r o n R. K., Pa l v a N. L., La m b C. J., Dix o n R. A., 1999.
Accumulation o f salicylic acid and PR-1 gene transcripts in relation to the systemic acquired resistance (SAlR) response induced by Pseudomonas syringae pv. tomato inArabidopsis. Physiol. Mol. Plant Pathol. 55, 121-130.
Ch iv a s aS., Ca r r J . P., 1998. Cyanide restores Ngene-medi
ated resistance to tobacco mosaic virus in transgenic tobacco expressing salicylic acid hydroxylase. Plant Cell
10, 1489-1498.
Cl a r k eJ. D., Liu Y., Kl e s s i gD . F., Do n gX ., 1998. Uncoupling
PR gene expression from NPR1 and bacterial resistance: characterization o f the dominant Arabidopsis cpr6-l mutant. Plant Cell 10, 557-569.
Cz e r p a k R., Ba j g u zA., 1998. Aktywność fizjologiczna i meta
boliczna kwasu salicylowego u roślin. Kosmos 47, 83-93.
Do n g X . , 1998. SA, JA, ethylene and disease resistance in
plants. Curr. Opinion Plant Biol. 1, 316-323.
Do n n e l P. J., Tr u e s d a l e M. R ., Ca l v e r t C . M., Do r a n s A.,
Ro b e r t sM. R ., Bo w l e s D . J., 1 9 9 8 . A novel tomato gene
that rapidly responds to wound and pathogen related signals. Plant J. 14, 1 3 7 - 1 4 2 .
Du H., Kl e s s ig D. F., 1997. Role fo r salicylic acid in the
activation o f defense responses in catalasa deficient transgenic tobacco. Mol. Plant Microbe Interact. 10,
922-925.
Du r n e rJ., Kl e s s ig D. F., 1999. Nitric oxide as a signal in
plants. Curr. Opinion Plant Biol. 2, 369-374.
Du r n e r J ., Sh a h J . , Kl e s s ig D . F ., 1997. Salicylic acid and
disease resistance in plants. Trends Plant Sci. 2, 266-
274.
Fr e yS ., Ca r v e rT. L.W., 1998. Induction o f systemic resistance
in pea to pea powdery mildew by exogenous application of salicylic acid. J . Phytopathol. 146, 239-245.
He l l M., 1999. Systemic acquired resistance: available in
formation and open ecological questions. J. Ecol. 87,
341-346.
Hu c k e l h o v e n R., Fo d o r J., Pr e is C., Ko g e l K. H., 1999.
Hypersensitive cell death and Papilla formation in bar ley attacked by the powdery mildew fungus are associ ated with hydrogen peroxide but not with salicylic acid accumulation. Plant Physiol. 119, 1251-1260.
Jo n e sA. M., 1994. Surprising signals in plant cells. Science
263, 183-185.
Ka z a n K., Mu r r a y F. R., Go u l t e r K. C., Ll e w e l l y n D. J.,
Ma n n e r sJ. M., 1998. Induction o f cell death in trans
genic plants expressing a fungal glucose oxidase. Mol.
Plant Microbe Interact. 11, 555-562.
Kl e s s ig D. F., Ma l a m yJ., 1994. The salicylic acid signal in
plants. Plant Mol. Biol. 26, 1439-1458.
Ko m b r in k E., So m s s ic h I. E., 1995. Defense response of
plants to pathogens. Advan. Bot. Res. 21, 1-34.
Kr z y m o w s k a M., He n n ig J., 1995. Molekularne podstawy
oddziaływania patogenów z komórkami roślinnymi
Kosmos 44, 527-534.
Le n n o n A . M ., Ne u e n s c h w a n d e rU . H ., Ri b a s-Ca r b o M ., Gil e s
L., Ry a l sJ. A., Si e d o wJ . N., 1997. The effects o f salicylic
acid and tobacco mosaic virus infection on the alterna tive oxidase of tobacco. Plant Physiol. 115, 783-791.
Ma l e c kK., Die t r ic h R. A., 1999. Defense on multiple fronts:
now do plants cope with diverse enemies? Trends Plant
Sci. 4, 215-219.
Ma n n e r sJ. M., Pe n n i n c k xI. A. M. A., Ve r m a e r eK., Ka z a nK.,
Br o w n R. L., Mo r g a nA., Ma c l e a n D. J., Cu r t is M. D.,
Ca m m u e B. P. A., Br o e k a e r tW. F., 1998. The promoter
of the plant defensin gene PDF1.2 from Arabidopsis is systemically activated by fungal pathogens and re sponds to methyl jasmonate but not to salicylic acid.
