ОСНОВНІ ГРУПИ ФІТОПАТОГЕНІВ ТА ОСОБЛИВОСТІ ЇХ ВЗАЄМОДІЇ З

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. ) N 2 + 8 H+ + 8 e− → 2 NH 3 + H 2 нітрогеназа бульбашки

Прокаріоти Greensulfur Bacteroides Spirochetes Deinococci Thermotoga Green, nonsulfur Chlamydiae Gram positive Cyano bacteria a b d Desulfoivbrio g Herbaspirillum Klebsiella Azotobacter Proteobacteria Rhizobium Bradyrhizobium Sinorhizobium Agrobacterium Azospirillum

ЕВОЛЮЦІЯ АЗОТФІКСАЦІЇ

провідні пучки ПОПЕРЕЧНЫЙ ЗРІЗ БУЛЬБАШКИ кортекс бульбашки клітини, заповнені бактеріями, >25000 на клітину склеренхіма

Інфекційна нитка Бактерії Rhizobium Формування бактероїдів 1 Хімічні сигнали привертають бактірій Кореневий волосок, що заселюється бактеріями 1 Бактероїд 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

Rhizobium ЕТАПИ КОЛОНІЗАЦІЇ РОСЛИНИ АЗОТФІКСАТОРАМИ: Nod-фактори (специфічність) Флавоноїди (специфічність) Проникнення через інфекційну нитку Диференціація бактероїду Формування бульбашки Фіксація нітрогену From Hirsch, 1992. New Phyto. 122, 211 -237

основна хромосома Nod. D Флавоноїди – специфічні індуктори nodгенів бактерій плазміда p. Sym активація Nod. D запускає експресію nod-генів Sinorhizobium meliloti nod-гени люцерна усічена продукти nod-генів – Nod-фактори

Структура головного Nod-фактору Sinorhizobium meliloti

Биосинтез Nod-факторів Nod. M Nod. C Специфічність визначається різноманіттям радикалів (R) в Nod-факторах Nod. B Nod-фактори – ліпоолігосахариди

закручування кореневих кореневий волосків волосок інфекційний ризобії карман провідний пучок кореня інфекційна нитка

Ризобії Закручений кореневий волосок Деформовані кореневі волоски Судинний пучок Кореневий волосок

бульбашка корінь ризобії www. cilr. uq. edu. au 100 mm

Функціональні зони бульбашки рожевий пігмент – леггемоглобін білкова частина синтезується рослиною – гемова бактеріями

штучні інокулянти для сої Bradyrhizobium japonicum 2, 0 x 109 + ліпо-хітоолігосахарид 1 х10 -7%

АПАРАТИ СЕКРЕЦІЇ У БАКТЕРІЙ I типу (контакт незалежний) II типу (контакт незалежний) секреція одноетапна секреція субстратів з цитоплазми без в два етапи: періплазматичних спочатку в посередників періплазму, потім назовні III типу (контакт залежний) секреція білків та токсинів з клітини бактерії в клітину жертви IV типу (контакт залежний) V типу (контакт незалежний) секреція в два секреція етапи з нуклеопротеїдів використанням та складних білків белків-автоз клітини транспортерів 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 притаманний зоо- та фітопатогенним грам-негативним бактеріям інджектісома

1888 р. – Ру (Roux) та Йерсен (Yersin) вперше виділили дифтерійний токсин (білкової природи) дифтерія 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 Corynebacterium diphtheriae

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

Бура бактеріальна плямистість (Bacterial speck) збудник Pseudomonas syringae pv. tomato (Okabe) Young, Dye, et Wilkie Збудник хвороби – класичний модельний об'єкт фітоімунології Існують сорти з генами специфічної стійкості до хвороби

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

Корончастий гал на розі Корончастий гал на винограді Опіни – Agrobacterium-специфічні непротеіногенні амінокислоти

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

ПАТОГЕНЕЗ AGROBACTERIUM TUMEFACIENS (IV ТИП СЕКРЕЦІЇ)

