_Rain_
00domenica 21 novembre 2010 11:41
Patogenesi:
Processo di infezione, colonizzazione e riproduzione del patogeno (se causa malattia è definito virulento).
Vie attraverso cui i patogeni causano malattia:
- Penetrazione diretta attraverso gli strati superficiali dei tessuti, usando pressioni meccaniche od attacchi enzimatici
- Ingresso attraverso aperture naturali
- Invasione dei tessuti feriti
Strategie di attacco dei patogeni:
- Necrotofia = le cellule vengono uccise
- Biotrofia = le cellule restano vive
- Emibiotrofia = il patogeno lascia le cellule in vita, e le uccide a stadi infettivi tardivi
Caratteristiche favorevoli alla sopravvivenza dei patogeni:
- Rapido ed alto tasso rirpoduttivo durante la stagione di maggior sviluppo della pianta
- Meccanismo effciente di dispersione tramite vento, acqua, organismi vettori
- Riproduzione sessuale verso la fine di ogni stagione di crescita, per produrre strutture diverse (es. spore), e per aumentare la possibilità di generare diversità genetica (favorisce la comparsa di mutazioni che possono dare un vantaggio selettivo all'interno della popolazione del patogeno)
Patogeni fungini necrotofi:
Alcuni funghi necrotofi (es. Botrys cinerea) secernono numerosi enzimi che degradano la parete cellulare prima della colonizzazione da parte delle ife.
Questi patogeni tendono ad attaccare una vasta gamma di specie vegetali (non usando meccanismi specifici di attacco).
Altri funghi necrotofi producono tossine ospite - selettive che sono attive solo in poche specie vegetali.
In questo caso ogni tossina presenta un meccanismo specifico di azione.
Es. Fusicoccum amygdali, che produce la tossina fusicoccina, che porta all'apertura irrebersibile degli stomi, a cui segue l'appassimento della pianta, e la sua morte.
Patogeni fungini biotrofi:
Molti funghi biotrofi mantengono le cellule dell'ospite vive, e presentano un alto grado di specializzazione per le specie vegetali.
Questi funghi penetrano la parete cellulare e formano un austorio che ne causa l'invaginazione.
L'austorio è l'estremità ifale di un fungo parassita, che penetra nei tessuti della pianta, e attraverso la quale vengono assorbite le sostanze nutritive per osmosi.
L'austorio pur penetrando nei tessuti dell'ospite, rimane all'esterno della membrana cellulare.
Quetsa struttura specializzata aumenta la superficie di contatto tra i due organismi.
Pochi funghi biotrofi non formano austori, ma crescono fuori dalla parete cellulare, all'interno dell'apoplasto.
L'apoplasto è costituito dall'insieme delle pareti che non sono state rese impermeabili all'acqua a causa di modificazioni con sostanze idrofobe, come lignificazione, cutinizzazione, suberificazione. L'apoplasto comprende anche il lume degli elementi vascolari, entro cui l'acqua può liberamente fluire con la corrente traspiratoria.
Patogeni fungini emibiotrofi:
Impiegano sequenzialmente una forma di nutrizione biotrofa e necrotofa.
Il cambiamento di nutrizione è determinato da un aumentato nella richiesta nutrizionale; ciò è causato dallo sviluppo della biomassa del fungo.
Es. Phytophora infestans, fungo che colpisce le pinate di patata.
Il suo stile di vita può portare alla progressione infezione - sporulazione in soli tre giorni.
Caratteristiche delle relazioni pianta - batteri:
Molti batteri durante la loro vita parassitica, risiedono negli spazi intercellulari di vari organi, o nello xilema.
Lo xilema è un insieme di tessuti vegetali presente nelle piante vascolari e adibito alla conduzione dell'acqua e dei soluti in essa disciolti.
Es. Xanthomonas campestris provoca rigonfiamenti in foglie di Brassica.
Altri batteri possono causare danni ai tessuti vegetali tramite la secrezione di tossine, polisaccaridi extracellulari, od enzimi che degradano la parete cellulare.
Tossine e polisaccaridi extracellulari contribuiscono alla produzione dei sintomi ma non sono essenziali per la patogenesi.