Plant Mol. Biol. 38, 1071-1080.
Me r k o u r o p o u l o sG . , Ba r n e t tD. C., Sh i r s a tA . H ., 1999. The
Arabidopsis extensin gene is developmentally regulated is induced by wounding, methyl jasmonate, abscisic acid and salicylic acid and codess fo r a protein with unusual motifs. Planta 208, 212-219.
Mo l in aA., G Or l a c h J., Vo l r a t h S., Ry a l sJ., 1999. Wheat
genes encoding two types o f PR-1 proteins are pathogen inducible but do not respond to activators of systemic acquired resistance. Mol. Plant Microbe Interact. 12,
53-58.
Nik iT., Mit s u h a r aI., Se o S., Oh t s u b o N., Oh a s h iY., 1998.
Antagonistic effect o f salicylic acid andjasmonic acid on the expression o f pathogenesis-related (PR) protein genes in wounded mature tobacco leaves. Plant Cell
Physiol. 39, 500-507.
Ra oM. V., Da v isK. R., 1999. Ozone induced cell death occurs
via two distinct mechanisms in Arabidopsis: the role of salicylic acid. Plant J. 17, 603-614.
Ra s k inI., 1995. Salicylic acid. [W:] Plant Hormones. Physio
logy, Biochemistry and Molecular Biology. Da v ie s P. J.
(red.). Kluwer Acad. Publ., Dordrecht-Boston-London,
188-205.
Re y m o n d P., Fa r m e r E . E ., 1998. Jasmonate and salicylate
as global signals fo r fefense gene expression. Curr.
Opionin Plant Biol. 1, 404-411.
Sc h w e iz e r P., Bu c h a ł a A., Du d l e r R., 1998. Induced sys
temic resistance in wounded rice plants. Plant J. 14,
475-481.
Se s k a rM., Sh u l a e v V ., Ra s k inI., 1998. Endogenous methyl
salicylate in pathogen-inoculated tobacco plants. Plant
Physiol. 116, 387-392.
Sh a hJ., Ka c h r o o P., Kl e s s ig D. F., 1999. The Arabidopsis
ssil mutation restores pathogenesis-related geneex- pression in nprl plants and renders defensin gene expression salicylic acid dependent. Plant Cell 11, 191-
206.
Sm it h- Be c k e rJ., Ma r o is E., Hu g u e tE. J., Mid d l a n d S. L.,
Sim sJ. J., Ke e nN. T., 1998. Accumulation o f salicylic
acid and 4-hydroxybenzoic acid in phloem fluids of cucumber during systemic acquired resistance is preceded by a transient increase in phenylalanine am
monia-lyase activity in petioles and stems. Plant Physi
ol. 116, 231-238.
Te r r a s F. R. G., Pe n n i n c k x I. A. M. A., Go d e r is I. J.,
Br o e k a e r tW. F., 1998. Evidence that the role o f plant
defensin in radish defense responses is independent of salicylic acid. Planta 206, 117-124.
Vi d a lS ., Er ik s s o nA. R. B., Mo n t e s a n oM., De n e c k eJ., Pa l v a
E. T., 1998. Cell wall-degrading enzymes from Ervinia
carotovora cooperate in the salicylic acid-independent induction o f a plant defense response. Mol. Plant
Microbe Interact. 11, 23-32.
Wi l l i t sM . G., Ry a l sJ. A., 1998. Determining the relationship
between salicylic acid level and systemic acquired re
sistance induction in tobacco. Mol. Plant Microbe Inter
act. 11, 795-800.
Wo b b e K . K ., Kl e s s ig D . F., 1996. Salicylic acid — an
important signal in plants. [W :] Plant Gene Research.
De n n isE. S. (red.). Springer-Verlag. Berlin, 167-196.
XieZ., Ch e nZ., 1999. Salicylic acid induces rapid inhibition
o f mitochondrial electron transport and oxidative phos phorylation in tobacco cells. Plant Physiol. 120, 217-
225.
Zh o uN., To o t l eT. L., Ts u iF., Kl e s s ig D. F., Gl a z e b r o o kJ.,
1998. PAD4 functions upstream from salicylic acid to
control defense responses in Arabidopsis. Plant Cell 10,
