_ Polskie
1995, 44 (3- 4): 561-567
TowarzystwoPL ISSN 0023-4249 S o ™
KOSMOS
Kr y s t y n a Br z e z i c k a- Sz y m c z y k
Katedra Botaniki, Wydział Rolniczy Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego Rakow iecka 26/30, 02-528 Warszawa
INFEKCJA, ROZPOZNANIE, ODPOWIEDŹ W INTERAKCJACH GRZYBÓW PATOGENICZNYCH Z ROŚLINAMI
Strategia grzybowej infekcji zależy między innymi od sposobu odżywiania się patogena. Z tego względu grzyby dzielimy na: nekrotroficzne, biotroficzne oraz czasowo biotroficzne. Pierwsze stanowią grupę mało wyspecjalizowanych pato genów, które porażają rośliny wydzielając różnego rodzaju substancje (toksyny, enzymy) i rozwijają się wewnątrz znekrotyzowanej tkanki. Drugie penetrują żywe tkanki gospodarza wytwarzając strzępki międzykomórkowe łub wewnątrzkom ór kowe haustoria (rys. 1). Patogeny czasowo biotroficzne w pierwszej fazie
wytwa-Rys. 1. W zależności od sposobu odżywiania się grzyby biotroficzne wytwarzają grzybnię międzykomórkową (I) łub grzybnię z haustoriami (II), natomiast grzyby nekrotroficzne rozrastają się w obumarłej tkance gospodarza (III) (ep — epiderma; ma — miękisz asy- milacyjny; z m a — znekrotyzowany miękisz asymilacyjny (oznaczony czarnym kolorem). rzają strzępki międzykomórkowe i haustoria, by w drugiej fazie wytworzyć silnie rozwiniętą grzybnię wtórną ju ż w znekrotyzowanych tkankach (Cru te i w spół aut. 1985, Ma n s f ie l d 1984, Keen 1986). W czasie infekcji pom iędzy patogenem a żywicielem je st wymienianych wiele sygnałów (Me n d g e n i współaut. 1988). Taka „dyskusja” może zapewnić sukces patogenowi lub roślinie. Sygnały w ysy łane od patogena nazwano induktorami (elicitors). Są to molekuły wywołujące reakcje obronne (Wo lo s h u ki Ko la tt u k u d y 1986). Mogą nimi być:
— enzym y wytwarzane przez patogena;
— specyficzne węglowodany pochodzące ze ścian komórek patogena (Ko g e l i współaut. 1985, Ma n s fie ld 1986);
— fragm enty ścian komórkowych żywiciela, które mogą indukować reakcje obronne innych komórek żywiciela (Davis i Ha h l b r o c k 1987).
Induktory mogą być odbierane przez receptory (sensory) — są to cząsteczki zdolne do rozpoznania induktora. Stanowią je białka i glikoproteiny zlokalizowane na zewnętrznej powierzchni ściany komórkowej i w plazmolemie komórek żywiciela.
Patogen może znieść efekt działania induktora wytwarzając supresor (Oku i współaut. 1987).
W procesie infekcyjnym można wyróżnić trzy etapy: kiełkowania, wnikania i pasożytowania.
KIEŁKOWANIE
Zarodniki, które znalazły się na powierzchni rośliny są przytwierdzane do niej za pom ocą substancji klejących (Ma tth y s s e 1987). Kiełkowanie spor zacho dzi w odpowiednich warunkach wilgotnościowych, temperaturowych i świetl nych (St a p l e s i Ma ć k o 1984). Patogeny mogą wnikać do rośliny bezpośrednio przez skórkę, aparaty szparkowe lub zranienie. Zarodniki na powierzchni rośliny wytwarzają strzępki kiełkowe i przycistki (appresoria). W zrost strzępki kiełkowej może być ukierunkowany tigmo- i chemotropizmem a także kształtem komórek skórki. Rozpoznanie aparatu szparkowego jest związane z innym kształtem komórek przyszparkowych, z położeniem ich w stosunku do innych komórek skórki a także z bodźcem chemicznym i termicznym (Sta p l e s i Ma ć k o 1984,
St a p l e s i współaut. 1985, Ho chi Sta pl e s 1987). Nad aparatem szparkowym je s t
wytwarzane appresorium, z którego dolnej powierzchni wyrasta strzępka infe kcyjna przekształcająca się w komorze podszparkowej w pęcherzyk podszparko- wy. Z niego wyrastają pierwsze strzępki międzykomórkowe. Na powierzchni rośliny kiełkuje większość zarodników bez względu na ich dalsze losy. Na tym etapie może dojść pom iędzy patogenem a żywicielem do wym iany pierwszych sygnałów opisywanych jako rozpoznawcze. Otóż patogeny wnikające bezpośred nio przez skórkę mogą pod wpływem kutyny wydzielać enzym kutynazę rozkła dający kutykulę. Rośliny natomiast mogą rozpoznać chitynę (składnik ściany komórkowej grzyba) (Wo lo s h u ki Ko la tt u k u d y 1986). Patogeny wnikające przez aparaty szparkowe w obawie przed rozpoznaniem przez gospodarza potrafią obudować appresorium szczelnie glukanami ukrywając w ten sposób chitynę
(Me n d g e n 1988).
