Molekularna charakterystyka nabytej odporności systemicznej

Dariusz Abramowski
Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu
Katedra Fizjologii Roślin
Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych
za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki
Molekularna charakterystyka nabytej odporności systemicznej
ziemniaka (Solanum tuberosum L.) na Phytophthora infestans
(Mont.) de Bary
Rośliny,
podobnie
jak
zwierzęta,
wystawione
są
na
działania
czynników
środowiskowych zarówno o charakterze abiotycznym, jak i biotycznym. W przeciwieństwie
do zwierząt, rośliny nie posiadają układu immunologicznego o cyrkulacyjnym charakterze i
wysoce wyspecjalizowanych komórek zaangażowanych w odpowiedź obronną. Dlatego też
każda komórka roślinna powinna przejawiać zdolność do rozpoznania i odparcia ataku
organizmu patogenicznego. Poza ważnymi barierami strukturalnymi stanowiącymi bierną
formę odporności, roślina angażuje szereg mechanizmów o charakterze czynnym. Jednym z
nich jest nabyta odporność systemiczna (ang. Systemic Acquired Resistance, SAR). Do
inicjacji SAR dochodzi w wyniku słabej infekcji lokalnej lub w wyniku traktowania induktorami
SAR, do których m.in. zalicza się testowany w pracy doktorskiej kwas β-DL-aminomasłowy
(BABA). Do nabycia SAR może dojść na dwóch drogach, poprzez bezpośrednią indukcję lub
poprzez „priming”. Pierwszy mechanizm pozwala roślinie na skuteczną odpowiedź obroną w
ograniczonym czasie i jest wynikiem zmian biochemiczno-fizjologicznych o charakterze
hyperergicznym. Roślina ponosi duży koszt energetyczny związany z podtrzymywaniem
stanu gotowości „bojowej”. Inaczej w przypadku „primingu”, kiedy indukowana odporność
opiera się na subtelnych zmianach w sieci sygnałowej, post-translacyjnych modyfikacjach
białek, a zwłaszcza zmianach o charakterze epigenetycznym, które – jak pokazują ostatnie
odniesienia naukowe - mogą być przekazane do kolejnego pokolenia. Powyższe zmiany
mają charakter normoergiczny i nie wymagają tak dużego nakładu energetycznego, tym
samym nie dochodzi do znacznych strat w produkowanej biomasie. Schemat ideowy obu
mechanizmów jest zaprezentowany na rycinie poniżej. Podczas inicjacji SAR szczególną rolę
odgrywa tlenek azotu (NO) i wybuch reaktywnych form tlenu tj. anionorodnika
ponadtlenkowego, nadtlenku wodoru i nadtlenoazotynu. Informacja niesiona przez NO
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
zostaje „przepisana” na S-nitrozylację białek regulatorowych i egzekutorowych, co w
konsekwencji prowadzi do aktywacji stresowego zapisu molekularnego. S-nitrozyalcja białek
powoduje zazwyczaj ich inaktywację. Nieaktywne białka regulatorowe lub białkowe czynniki
transkrypcyjne są akumulowane i w momencie wystąpienia silnej infekcji właściwej ulegają
denitrozylacji i aktywacji. Prowadzi to do szybkiej i gwałtownej reakcji obronnej. W
wykorzystanym modelowym układzie badawczym zastosowano dwie odmiany ziemniaka o
różnym stopniu odporności oraz materiał infekcyjny w postaci Phytophthora infestans wywołujący
zarazę
ziemniaka.
Otrzymane
wyniki
pozwoliły
scharakteryzować
na
płaszczyźnie fizjologiczno-biochemicznej podłoże odpowiedzi obronnej genotypu odpornego i
podatnego.
Kluczowym
etapem badań była
charakterystyka molekularna SAR w
immunizowanych roślinach ziemniaka po potraktowaniu BABA i następczej infekcji właściwej.
Zbadano czas trwania stanu o podwyższonej gotowości rośliny do odparcia infekcji.
Potwierdzono ukonstytuowanie SAR zarówno w fazie wegetatywnej, jak i generatywnej. Do
określenia uruchomienia skutecznej strategii obronnej zastosowano pomiar ekspresji genu
białka PR-1 oraz aktywności białek PR-2 i PR-3, tj. skutecznych markerów odporności.
A.
B.
Ekspresja PR-1
Schemat nabywania SAR poprzez zmiany o charakterze normo- i hyperergicznym
A. Nabywanie SAR poprzez bezpośrednią indukcję. Stan podwyższonej gotowości
związany jest z silną indukcją cząsteczek i białek o funkcji antymikrobowej, co
przekłada się na skuteczne odpowiedzi obronne, ale również znaczny koszt
energetyczny.
B. Uruchomienie skutecznej odpowiedzi obronnej w wyniku zmian epigenetycznych
wywołanych „primingiem”. Zmiany o charakterze epigenetycznym nie są tak kosztowne
energetycznie.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Podsumowując, ostatnie publiczne debaty w Polsce na temat uregulowań prawnych
dotyczących GMO wskazują na duże opory społeczeństwa wobec ingerencji w genom rośliny
„niezgodny” z prawami natury. Aby wielkopolskie rolnictwo nie było postrzegane jako
zacofane wobec biotechnologicznego postępu na świecie, należy poznać istotę działania
endogennych sygnałów i metabolitów obronnych w podnoszeniu odporności roślin, co z kolei
umożliwi w przyszłości przeprowadzenie skutecznych modyfikacji metabolicznych u roślin, co
nie wywołuje tak silnego oporu w społeczeństwach europejskich. Prace badawcze w pracy
doktorskiej mają charakter podstawowy, a opublikowane wyniki mogą przyczynić się do prac
wdrożeniowych.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego