การป้องกันตนเองของพืชจากเชื้อโรคและสัตว์กินพืช

พืชต้องเผชิญกับการโจมตีอย่างต่อเนื่องจากจุลินทรีย์และสัตว์ และป้องกันตนเองด้วยเกราะป้องกันหลายชั้น ระบบภูมิคุ้มกันที่สามารถกระตุ้นได้ และอาวุธเคมี ซึ่งการป้องกันเหล่านี้มีพื้นฐานทางพันธุกรรมที่ช่วยให้พืชต้านทานโรคในการเกษตรได้

Definition

การป้องกันตนเองของพืชคือชุดของกลไกทางโครงสร้าง ทางเคมี และทางโมเลกุลที่พืชใช้ในการต้านทานหรือจำกัดความเสียหายจากเชื้อโรคและสัตว์กินพืช

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการป้องกันตนเองของพืชทั้งแบบที่มีอยู่แต่กำเนิดและแบบที่ถูกกระตุ้น ระบบภูมิคุ้มกันสองชั้นของพืชต่อเชื้อโรค แบบจำลองยีนต่อยีนของการต้านทาน การป้องกันตนเองจากสัตว์กินพืช รวมถึงสารเคมีที่ยับยั้งและกลไกการป้องกันทางอ้อม และการนำความหลากหลายของการป้องกันมาใช้ในการคุ้มครองพืชผล

Core questions

• ระบบภูมิคุ้มกันของพืชจดจำและตอบสนองต่อเชื้อโรคได้อย่างไร?
• พื้นฐานยีนต่อยีนของการต้านทานโรคคืออะไร?
• พืชป้องกันตนเองจากสัตว์กินพืชโดยตรงและโดยอ้อมได้อย่างไร?

Key theories

ภูมิคุ้มกันพืชสองชั้น

พืชตรวจจับโมเลกุลจุลินทรีย์ที่คงสภาพอยู่บนผิวเซลล์เพื่อเป็นภูมิคุ้มกันชั้นแรก และใช้ตัวรับภายในเซลล์เพื่อจดจำสารก่อโรคของเชื้อโรคเพื่อเป็นภูมิคุ้มกันชั้นที่สองที่แข็งแกร่งกว่า ซึ่งมักจะจบลงด้วยการตายของเซลล์เฉพาะที่

การต้านทานแบบยีนต่อยีนและความหลากหลาย

การต้านทานมักจะเป็นไปตามความสัมพันธ์แบบยีนต่อยีนระหว่างยีนต้านทานของพืชกับยีนที่ไม่มีความรุนแรงของเชื้อโรค และการใช้ความหลากหลายของการต้านทานในพืชผลสามารถยับยั้งโรคในแปลงได้

Mechanisms

ภูมิคุ้มกันของพืชเริ่มต้นเมื่อตัวรับรู้รูปแบบบนพื้นผิวตรวจจับรูปแบบโมเลกุลที่เกี่ยวข้องกับจุลินทรีย์ที่คงสภาพอยู่ (conserved microbe-associated molecular patterns) ซึ่งกระตุ้นการป้องกันพื้นฐาน เชื้อโรคที่ประสบความสำเร็จจะส่งสารก่อโรค (effectors) เพื่อยับยั้งการตอบสนองนี้ แต่พืชมีตัวรับนิวคลีโอไทด์-ไบน์ดิง ลิวซีน-ริช-รีพีท (nucleotide-binding leucine-rich-repeat receptors) ภายในเซลล์ที่จดจำสารก่อโรคจำเพาะ ซึ่งเป็นพื้นฐานทางโมเลกุลของการต้านทานแบบยีนต่อยีน และสร้างการตอบสนองที่รุนแรง ซึ่งมักจะรวมถึงปฏิกิริยาการตายของเซลล์แบบไวเกิน (hypersensitive cell-death reaction) และการต้านทานที่ได้รับมาอย่างเป็นระบบ (systemic acquired resistance) ในการต่อสู้กับสัตว์กินพืช พืชจะใช้เกราะป้องกันทางกายภาพและสารเมตาบอไลต์ทุติยภูมิที่เป็นพิษหรือยับยั้ง และสามารถปล่อยสารระเหยที่ดึงดูดศัตรูธรรมชาติของสัตว์กินพืชที่กำลังโจมตีได้

Clinical relevance

โรคพืชและความเสียหายจากศัตรูพืชทำให้เกิดความเสียหายต่อพืชผลอย่างมาก ดังนั้นการทำความเข้าใจกลไกการป้องกันจึงเป็นพื้นฐานของการปรับปรุงพันธุ์พืชที่ต้านทานโรคและกลยุทธ์แบบบูรณาการ ซึ่งรวมถึงการใช้ความหลากหลายทางพันธุกรรม เพื่อลดการพึ่งพาสารกำจัดศัตรูพืชในขณะที่ยังคงรักษาผลผลิตไว้ได้

History

ฟลอร์ (Flor) ได้กำหนดสมมติฐานยีนต่อยีนจากการศึกษาโรคราสนิมในป่านในช่วงทศวรรษ 1940 และ 1950 การโคลนยีนต้านทานในระดับโมเลกุลและการรับรู้ระบบภูมิคุ้มกันสองชั้นในภายหลัง ควบคู่ไปกับการศึกษาภาคสนามเกี่ยวกับการควบคุมโดยอาศัยความหลากหลาย ได้สร้างความเข้าใจสมัยใหม่เกี่ยวกับการป้องกันตนเองของพืช

Key figures

• Harold Flor
• Jonathan Jones
• Jeffery Dangl

Seminal works

• buchanan2015
• zhu2000

Frequently asked questions

พืชมีระบบภูมิคุ้มกันหรือไม่?

มี แม้ว่าพืชจะไม่มีเซลล์ภูมิคุ้มกันที่เคลื่อนที่ได้และแอนติบอดี แต่ก็มีระบบภูมิคุ้มกันโดยกำเนิดที่จดจำเชื้อโรคผ่านตัวรับบนผิวเซลล์และภายในเซลล์ และตอบสนองด้วยกลไกการป้องกันรวมถึงการตายของเซลล์เฉพาะที่และการต้านทานแบบทั่วร่างกาย

การปลูกพืชหลากหลายสายพันธุ์สามารถลดโรคพืชได้อย่างไร?

การผสมผสานสายพันธุ์ที่มีการต้านทานที่แตกต่างกันจะจำกัดการแพร่กระจายของเชื้อโรค เนื่องจากเชื้อที่สามารถติดเชื้อในสายพันธุ์หนึ่งจะพบกับพืชที่ต้านทานอยู่ใกล้เคียง การทดลองภาคสนามในข้าวแสดงให้เห็นว่าความหลากหลายดังกล่าวสามารถลดโรคและความจำเป็นในการใช้สารฆ่าเชื้อราได้อย่างมาก