WNIKANIE
W łaściwa batalia między patogenem a żywicielem zachodzi wewnątrz rośliny na powierzchni kom órek mezofilu. Grzyby biotroficzne muszą pokonać ścianę komórkową, wniknąć do komórki i wytworzyć ssawkę (rys. 2). Komórką odpo wiedzialną za ten manewr jest komórka macierzysta ssawki. Mała, wierzchołkowa
Interakcje grzybów patogenicznych z roślinami 563
kom órka strzępki, która mechanicznie i enzymatycznie (celulazami i pektynaza- mi) rozluźnia zwartą strukturę ściany komórkowej. Kolejną barierą, na jak ą napotyka intruz, je s t błona komórkowa (plazmolema) — żywy elem ent protopla stu z licznym i receptorami zdolnymi do zidentyfikowania patogena. W tym m iejscu patogen zachowuje się szczególnie ostrożnie. W nika w głąb protoplastu nie naruszając ciągłości plazmolemy. Umieszczając ssawkę w komórce zapewnia sobie dostęp do substancji odżywczych żywiciela. Kosztem pobieranych skład ników pokarm owych gospodarza rozbudowuje grzybnię i tworzy właściwe sobie struktury zarodnikowe (Br z e z i c k a- Sz y m c z y k i współaut. 1988). Tak zachowuje się „idealny” żywiciel. Powszechnie rośliny wytwarzają szereg mechanizm ów nie tylko identyfikujących patogena, ale także zatrzymujących jego wzrost i rozwój.
W yróżniam y dwa typy odporności:
— odporność typu gospodarza (host resistance) — odporność rośliny na jej patogeny;
— odporność typu niegospodarza (nonhost resistance) — odporność rośliny na patogeny, które normalnie nie są w stanie jej porazić (R id e 1985, N ick s
1987, 1988). Genetycznie uwarunkowane mechanizmy odpornościowe mają charakter uniwersalny i są skierowane przeciwko całym grupom potencjalnych patogenów. R ide (1985) podzielił te mechanizmy na: nega tywne — wynikające z braku czynników koniecznych do wzrostu i rozwoju grzyba i pozytywne — związane z obecnością lub wytworzeniem czynników hamujących wzrost i rozwój patogena.
Należą do nich:
Fitoaleksyny — związki o niskim ciężarze cząsteczkowym. W ystępujące bardzo często w roślinach flawonoidy, antocyjany, alkaloidy mają charakter fungistatyczny. Mogą być produkowane de novo przy zranieniach i w czasie infekcji na przykład: pisatyna, faseolina, avenoluminy (Avl I, II, III) (Mayama i współaut. 1981, B o ile y i Ingham 1971, K een i l i t t l e f i e l d 1979, K een i w spół aut. 1983).
Rys. 2. Pow staw an ie haustorium (h) otoczo nego ciągłą plazmolemą (pl) jest wynikiem swo bodnej penetracji ko m órki m a c ie rz y s te j h a u s to riu m (k m h) przez ścianę komórko wą (ś k). Wokół hausto rium są w id o c zn e organella komórkowe, eh — chloroplast, m — mitochondrium , er — retikulum endoplazma- tyczne.
Lignina, kalloza, fenole i depozyty krzemowe — substancje związane z mo dyfikacją ściany komórkowej. Obserwowane są u roślin bardzo wcześnie rozpo znających patogena (już na powierzchni ściany komórkowej). Komórka reaguje wówczas lokalnym pogrubieniem ściany komórkowej w miejscu kontaktu ze strzępką grzyba, lub tworzy „papillę” (rys. 3), strukturę zamykającą ssawkę wewnątrz ściany komórkowej (Crute i współaut. 1985, Aist i Gold 1987, Heath
1981, Tiburzy i Reisener 1990).
