Tomáš Hájek tomas.hajek@prf.jcu.cz Rostlina a biotický stres: interakce rostlin s ostatními organismy sekundární metabolity Tomáš Hájek tomas.hajek@prf.jcu.cz

Druhy interakcí – symbióz Rostlina–rostlina Alelopatie (sekundární metabolity) Příkl.: Metlička křivolaká (Avenella flexuosa), česnek medvědí (Allium ursinum), bažanka lesní (Mercurialis perennis), trávy–jeteloviny, ořešák (fenolická látka juglon). Pylová alelopatie u bojínku (vůči jiným travám) či jestřábníků (vůči jiným složnokvětým). Rostlina–houba Mykorhiza (ektomykorhíza, endomykorhíza) Patogeneze (houby) Rostlina–mikroorganismus Mutualismus – fixace dusíku (bakterie, sinice) Patogeneze – viry, bakterie Rostlina–živočich Herbivoři – fytofágní hmyz, býložravci Hmyz – opylovači, rozšiřování semen Parasitismus: holoparazité (Cuscuta, Orobanche) hemiparazité (Melampyrum, Viscum, Loranthus) Trocha terminologie: dnes označujujeme termínem symbióza vlastně jakýkoli vztah mezi organizmy, může být ± přínosný pro oba (mutualizmus jako je mykorhíza), nebo jen pro jednoho (parazitizmus, alelopatie…) Alelopatie: sekundární metabolity působící inhibičně až toxicky na jiné rostliny v bezprostřední blízkosti-difúze (sorpce na koloidech, mikrobiální rozklad); nadzemní část rostliny-terpeny, smývání, kořenové působení. Inhibice membránových funkcí, příjem min. živin, inhibice růstu buněk, klíčení… „chemicky zprostředkovaný souboj rostlin o živiny (vodu, světlo)“. Např. odumřelé listy česneku medvědího uvolňují fenolické látky, které blokují klíčení semen ostatních lesních rostlin, ale vyjma např. bažanky, která se také v prostředí běžně vyskytuje. Proto česnek i bažanka dokáží vytvářet poměrně velké čisté porosty (což je ale také dáno tím, že raší brzy na jaře před rašením stromů, čili prostředí, ve kterém rostou bývá dost stinné). Dobře známý je příklad juglonu, fenolické látky z pletiv ořešáku (to je to, co vám zbarví ruce do hněda, když vyloupáváte ořechy ze „šlupky“ – oplodí = perikarpu. Juglon nejenom potlačuje růst rostlin v podrostu ořešáků, ale působí i jako insekticid. Pylová alelopatie – pyl uvolní na blizně jiného druhu látky, které blokují jeho opylení.

Mutualistické interakce rostlina–baktérie Způsob života Hostitel nebo prostředí Rody/druhy bakterií mutualistický kořenové hlízky bobovitých Rhizobium Bradyrhizobium kořenové hlízky olše přesličníku a jiných stromů a keřů Frankia alni a jiné Actinobacteria (Actinomycetes) dutiny v listech Azolla Anabaena azollae (sinice) kořenové hlízky cykasů Anabaena (sinice) asociativní na povrchu kořenů nejen trav (cukrová třtina, rýže Paspalum) a v jejich okolí např. Azospirillum Azotobacter Všechny tyto interakce slouží k získávání dusíku

Nodulace u Rhizobium Průřez kořenem Bakterie Rhizobium volně žije v půdě. V reakci na flavonoidy, které jsou exudovány kořeny bobovitých rostlin (1), bakterie spustí chemickou odezvu (2), na kterou kořen reaguje tvorbou (3) modifikovaných, deformovaných kořenových vlásků (4). Jimi je bakterie endocytována, dostává se do buňky kořenového vlásku. Do kořene se bakterie mohou dostat i proniknutím mezibuněčnými prostory a odtud dovnitř buněk. Z pletiva kořenové kůry pak rostlina vytvoří pro bakterie (lépe řečeno bakterioidy) hlízku (8). Rostlina pak zásobuje bakterie uhlíkem (cukry), proteiny a kyslíkem, zatímco Rhizobium vrací amonný dusík (nitrogenázovou aktivitou vzniká čpavek NH3, který i při neutrálním pH disociuje na amonný iont NH4+). Průřez kořenem

