הגנת צמחים מפני פתוגנים ואוכלי עשב

צמחים מתמודדים עם התקפה מתמדת מצד חיידקים ובעלי חיים ומגנים על עצמם באמצעות מחסומים מדורגים, מערכת חיסון הניתנת להשראה, וכלי נשק כימיים – הגנות שהגנטיקה שלהן עומדת בבסיס עמידות למחלות בחקלאות.

Definition

הגנת צמחים היא מכלול המנגנונים המבניים, הכימיים והמולקולריים שבאמצעותם צמחים מתנגדים או מגבילים נזק מפתוגנים ואוכלי עשב.

Scope

נושא זה מכסה הגנות צמחיות קונסטיטוטיביות ומושרות, מערכת החיסון הצמחית הדו-שכבתית נגד פתוגנים, מודל הגן-עבור-גן של עמידות, הגנות נגד אוכלי עשב כולל חומרים כימיים מרתיעים והגנות עקיפות, וכיצד מגוון ההגנות משמש בהגנת יבולים.

Core questions

• כיצד מערכת החיסון הצמחית מזהה פתוגנים ומגיבה אליהם?
• מהו הבסיס של גן-עבור-גן לעמידות למחלות?
• כיצד צמחים מגנים על עצמם מפני אוכלי עשב, באופן ישיר ועקיף?

Key theories

חסינות צמחית דו-שכבתית

צמחים מזהים מולקולות מיקרוביאליות שמורות על פני תא עבור שכבת חסינות ראשונה ומשתמשים בקולטנים תוך-תאיים לזיהוי אפקטורים של פתוגנים עבור שכבה שנייה וחזקה יותר, שלעתים קרובות מגיעה לשיאה במוות תאי מקומי.

עמידות גן-עבור-גן ומגוון

עמידות לעיתים קרובות עוקבת אחר יחס גן-עבור-גן בין גן עמידות צמחי וגן אלימות (avirulence) של פתוגן, ופריסת עמידות מגוונת על פני יבול יכולה לדכא מחלות בשדה.

Mechanisms

חסינות צמחית מתחילה כאשר קולטני זיהוי תבניות (pattern-recognition receptors) על פני השטח מזהים תבניות מולקולריות שמורות הקשורות לחיידקים (microbe-associated molecular patterns), מה שמפעיל הגנות בסיסיות. פתוגנים מוצלחים מספקים אפקטורים לדיכוי תגובה זו, אך צמחים נושאים קולטני נוקלאוטיד-קושרי-ליאוצין-עשירים-חוזרים (nucleotide-binding leucine-rich-repeat receptors) תוך-תאיים המזהים אפקטורים ספציפיים – הבסיס המולקולרי של עמידות גן-עבור-גן – ומעלים תגובה חזקה הכוללת לעיתים קרובות את תגובת המוות התאי ההיפרסנסיטיבי ועמידות נרכשת מערכתית. נגד אוכלי עשב, צמחים פורסים מחסומים פיזיים ומטבוליטים משניים רעילים או מרתיעים, ויכולים לשחרר חומרים נדיפים המושכים את אויביהם הטבעיים של אוכלי העשב התוקפים.

Clinical relevance

מחלות צמחים ונזקי מזיקים גורמים לאובדן יבולים משמעותי, ולכן הבנת ההגנה עומדת בבסיס טיפוח זנים עמידים ואסטרטגיות משולבות – כולל פריסת מגוון גנטי – המפחיתות את התלות בחומרי הדברה תוך הגנה על התשואות.

History

פלור ניסח את השערת הגן-עבור-גן ממחקרים על חלודת פשתן בשנות ה-40 וה-50; שיבוט מולקולרי של גני עמידות וההכרה המאוחרת יותר במערכת חיסון דו-שכבתית, יחד עם מחקרי שדה של בקרה מבוססת מגוון, בנו את ההבנה המודרנית של הגנת צמחים.

Key figures

• Harold Flor
• Jonathan Jones
• Jeffery Dangl

Seminal works

• buchanan2015
• zhu2000

Frequently asked questions

האם לצמחים יש מערכת חיסון?

כן; למרות שלצמחים חסרים תאי חיסון נודדים ונוגדנים, הם בעלי מערכת חיסון מולדת המזהה פתוגנים באמצעות קולטנים על פני התא ותוך-תאיים ומגיבה עם הגנות הכוללות מוות תאי מקומי ועמידות מערכתית.

כיצד שתילת זנים מגוונים יכולה להפחית מחלות יבול?

ערבוב זנים בעלי עמידות שונה מגביל את התפשטות הפתוגן, מכיוון שזן המסוגל להדביק זן אחד נתקל בצמחים עמידים בקרבת מקום; ניסויי שדה באורז הראו שמגוון כזה יכול להפחית באופן חד את המחלה ואת הצורך בקוטלי פטריות.