Rys. 3. Powstawanie papilli (p) jest wynikiem aktywnej odpowiedzi atakowanej komórki. Komórka macierzysta haustorium (k m h) zostaje zamknięta w ścianie komórkowej (ś k) poprzez odkładanie w tym miejscu złogów kallozy i ligniny. Wokół papilli plazmolema ulega inwaginacji a w jej pobliżu są skupione diktiosomy (d), mitochondria (m), kanały retikulum endoplazmatycznego (er). Chloroplasty (eh) zajmują położenie przyścienne.
MRGP (hydroxyproline-rich glicoproteins) — specyficzne glikoproteiny gro madzone na powierzchni zainfekowanych komórek mogących pełnić funkcję barier strukturalnych i powodować niespecyficzną aglutynację m ikroorgani zm ów (Ca s s a b i Va r n e r 1988, Cla r k e i współaut. 1981).
PRP — (pathogenesis related proteins) — białka związane z patogenezą. Są to najczęściej:
— enzym y k on trolujące szlak m etaboliczny fenoli i lignin (Ya m a m o t o i współaut. 1977, 1986),
— oksydazy NADPH uwalniające H
2
O2
(Do ke 1985, Ta n a k ai współaut. 1993) — ß-1,3 glu kanazy i chitynazy (Leg ran d i Ka u f f m a n 1987, Ko m b r in k i współaut. 1988). W zrost aktywności tych enzymów jest związany z dys funkcją plazmolemy, uwolnieniem z niej endogennych czynników urucha miających transkrypcję i translację m-RNA (Ko g e l i współaut. 1985, Ma n s f ie l d 1990).Jedną z najdrastyczniejszych reakcji rośliny na obecność patogena je st tworzenie nekroz. W miejscu infekcji gwałtownie obumierają zainfekowane komórki a razem z nimi ginie patogen (Ma n s fie ld 1984, 1986).
Zgodnie z koncepcją „gen do genu” procesy odpornościowe zachodzą w rośli nie tylko wówczas, gdy rośliny posiadają gen odporności R a patogen dysponuje
Interakcje grzybów patogenicznych z roślinami 565
genem awirulencji A vr (Flo r 1971). Każdy inny układ genetyczny wywołuje podatność (wrażliwość). Znane są geny odpowiedzialne za reakcje nadwrażliwo ści HR — (hypersensitiv resistance). Gen Sr5 pszenicy wywołuje HR na Puccinia
gram inis f. sp. tritici (Tib u r z y i Re is e n e r 1990), gen L7, K u lnu wywołuje HR na
M elam psora lini (Keeni Littlef ie ld 1979, Keeni współaut. 1983), geny Dm sałaty — odporność na Bremia lactucae (Ma n s fie ld i współaut. 1988). Efekt działania tych genów przejawia się produkcją fitoaleksyn i modyfikacją ścian kom órko wych. Infekcja, rozpoznanie, odpowiedź to główne etapy skomplikowanego m e chanizmu wzajem nych oddziaływań w układzie grzyb — roślina (rys. 4). Im
Infekcja
i
W stępnapenetracja
R o zpjznanie Brak rozpoznania Zmiany w ścianie komórkowej Penetracja
Brak penetracji Ściana komórkowa Rozpoznanie supresja d y s f u n k rozpoznanie c j a b ł o n y r *
11
'1
ig. ö| l o
g|£ $ 1 <D O) I O L-gn pari Aktywna odpowiedźi
Zmiany w ścianiet
1
Biosynteza i akurr i t Bibsyntfeza HGRP i PRP'
1
t
I I « LTraosjuypcja i translacja Brak rozpoznania Plazmolema komórko\ ulacja fitoaleksyn 0\g>. oMa PenetracjaL
^ P rz e s ła n ie informacji do komórek otaczających iW tórne rozpoznanie w komórkach otaczających miejsce infekcji
Rys. 4. Schemat oddziaływań grzyb — roślina (wg Ma n s f ie l d a 1990 — zmienione). Przerywane linie oznaczają możliwość istnienia takiego szlaku.
wcześniejsze rozpoznanie patogena tym większa szansa na jego inaktywację. W ażna je s t nie tylko reakcja komórki atakowanej ale także szybkość z ja k ą inform acja o infekcji dociera do komórek otaczających. Niezwykle tru d n yjest do ustalenia mechanizm współdziałania (oddziaływania) patogen-roślina prowa dzący krok po kroku od rozpoznania do odporności lub kolonizacji rośliny. W yjaśnienie tych zależności należy ju ż do biochemików i biologów m olekular nych.