Rhizobium: hlízky na kořenech sóji

Alnus (glutinosa) a Frankia alni Asi si vybavujete červené kořeny olší na břehu rybníka či potoka. Ty jsou obývány specifickými aerobními bakteriemi (skupina aktinobakterií, dříve považovaných za houby, říkalo se jim aktinomycety); rovněž tvoří hlízky.

Kapradinka Azolla a sinice Anabaena azollae

asociativní na povrchu kořenů trav (cukrová třtina, rýže Paspalum) a v jejich okolí např. Azospirillum Azotobacter

Mykorhiza Endomykorhiza (zejm. arbuskulární) Obecně, „velké“ houby (stopkovýtrusé, Basidiomycety) jsou většinou buď saprotrofní (žampión, čirůvka, hlíva) nebo ektomykorhizní (holubinka, muchumůrka, hřiby). Ektomykorrhizní houby produkují auxiny, cytokiny, ABA i etylen. Se změnou hormonální rovnováhy v kořeni se začínají rozvíjet krátké postranní kořeny; odlišný metabolismus mění i obranný mechanismus kořene, což vyvažuje vztah mezi oběma partnery. Některé houbové metabolity účinně tlumí obrannou reakci rostliny – např. hostitelské buňky mohou samy štěpit polysacharidové elicitory (viz dále v prezentaci) pocházející od mykorrhizních hub, a tím mírnit vlastní obranné reakce vůči těmto houbám. Endomykorhiza (zejm. arbuskulární) Jeteloviny, hrách, sója, jahodník, jabloně, réva; Glomaceae, Gigasporaceae… Ektomykorhiza (méně častá; rostl. hormony produkované houbou deformují kořeny; Hartingova síť a hyfový plášť) Typická pro dřeviny (bříza, buk, borovice…) Basidiomycetes, Ascomycetes, Zygomycetes. Erikoidní: Ericales – Ascomycetes Orchideoidní: Orchidaceae – Basidiomycetes

Endomykorhiza – endotrofní m. (vezikulo-arbuskulrní) Ektomykorhiza (ektotrofní m.)

…“because these fungi secrete enzymes and acid that give trees access to many organic nutrients that would be otherwise unavailable to them. The inset labelled (a) in the diagram to the right illustrates enzyme-facilitated nutrient acquisition by the fungus in which the fungus secretes an enzyme that liberates organic nutrients such as phosphorus and nitrogen from the soil and absorbs them to share with the plant. The inset labelled (b) shows how the fungi use acid to help break down rocky substrates and access their nutrients.  Not only do ectomycorrhizal fungi contribute precious nutrients to their relationships, they also provide extensive surface area with their mycelia to augment the sheer nutrient uptake capacity“ https://bioweb.uwlax.edu/bio203/f2012/deflorin_patr/interactions.htm

Mykorhízu najdeme u: 83 % dvouděložných 79 % jednoděložných (Téměř) ji nenajdeme u Brassicaceae Chenopodiaceae Proteaceae, a u vodních rostlin Chenopodiaceae (merlíkovité) i Brassicacear (brukvovité) jsou rychle rostoucí druhy ruderálních stanovišť z dobrou dostupností živin. Proto nepotřebují houbového symbionta. Proteaceace mají speciální „proteoidní“ kořeny bohaté na kořenové vlášení, což se adaptací na fosforem chudé půdy jižní polokoule.