Difese della pianta:
- Barriere fisiche: cuticole, spine, pareti cellulari rafforzate
- Produzione costitutiva di metaboliti (es. fitoalessine) e proteine
Questi insieme producono una resistenza non ospite - specifica contro la maggiorparte dei patogeni potenziali.
Comunque alcuni patogeni riescono ad aggirare queste protezioni e generano risposte indotte da parte della pianta, col fine di limitare il danno.
Risposte indotte od inducibili:
La resistenza della pianta ad un patogeno è dovuta ad incompatibilità genetica e si può attivare attraverso tre meccanismi =
1 - La specie vegetale attaccata non è capace di supportare le richieste o le caratteristiche del patogeno per la sua strategia di sopravvivenza, e perciò è considerata non ospite - specifica
2 - La pianta possiede barriere strutturali pre-costituite o composti tossici che confinano l'infezione a specie patogene specializzate (resistenza non - ospite)
3 - Dopo il riconoscimento del patogeno, la panta può attivare meccanismi di difesa in modo che l'invasione resti localizzata (non è malattia)
La compatibilità (ossia l'infezione da parte del patogeno e la successiva malattia), avviene se:
- Le condizioni ambientali sono favorevoli
- Le difese pre-esistenti nella pianta sono inadeguate
- La pianta fallisce nel riconoscere il patogeno
- Le difese attivate non sono efficaci
Attivazione delle difese e risposta ipersensibile:
Le cellule vegetali hanno bisogno di un sofisticato sistema di sorveglianza per attivare le proprie risposte di difesa sul sito di invasione del patogeno.
Questo sisiema deve essere perfettamente funzionante nelle piante sane, ed essere capace di distinguere tra i segnali generati dalla pianta stessa e quelli rilasciati dai patogeni.
Il riconoscimento di un patogeno incompatibile porta all'attivazione di una complessa serie di risposte di difesa.
Il processo è coordinato sia temporalmente sia spazialmente, per assicurare che solo il numero necessario di cellule vegetali sia utilizzato nel ruolo di difesa.
Questa rapida ed altamente localizzata induzione di risposte di difesa della pianta portano alla formazione di condizioni sfavorevoli per la crescita e riproduzione del patogeno.
Allo stesso tempo, le cellule detossificano enzimi e tossine prodotte dal patogeno per impedirne l'espansione.
La piena attivazione delle risposte di difesa si instaura in 24 h e porta direttamente od indirettamente alla morte cellulare localizzata (risposta ipersensibile HR).
Risposta ipersensibile HR:
- Rapida
- Non sempore necessaria per la resistenza
- Comprende =
Reazioni ossidative (produzione di perossido d'idrogeno)
Deposizione di callosio (simile alla cellulosa) per confinare il patogeno
Apertura di canali ionici
Apoptosi (morte programmata della cellula)
Difese pre-esistenti:
Metaboliti secondari con proprietà antimicrobiche, generalmente sequestrati nei vacuoli della cellula.
I vacuoli sono cavità acquose delimitate da una membrana propria, detta tonoplasto, che racchiude una soluzione, il succo vacuolare.
Il tonoplasto è un particolare tipo di membrana a singolo strato, importantissimo nella regolazione enzimatica e nel trasporto selettivo di sostanze attraverso la membrana.
I metaboliti menzionati sono:
- Glucosinati = glucosidi contenenti zolfo (prodotti nelle Brassicaceae); divengono attivi solo in risposta al danno tissutale
- Saponine = composti glicosati, che comprendono
1) Triterpenoidi
2) Steroidi
3) Glicoalcaloidi steroidei
Modello gene per gene (o di Flor):
La resistenza di una pianta ad un patogeno si ha solo quando la pianta possiede un gene di resistenza R domaninate ed il patogeno esprime il gene dominante complementare di avirulenza Avr.
Questo modello è valido per la maggiorparte delle interazioni biotrofiche pianta - patogeno.
In caso di mutazioni, o dell'alterazione o della perdita del gene vegetale di resistenza R o del gene di avirulenza Avr del patogeno, si ottiene la malattia, ossia c'è compatibilità.