INFECTION, RECOGNITION AND RESPONSE IN THE INTERACTION BETWEEN FUNGAL PATHOGENS AND PLANTS
S u m m a ry
During plant infection by fungi there is an exchange of stimuli coming from the pathogen (inducers) and from the host (receptors). These signals enable the pathogen to recognize the target and to invade the host plant. On the other hand, the plant becomes informed about the infection and counteracts it, more or less efficiently. The speed of the exchange and recognition o f those informations may be decisive for the plant becoming invaded or remaining resistant.
LITERATURA
A i s t J. R., G o l d R. E., 1987. Prevention o f fungal ingress, The role o f papillae and calcium. [W:] Molecular determinantes o f plant diseases. N ish im u ra S. i współaut. (red). Japan Sei. Soc. Press. Tokyo i Springer-Verlag Berlin, 197-309.
B r z e z ic k a - S z y m c z y k K., G o lin o w s k i W., G a s o w s k iA . , 1988. Zmiany cytologiczne mezofilu kilku odmian pszenicy ja rej porażonych rdzą brunatną. Biul. IHAR 32, 3/4, 79-93.
B o i l e y J. A., In gh a m J. L., 1971. Phaseolin accumulation in bean (Phaseolus vulgaris) in response infection by tobacco necrosis virus and the rust Uromyces appendiculatus. Physiol. Plant. Pathol. 1, 451
C l a r k e J. A., L i s k e r N., L a m p o r t D. T. A., E l l i n g b o e A. H., 1981. Hydroxyproline enhancement as primary event in the succesful development ofErysiphe graminis in wheat. Plant Physiology 67,
188-189.
C a s s a b G. J., V a r n e r J. E., 1988. Cell wallproteins. Anu. Rev. Physiol. Plant. Mai. Biol. 39, 321-353. C r u t e I. R., de W i t P. J. G. M., W a d e M., 1985. Mechanisms by which genetically controlled resistance
and wirulence influence host colonization by fungal and bacterial parasites. [W:] Mechanisms o f resistance to plant diseases. F r a s e r R. S. S. (red). Martinus Nyhoff-Dr W Junk Publishers Dordrecht, 197-309.
D a v is K. R., H a h l b r o c k K., 1987. Induction o f defense responses in cultured parsley cells by plant cell wall fragments. Plant Physiol. 85, 1286-1290.
D o k e N., 1985. NADPH — dependent O2 generation in membrane fractions isolated from woundet potato tubers inoculated with Phytophthora infestans. Physiol. Plant Pathol. 27, 311-322. F l o r H . H., 1971. Current status o f the gen e—f o r — geneconcept. Ann. Rev. Phytopathol. 9, 257-296. H e a t h M. C., 1981. The suppresion o f the development o f silicon — containing deposits in French bean
leaves by exudates o f the bean rust fungus and extracts from bean rust — infected tissue. Physiol Plany Pathol. 18, 149.
H o c h H. C., S t a p le s R. C., 1987. Structural and chemical changes among the rust fu n g i during appresorium development. Ann. Rev. Phytopathol. 25, 231-247.
K e e n N. T., L i t t l e f i e l d L. J., 1979. The possible association o f phytoalexins with resistance gene expression in fla x to Melampsora lini. Physiol. Plant. Pathol. 14, 265.
K e e n N. T., Y o s h ik a w a M., W a n g M. C., 1983. Phytoalexin elicitor activity o f carbohydrates from Phytophtora megasperma f.sp. glicinea and other sources. Plant Physiol 71, 466-471.
K e e n N. T., 1986. Pathogenic strategies fo r fungi . [W:] Recognition in microbe-plant symbiotic and pathogenic interactions. Lugtenberg B. (red) Springer-Verlag, Berlin, 171.
Interakcje grzybów patogenicznych z roślinami 567
K o g e l K . H ., S c h r e n k F ., S h a r o n N ., R e is e n e f H . J., 1985. Suppresion oh the hypersensitive response in wheat stem rust interaction by reagents with affinity fo r wheat plasma membrane galactocon- jugates. J. Plant Physiol. 118, 343.
K o g e l G . , B eissm an n B., R e i s e n e r H . J., K o g e l K., 1991. Specific binding o f hypersensitive ligniflcation elicitor from Puccinia graminis f. sp. tritici the plasma membrane from wheat (Triticum aestivum L.). Planta 183, 164.