Patogeny: viry, bakterie, houby, hmyz… Patogen vs. hostitel Rezistence - hostitelská/nehostitelská (kompatibilita / inkompatibilita) - indukovaná / konstitutivní Onemocnění – patogeneze Patogenita: Virulence, Agresivita Rezistence: Schopnost hostitele překonat nebo omezit aktivitu patogena Nehostitelská (rostlina neumožňuje utvořit vztah s patogenem, tudíž není ani hostitelem) Hostitelská (vztah s patogenem je možný, rostlina je potenciálním hostitelem) Indukovaná / konstitutivní – vyvolaná patogenem / stále přítomná Mechanismy resistence: Kompatibilita / Inkompatibilita (obecné a specifické metabolické a genetické adaptace hostitele) Patogenita: schopnost mikroorganismu (jeho kmenu) vyvolat chorobu (u konkrétního genotypu rostliny) Virulence: schopnost překonávat specifické geny rezistence (kvalitativní měřítko patogenity) Agresivita: kvantitativní měřítko patogenity Hypersenzitivní reakce: zvláštní typ rezistence – rostlina na infekci patogenem reaguje rychlou nekrózou (programovaná buněčná smrt) pletiva kolem místa infekce, čímž zabrání šíření patogen Nekrotrofie: získávání organických látek z usmrcených buněk hostitele. Takový patogen pak žije jako saprofyt. Biotrofie: získávání organických látek z živých buněk hostitele (forma parazitismu, tedy parazit svého hostitele neusmrtí (alespoň ne ihned) Kalóza – ucpává sítka v sítkovicích, čímž zastavuje při napadení patogenem tok floému (asimilátů) Felogén – sekundární meristém, který v místě poranění vytváří korek (viz poraněná kedlubna) Fytoalexiny jsou látky produkované rostlinou v reakci na napadení patogenem – tím se liší od toxinů, které jsou v rostlině přítomny konstitutivně (stále). Viz konec prezentace. Mandelinka bramborová Biotrofie Hemibiotrofie Nekrotrofie Hypersenzitivní reakce (programovaná buněčná smrt) Kalóza (beta-1,3-glukan) Felogén Fytoalexiny (300) Hmyz–viry 13

Houby (HC-toxin is a virulence factor for the plant pathogenic fungus Cochliobolus (Helminthosporium) carbonum; virulence factors are molecules produced by pathogens (bacteria, viruses, fungi and protozoa) that contribute to the pathogenicity of the organism).

Obranná reakce rostliny na patogena – indukovaná obrana exogenní Elicitory endogenní „druhý posel“ elicitor: exogenní-polysacharidy, enzymy, peptidy – metabolity pocházející z patogena (viz obrázek vpravo) endogenní – fragmenty narušených buň. stěn jednak napadené buňky, jednak patogena – oligomery chitinu, oligoglukany, glykoproteiny, oligogalakturonany PG: polygalakturonáza (stěpí pektiny buň. stěn), PGIP = PG inhibující protein Druhý posel – malá molekula, která zesiluje signál „prvního posla“, v tomto případě je to elicitor nasedající na membránový receptor. Druhý posel (zde Ca2+) pak spouští kaskádu enzymatických reakcí (viz MAP kináza, produkce peroxidu vodíku v apoplastu) vedoucí k expresi jaderných genů. Viz též jeden z posledních snímků v prezentaci o systémové získané rezistenci R-geny

Mechanická ochrana Kutikula – vosky; trny, trichomy, latex, pryskyřice, borka… Periderm – sekundární ochranné pletivo, suberin (korek)

Konstitutivní chemická ochrana rostlinné toxiny (více viz sekundární metabolity), teď příklad lektinů: Lectins are proteins with noncatalytic sugar-binding domains; najdeme je v jedovatých rostlinách jako třeba skočci (Ricinus), snežence, durmanu… nakonec ony jsou přítomny obecně ve všech semenech vč. obilí či luštěnin. V luštěninách se varem většinou zničí.