Compatibilità tossina - dipendente:
Per i patogeni che hanno bisogno di tossine ospite - selettive per la riuscita della patogenesi, la virulenza del patogeno deve essere dominante e deve essere prodotta una tossina od un enzima funzionale per causare la malattia.
In questo caso la resistenza è data da un carattere dominante, e si ottiene attraverso la detossificazione enzimatica o l'alterazione della tossina.
Geni di avirulenza Avr:
Le sequenze geniche batteriche di avrulenza codificano proteine idrofiliche solubili.
Sono stati determinati due tipi di segnali generati da Avr:
- Siringolidi = molecole che portano a risposte di resistenza nelle piante che hanno il corrispondente gene di resistenza
- Le stesse proteine Avr funzionano da segnali, giungendo sino al gene di attivazione della resistenza, che è attivato e genera la risposta.
Proteine di resistenza:
Le proteine R svolgono due funzioni basiche =
- Conferiscono il riconoscimento di ogni molecola segnale dipendente dal gene Avr
- Dopo il riconoscimento attivano una catena di segnali a valle che portano alla rapida induzione di varie risposte di difesa.
Sono state identificate sei classi di proteine R. Quattro di queste classi possiedono LRR, motivi amminoacidici ripetuti che mediano l'interazione proteina - molecola segnale - recettore.
Morte cellulare programmata nell'HR:
In alcuni tessuti vegetali, si verifica una degradazione del DNA in frammenti.
Produzione di specie reattive dell'ossigeno:
In seguito all'attacco di un patogeno, una delle prime risposte che si ha nelle cellule vegetali, è la produzione di ROS (specie dell'ossigeno reattive), che avviene nei primi 5 minuti dall'infezione.
Le ROS più comunemente riscontrate sono:
- Anione superossido
- Perossido d'idrogeno
NADPH - ossidasi:
Le piante producono anione superossido attraverso l'NADPH ossidasi.
L'anione superossido prodotto fuori dalle cellule vegetali è rapidamente convertito in perossido d'idrogeno.
Questa molecola può attraversare la membrana ed entrare nella cellula bersaglio.
Ruolo del perossido d'idrogeno:
- Può essere direttamente tossico per il patogeno
- In presenza di ferro può formare il radicale ossidrilico, estremamente reattivo e nocivo
- Può contribuire al rinforzamento della parete cellulare attraverso la formazione di legami crociati tra l'idrossirolina e le glicoproteine ricche in prolina con la matrice polisaccaridica, od aumentando la velocità di formazione della lignina attraverso l'attività dell'enzima perossidasi
- Può funzionare come molecola segnale =
Induce un aumento di attività della biosintesi di acido salicilico
Induce geni che codificano per proteine coinvolte in meccanismi di protezione
Può influire sull'attività specifica di alcuni fattori di trascrizione regolati dallo stato redox della cellula
Produzione e ruolo dell'ossido nitrico:
Il riconoscimento di un batterio avirulento porta alla sintesi de-novo di ossido nitrico.
L'ossido nitrico ha la capacità di potenziare l'induzione dell'apoptosi dovuta a ROS.
L'ossido nitrico è inoltre capace di indurre diversi geni che codificano per proteine coinvolte nella difesa e protezione cellulare.
In presenza di inibitori della produzione di ossido nitrico, diminuisce l'HR; i sintomi della malattia diventano più severi, ed aumenta la crescita batterica.
Risposte locali:
- Arresto del ciclo cellulare
- Induzione di geni che promuovono la resistenza =
1) Via dei fenilpropanoidi indotta: prodotti che comprendono l'acido salicilico (il quale a sua volta può indurre proteine correlate alla patogenesi), lignina (parete cellulare), flavonoidi
2) Proteine correlate alla patogenesi (PR)
3) Aumento delle fitoalessine
- Fortificazione della parete cellulare con lignina, glicoproteine, proteine ricche di idrossiprolina (HRPGs), etc.