K o m b r in g E., S c h r o d e r M., H a h l b r o c kK., 1988. Several „pathogenesis — related”proteins inpotaton are 1,3-ß-glucanases and chitynases. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 85, 782-786
L e g r a n d M., K a u ffm a n S., 1987. Biological function o f pathogenesis — related proteins fo u r tobacco pathogenesis — related proteins are chitynases. Proc. Natl. Acad. Sei. U.S.A. 84, 6750-6754 M a n s f i e l d J. W., 1984. Plant cell death durin.g infection by fu n g i [W:] Cell ageing and death. D a v ie s
S i g e e D. C. (red). Cambrige University Press, Cambrige p. 323.
M a n s f i e l d J. W., W o o d s A M ., S t r e e t P. F. S ., r o w e l I P. M ., 1988. Recognition processes in lectuce clowny mildew disease. [W:] Eucaryote cell recobnition. Chapman G. P., A in s w o r t h C. C., C h a th a m C. J. (red). Cambridge University Press, Cambridge p. 241.
M a n s f i e l d J. W., 1986. Recognition elicitors and the hypersensitive reaction. [W:] Recognition in microbe — plant symbiotic and pathogenic interactions. L u g t e n b e r g B. (red). Springer — Verlag, Berlin p. 434.
M a n s f i e l d J. W., 1990. Recognition and Response in plant — fungus interactions. NATO ASI Series, tom 41, Recognition and Response in Plant — Virus Interactions. F r a s e r R. S. S. (red). Springer- Verlag, Berlin Heidelberg 1990.
M a t t h y s s e A. G., 1987. Surface interactions between gram negative bacteriaand plants. [W:] Molecular determinants o f plant diseases. N ish im u ra S. i współaut. (red). Japan Sei. Soc. Press Tokyo i Springer-Verlag Berlin 97-115.
M a yam a S ., T a n i T., M a t s u u r a Y., U e n o T., FuKAMi H., 1981. The production phytoalexinis by oat in response to crown rust Puccinia coronata f. sp. avenae. Physiol. Plant Pathol. 19, 217.
M e n d g e n K ., S c h n e id e r A ., S t e r k M ., F in k W ., 1988. The differentiation o f infection stuctures as a result o f recognition events betveen some biotrophic parasites and their hosts. J. Phytopathology 123, 259-272.
Nicks R. E., 1987. Nonhost plant species as donores fo r resistance to pathogenes with narrow host range I Determination o f nonhost status. Euphytica 36, 841-853.
N ic k s R. E., 1988. Nonhost plant species as donors fo r resistance to pathogenes with narrow host range II Concepts and avidence on the genetics basis o f nonhost resistance. Euphytica 37, 88-99. O k u H., S h ir a is h i T., O u c h i S., 1987. Role o f specific suppressore in pathogenicity o f Mycospharella
species. [W:] Molecular determinants o f plant disease. N ish im u ra S. i współaut. (red). Japan Sei. Soc. Press, Tokyo i Springer-Verlag, Berlin 145-156.
R id e J. P., 1985. Non-host resistance to fungi. [W:] Mechanisms o f resistance to plant disease. F a s e r R. S. S. (red). Martinus Nijhoff Dr W. Junk Publishers Dordrecht 29-61.
S t a p l e s R. C., M a ć k o V., 1984. Germination o f uredospores and differentiation o f injection structures. [W:] The cereal rusts, tom 1. B u s h n e l l W . R., R o e l f s A . P . (red). Acad. Press. Inc. Orlando, Florida 255-289.
S t a p l e s R. C., H o c h H. C., E p s te in L., L a c e t t i L., H A SSO U N aS., 1985. Recognition o f host morphology by rust fu n gi responses and mechanisms. Can. J. Plant Pathol. 7, 314-322.
T a n a k a A., Y a m a m o to H., M a e y a M., M a ru ya m a Y., TaNi T., 1993. Purification and characterization o f a lipoxygenase isozyme from oat leaves inoculated with incompatible race Puccinia coronata avene. Ann. Phytopathol. Soc. Jpn. 59, 225.
Ti b u r z y R., R e i s e n e r H . J., 1990. Resistance o f wheat to Puccinia graminis f. sp. tritici, association o f the hypersensitive reaction with the cellular accumulation o f lignin — like material and callose. Physiol. Mai. Plant Pathol. 36, 109.
W o l o s h u k C. P., K o la t t u k u d y P. E ., 1986. Mechanisms by which contact with plant culicule triggers cutinase gene expresion in the spores o f Fusarium solani F. sp. p is i Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 83, 1704-1708.
Y a m a m o to H., T a n i T., 1986. Possible involvement o f lipoxygenase in the mechanism o f resistance o f oats to Puccinia coronate avene. J. Phytopathol. 116, 329.