Sekundární metabolity

Sekundární metabolity terpeny fenolické látky dusíkaté sloučeniny kvalitativně významné - alkaloidy, glykosidy, glukosinoláty; koevoluce, resistence kvantitativně významné – 10 % sušiny (lignin, taniny, fenoly)

Terpeny isopren monoterpeny isoprenoidní struktury; esenciální oleje, toxiny

Terpeny Azadirachta indica olej s tripertenoidem Azadirachtin polyterpeny Azadirachta indica olej s tripertenoidem Azadirachtin (insekticid, fungicid…) Polypodium vulgare – osladič Phytoecdyson: ruší vývoj hmyzu (i hlístů)

Terpeny Farmakologicky účinné látky Borovice, jedle, monoterpeny, proti lýkožroutům Pyrethriny jsou produkovány rostlinami (např. africká kopretina starčkolistá Chrysanthemum cinerariaefolium), která se za účelem jejich produkce ve velkém pěstovala; od pyrethinů jsou odvozené pyrethroidy - hlavní umělé insekticidy. Thymus Pyrethriny

Fenolické látky Aktivace UV světlem, z fenylalaninu (PAL) furanokumariny Lignin – komplexní fenolická makromolekula, přesná struktura není dána Taniny – kondenzované (dřevo) – hydrolyzovatelné – menší fenolické kyseliny a cukry

* Pro zmyšlení. Povšimněte si ovšem, že na počátku této šikimátové dráhy je aminokyselina fenylalanin (ten se syntetizuje ze šikimátu – viz souhrnný slide o sekundárních metabolitech). *

Lignin Pseudotsuga menziensii p-kumarylalkohol, koniferylalkohol a sinapylalkohol jsou hlavní prekurzory ligninu – amorfního a hydrofobního fenolického polymeru, který vytváří cca 25% biomasy buněk cévnatých rostlin, zejm. cév/cévic, kterým propůjčuje pevnost a pružnost…

Lignin Příklad struktury ligninu – velké množství různých vazeb mezi monomery komplikuje mikrobiální rozklad. Rovněž si uvědomte, že lignin neobsahuje žádné jiné prvky než C O H…

Taniny + Fe2+  Jsou rozpusné, velikost do cca 3 kDa Taniny = třísloviny = sráží proteiny (proto mají svíravou či hořkou chuť – viz čaj. kafe, kaštany, pivo (chmel), 90% čokoláda, pecky v hroznovém víně (či nezralé bobule)…). A proto musí být skladovány ve specializovaných bb (idioblasty). Kondenzované taniny – polymery flavonových jednotek Hydrolyzovatelné t. se v kyselém prostředí rozpadnou na cukr a monomery (jako zde galová kyselina, která se získávala z duběnek a reakcí ze zelenou skalicí (FeSO4) dávala modrý inkoust) Ochrana před herbivory + Fe2+ 

Flavonoidy Pigmentace – opylovači, distributoři semen Anthokyany C6-C3-C6 struktura (2* fenolický kruh + heterocyklický kruh mezi) Pigmentace – opylovači, distributoři semen Anthokyany Flavony Flavonoly (květy, listy- ochrana před UV-B zářením 280–320 nm, zvláštní struktury lidským okem neviditelné, „nectar guides“

Jak vidí rudbekii člověk a jak včela… Fenolické látky obecně absorbují v UV oblasti… …lidským okem neviditelné „nectar guides“

Dusíkaté sloučeniny Bolehlav plamatý Alkaloidy 15 000 ve 20 % cévnatých rostlin; N heterocyklické kruhy Ochranná/obranná funkce alkaloidů u rostlin (i zvířat): často hořká chuť a silná toxicita. Coniin Bolehlav plamatý Většina alkalická-ve vodě rozpustná (soli karbox. kyselin) Syntetizovány z aminokyselin lyzinu, tyrozinu, tryptofanu „Sokratova smrt“ Jacques Louis David 1787

Tyria jacobaeae Solanin: glykoalkaloid Solanin má fungicidní a insekticidní vlastnosti, solanidin je i používán jako insekticid v zemědělství. Tyria jacobaeae je přástevníkovitý denní motýl (ikdyž je to můra…), který se živí starčkem přímětníkem, který obsahuje hned několik alkaloidů. Těmi se housenka neotráví, ale hromadí si je a stává se tak sama toxická pro případné predátory (a aby si to predátoři uvědomili, tak je takto varovně zbarvená). Tyria jacobaeae