РОЗПІЗНАВАННЯ ФІТОПАТОГЕННИХ БАКТЕРІЙ РОСЛИНАМИ

РОЗПІЗНАВАННЯ ФІТОПАТОГЕННИХ БАКТЕРІЙ РОСЛИНАМИ розпізнавання структурних компонентів pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) рецептори розпізнавання флагеліну розпізнавання Avr-білків 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 природні отвори або стики рослин хімічне розпізнавання механічне розпізнавання через рани через інтактну поверхню хімічний тип (токсини+ферменти) механічний тип (тиск гіф) «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 наприклад, флавоноїд гліцеоллін виводить ооспори збудника пероноспорозу сої із спокою Сигнальні шляхи, опосередковані протеїнкіназою А, приймають участь у гідролізі трегалози та проростанні спор у грибів

СТРУКТУРИ ПРИКРІПЛЕННЯ: 1. адгезійна подушка 2. гіфоподії (лише прикріплення) 3. апрессорії (прикріплення та проникнення) рецептори адгезії - адгезіни

ПРИКРІПЛЕННЯ: 1. літичні ферменти (кутінази, естерази…) 2. слиз, білки-гідрофобіни поверхня клітини рослини зазвичай гідрофобна гідрофобіни

Етапи розвитку кіли капусти збудник Plasmodiophora brassicae циста амебоїд адгезійна подушка білковий шип – модифікація жалкої органели

ХІМІЧНИЙ ТИП ІНФІКУВАННЯ РОСЛИН - з використанням токсинів - з використанням літичних ферментів Клітинна стінка – «депо» ферментів та захисних молекул Уламки клітинної стінки рослини – індуктори захисних реакцій

НЕСПЕЦИФІЧНЕ РОЗПІЗНАВАННЯ ПАТОГЕНІВ ПАТОГЕН літичні ферменти (пектинази та ін. ) генерація неспецифічних розщеплення (зокрема токсинів, ROS. . пектинів) органічні кислоти вивільнення SA з глікозиду КЛІТИННА СТІНКА РОСЛИНИ уламки клітінної стінки (зокрема пектинів) розпізнання рецепторами рослини вільна саліцилова к-та (SA) ЗАХИСНА РЕАКЦІЯ

НЕСПЕЦИФІЧНЕ РОЗПІЗНАВАННЯ ПАТОГЕНІВ КЛІТИННА СТІНКА ГРИБА ( хітин, β-1, 3 та 1, 6 -глюкани…) хітинази, глюканази (конституїтивна активність) ів т олігомери хітину та інших глюканів РОСЛИНА ту ен я і ази сті м р ер укц па иво х ф ня утл інд н ши н ва адч і на н ія із ц зп пуск ва ро за кти а та

Неспецифічні токсини фітопатогенних грибів Церкоспорозна прикоренева гниль злаків (збудник Oculimacula yallundae = Cercosporella herpotrichoides) фітотоксин церкоспорин гриб захищається від синглетного кисню за допомогою вітаміну В 6

Cпецифічні 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

Піренофороз пшениці (жовто-бура плямистість – tan spot) збудник – Pyrenophora tritici-repentis патотип 1 – nec+ chl+ патотип 2 – nec+ chlпатотип 3 – nec- chl+ патотип 4 – nec- chl-

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

Cпецифічні токсини фітопатогенних грибів Вікторин гриба Cochliobolus victoriae НС-токсин гриба Cochliobolus carbonum AAL-токсин гриба Alternaria alternata f. sp. lycoperscici

СТРУКТУРИ ПРОНИКНЕННЯ ТА ЖИВЛЕННЯ БІОТРОФНИХ ГРИБІВ

МЕХЕНІЧНИЙ ТИП ІНФІКУВАННЯ РОСЛИН Гриб Magnaporthe grisea, 3 M гліцерол, тиск 8 міліпаскалей

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