Callosio e lignina:
- Callosio [(1-3b)glucano] e lignina (polimero fenolico altamente complesso) agiscono da barriera fisica che blocca la penetrazione dei funghi nelle cellule vegetali
- In seguito ad attacco virale vi è deposizione di callosio all'interno dei plasmodesmi, che blocca il movimento dei virus da cellula a cellula
Proteine ricche in idrossiprolina (HRPGs):
Contribuiscono alla fortificazione della parete cellulare attraverso due meccanismi =
- Le HRPGs preesistenti formano rapidamente legami crociati nella matrice di parete attraverso la tirosina reagendo con il perossido d'idrogeno, col fine di rafforzare la parete cellulare
- La sintesi de-novo di HRPGs porta ad una polimerizzazione addizionale della lignina che contribuisce ulteriormente a rinforzare le pareti cellulari
Proteine che inibiscono le poligalatturonidasi (PGIPs):
Un'altra classe di proteine extracellulari correlate alla difesa sono le PGIPs, che contengono motovi LRR.
Queste proteine inibiscono una classe specifica di enzimi di patogeni necrotofi che degradano la parete cellulare, e sono definiti poligalatturonidasi.
Le PGIPs ritardano la funzione delle poligalatturonidasi portando ad un aumento di oligogalatturonidi con catene più lunghe; questi ultimi hanno il compito di attivare risposte di difesa addizionali.
Acido salicilico:
L'acido salicilico ha diversi ruoli nelle risposte di difesa delle piante.
Con i suoi conigati glucosidici, si accumula ad alte concentrazioni nelle immediate vicinanze dei siti di infezione incompatibili.
Acido jasmonico:
In seguito ad attacco patogeno, questo composto aumenta sia localmente sia sistematicamente la sua concentrazione.
Non agisce direttamente sull'espressione genica, ma determina l'attivazione di determinati fattori di trascrizione.
Etilene:
L'etilene è frequentemente sintetizzato sia in risposta a reazioni incompatibili che sia compatibili.
Risposte incompatibili = resistenza
Risposte compatibili = malattia
Quando l'etilene è eliminato durante le reazioni di risposte compatibili, i sintomi cloritici e necrotici sono ridotti, e le piante sembrano essere maggiormente tolleranti alla malattia.
L'etilene, insieme all'acido jasmonico, sono richiesti per l'attivazione dei geni degli inibitori di proteinasi e dei geni di alcune proteine correlate alla patogenesi (PR) e delle chitinasi.
Difensine:
Sono peptidi basici ricchi di cisteina con forte azione antimicrobica.
Queste proteine si accumulano vicino alla membrana plasmatica.
Nel caso di attacco fungino, impediscono la normale crescita filamentosa delle ife.
Fitoalessine:
Sono composti antimicrobici lipofilici, che si accumulano ai siti di infezione incompatibile.
Le fitoalessine sono sintetizzate rapidamente in seguito all'attacco microbico, a causa dell'attivazione di nuove vie biosintetiche.
Il punto di controllo è solitamente l'inizio della trascrizione genica.
Le piante non accumulano gli enzimi richiesti per la loro biosintesi; appena dopo l'invasione microbica, inizano a trascrivere ed a tradurre gli mRNA appropiati ed a sintetizzare ex-novo gli enzimi.
Le fitoalessine sono specifiche di una determinata specie vegetale ma presentano un ampio spettro d'azione e sono in grado di alterare le membrane di patogeni diversi.
Silenziamento genico indotto dai virus nelle risposte di difesa:
Molti virus a RNA o DNA dopo l'infezione stimolano il silenziamento genico post-trascrizionale (PTGS).
I geni continuano ad essere trascritti ma questi non si accumulano per azione di meccanismi di degradazione degli RNA sequenza specifici.
I virus possono combattere questo meccanismo di difesa vegetale attraverso la rapida replicazione, prima che sia stabilito il silenziamento da parte della pianta, od attraverso la soppressione del silenziamento.
Risposte sistemiche:
Entro poche ore dall'attacco del patogeno, le risposte di difesa sono elaborate in tessuti lontani dal sito di infezione, od anche nelle painte vicine.
Il tipo di risposta sistemica è determinato dal tipo di organismo che ha attaccato la pianta.
Resistenza sistemica:
- Acquisita = virus, funghi, batteri e nematodi
- Da ferita = insetti e nematodi
- Indotta = rizobatteri non patogenici