Glykosidy, glukosinoláty Digitoxin Glykosidy, glukosinoláty Amygdalin Glykosid se molekula cukru na níž je navázána glykosidickou vazbou (uvolní se voda) jiná organická látka. V případě amygdalinu se působením glukosidázy kyanovodík, který je toxický (inhibice mitochondriálního dýchání; 20 pravých hořkých mandlí vás může zabít). Amygdalin najdete nejen v mandlích (Amygdalus = mandoň), ale i v peckách peckovin (meruňka) nebo pupenech jeřábu (zkuste ochutnat rozvíjející se pupen jeřabiny, je to chutné). Digitoxin je steroid Digoxigenin (pravá část molekuly) spojený etherovou vazbou s cukrem (levá polovina molekuly), dohromady tedy tvoří glykosid. Glukosinoláty – hořčičné glykosid, typické pro celou čeleď Brasiccaceae (řád Brasiccales). Obsahují síru a dusík, díky S jsou to anionty, navíc rozpustné ve vodě. Často syntetizovány z methioninu. Síra je rovněž zodpovědná za palčivost a výrazné aroma. Toxické jsou produkty štěpení (thiokyanáty, isothiokyanáty, goitrin). Glukosinoláty

Navozená obrana rostliny proti herbivorovi: aktivace inhibitorů proteáz: Systemin & Jasmová kyselina Systemin = polypeptid apoplast > jasmonová kys. > > floém > exprese inhibitorů proteáz > ty se váží na enzymy patogena Systemin je jeden z „nových“ fytohormonů, je to velký polypeptid, který se může pohybovat na kratší vzdálenosti apoplasten. V buňkách vyvolává syntézy kys. jasmonové, dalšího „nového“ fytohormonu, který pak putuje floémem do dalších částí rostliny, kde se začnou syntetizovat inhibitory protáz. To jsou polypeptidy/bilkoviny, které se vážou na proteolytické enzymy patogena, čímž je inaktivují.

Hypersenzitivní reakce a obranný mechanismus Systémová získaná rezistence Hypersenzitivní reakce a obranný mechanismus Navozená systémová odolnost je odpovědí rostliny na napadení patogenem. Čili není to konstitutivní, trvale přítomná ochrana.

Systémová získaná rezistence – signalizace kys. salicylovou Methylsalicilát je kapalina (na rozdíl od pevné kys. salicylové).

Systémová získaná rezistence – Fytoalexiny s antimikrobiální aktivitou Fytoalexiny mají především protimikrobiální aktivitu a hromadí se v místě infekce. Jejich syntézu na počátku spouští elicitor. Isoflavonoidy (aromatické) a seskviterpeny (bez aromatických jader). Jsou syntetizovány zcela de novo až v reakci na stres (nejsou přítomny konstitutivně).

Navozená systémová odolnost – signalizace kys. jasmonovou (pro zajímavost – nemusí jít vždy o patogena) Tímto mechanismem by se možná mohly ošetřovat rostliny nebo osivo, aby byly odolnější vůči ataku patogenů – takové „očkování rostlin“.

Přehled obranných reakcí rostliny

Závěry Rostliny produkují látky, které je chrání před predátory a patogeny Mechanická ochrana na povrchu – kutin, suberin, vosky, (trny…) 3 skupiny sekundárních metabolitů (terpeny, fenoly, dusíkaté látky) Flavonoidní pigmenty chrání před UV radiací a působí jako atraktanty pro opylovače a distributory semen. Ohrana před herbivory (savý hmyz  patogen, hmyzí herbivoři, býložravci)  systemin  kyselina jasmonová  inhibitory proteáz Obranný mechanismus vůči patogenům(fytolaexiny, kyselina salicylová) Komerční využití látek produkovaných rostlinami (insekticidy, fungicidy, léčiva, průmyslové využití) Toxicita pro lidi a domácí zvířata.