Obrona roślin przed patogenami i roślinożercami

Rośliny są nieustannie atakowane przez mikroby i zwierzęta, a bronią się warstwowymi barierami, indukowalnym systemem odpornościowym oraz chemicznym orężem – mechanizmami obronnymi, których genetyka stanowi podstawę odporności na choroby w rolnictwie.

Definition

Obrona roślin to zespół mechanizmów strukturalnych, chemicznych i molekularnych, za pomocą których rośliny opierają się lub ograniczają szkody powodowane przez patogeny i roślinożerców.

Scope

Temat ten obejmuje konstytutywne i indukowane mechanizmy obronne roślin, dwuwarstwowy system odpornościowy roślin przeciwko patogenom, model odporności gen-za-gen, mechanizmy obronne przeciwko roślinożercom, w tym chemiczne odstraszacze i obrony pośrednie, a także wykorzystanie różnorodności obronnej w ochronie upraw.

Core questions

• W jaki sposób system odpornościowy roślin rozpoznaje patogeny i reaguje na nie?
• Na czym polega gen-za-genowa podstawa odporności na choroby?
• W jaki sposób rośliny bronią się przed roślinożercami, bezpośrednio i pośrednio?

Key theories

Dwuwarstwowa odporność roślin

Rośliny wykrywają konserwatywne cząsteczki mikrobiologiczne na powierzchni komórki, co stanowi pierwszą warstwę odporności, i wykorzystują receptory wewnątrzkomórkowe do rozpoznawania efektorów patogenów, co stanowi drugą, silniejszą warstwę, często kończącą się zlokalizowaną śmiercią komórki.

Odporność gen-za-gen i różnorodność

Odporność często opiera się na relacji gen-za-gen między genem odporności rośliny a genem awirulencji patogenu, a zastosowanie różnorodnej odporności w uprawie może tłumić choroby w polu.

Mechanisms

Odporność roślin rozpoczyna się, gdy powierzchniowe receptory rozpoznające wzorce wykrywają konserwatywne wzorce molekularne związane z mikrobami (MAMP), wywołując podstawowe mechanizmy obronne. Skuteczne patogeny dostarczają efektory, aby stłumić tę odpowiedź, ale rośliny posiadają wewnątrzkomórkowe receptory z domeną wiążącą nukleotydy i bogate w leucynę powtórzenia (NLR), które rozpoznają specyficzne efektory – molekularną podstawę odporności gen-za-gen – i wywołują silną odpowiedź, często obejmującą reakcję nadwrażliwości prowadzącą do śmierci komórki oraz nabytą odporność systemową. Przeciwko roślinożercom rośliny stosują bariery fizyczne oraz toksyczne lub odstraszające metabolity wtórne, a także mogą uwalniać lotne związki, które przyciągają naturalnych wrogów atakującego roślinożercy.

Clinical relevance

Choroby roślin i szkody wyrządzane przez szkodniki powodują znaczne straty w uprawach, dlatego zrozumienie mechanizmów obronnych jest podstawą hodowli odpornych odmian i zintegrowanych strategii – w tym wykorzystania różnorodności genetycznej – które zmniejszają zależność od pestycydów, jednocześnie chroniąc plony.

History

Flor sformułował hipotezę gen-za-gen na podstawie badań nad rdzą lnu w latach 40. i 50. XX wieku; klonowanie molekularne genów odporności i późniejsze rozpoznanie dwuwarstwowego systemu odpornościowego, wraz z badaniami terenowymi nad kontrolą opartą na różnorodności, zbudowały współczesne rozumienie obrony roślin.

Key figures

• Harold Flor
• Jonathan Jones
• Jeffery Dangl

Seminal works

• buchanan2015
• zhu2000

Frequently asked questions

Czy rośliny mają system odpornościowy?

Tak; chociaż roślinom brakuje ruchomych komórek odpornościowych i przeciwciał, posiadają one wrodzony system odpornościowy, który rozpoznaje patogeny poprzez receptory powierzchniowe i wewnątrzkomórkowe oraz reaguje mechanizmami obronnymi, w tym zlokalizowaną śmiercią komórki i odpornością systemową.

W jaki sposób sadzenie różnorodnych odmian może zmniejszyć choroby upraw?

Mieszanie odmian o różnej odporności ogranicza rozprzestrzenianie się patogenu, ponieważ szczep zdolny do infekowania jednej odmiany napotyka w pobliżu rośliny odporne; eksperymenty polowe na ryżu wykazały, że taka różnorodność może znacznie zmniejszyć choroby i potrzebę stosowania fungicydów.