Η άμυνα των φυτών ή αλλιώς γιατί η γη είναι πράσινη

Transcript

1 Η άμυνα των φυτών ή αλλιώς γιατί η γη είναι πράσινη οι φυτικοί οργανισμοί βρίσκονται συνεχώς σε επαφή με ένα εχθρικό βιοτικό περιβάλλον βακτήρια

2 Η άμυνα των φυτών ή αλλιώς γιατί η γη είναι πράσινη Τα φυτά αναγκάστηκαν μέσω της εξέλιξης να θωρακίσουν τα κύτταρα τους έναντι των επίδοξων εχθρών, εφοδιαζόμενα με: κατάλληλη δομή αγκάθια τρίχες εφυμενίδα κ.α. βιοχημικό οπλοστάσιο δευτερογενείς μεταβολίτες

3 Η εξέλιξη και η άμυνα των φυτών Η αμυντική θωράκιση οικοδομήθηκε σταδιακά μέσω της εξέλιξης (ή και της συνεξέλιξης με τους εχθρούς) από τυχαίες ή «κατευθυνόμενες» μεταλλάξεις οι οποίες οδηγούσαν στην παραγωγή ενός νέου αμυντικού μορίου με τοξική δράση έναντι των παθογόνων ή/και των άλλων εχθρών Φυσική επιλογή διαιώνιση των ατόμων που διέθεταν βελτιωμένα αμυντικά χαρακτηριστικά

4 Δευτερογενείς μεταβολίτες Οι φυτικοί οργανισμοί παράγουν έναν μεγάλο αριθμό οργανικών μορίων (> χημικές δομές), η σύνθεση των οποίων δεν φαίνεται να σχετίζεται ευθέως με τις ανάγκες της αύξησης και της ανάπτυξης δευτερογενείς μεταβολίτες ή προϊόντα του δευτερογενούς μεταβολισμού

5 Αντίστιξη: πρωτογενής μεταβολισμός Πρωτογενής μεταβολισμός: Ο μεταβολισμός που σχετίζεται με ζωτικές λειτουργίες και λειτουργεί σε αμινοξέα, λιπίδια, νουκλεοτίδια, υδατάνθρακες, οργανικά οξέα κ.ά. όλα τα φυτικά κύτταρα διαδραματίζουν ζωτικής σημασίας ρόλους αναπνοή, φωτοσύνθεση, αφομοίωση ανόργανων θρεπτικών στοιχείων κ.ά.

6 Δευτερογενείς μεταβολίτες η σύνθεση και συσσώρευση των δευτερογενών μεταβολιτών συνδέεται στενά με τη λειτουργία αμυντικών μηχανισμών έναντι κυρίως βιοτικών αλλά και αβιοτικών καταπονήσεων επίσης συνδέεται με: πλειάδα οικολογικών ρόλων: αναπαραγωγή εγκαθίδρυση συμβιωτικών σχέσεων ανταγωνισμό με γειτονικά φυτά κ.ά.

7 άρα, ο δευτερογενής μεταβολισμός είναι Ο μεταβολισμός τα προϊόντα του οποίου εμπλέκονται κυρίως σε αλληλεπιδράσεις μεταξύ του φυτού και του (βιοτικού ή αβιοτικού) περιβάλλοντος

8 Τα κυριότερα χαρακτηριστικά της ομάδας των δευτερογενών μεταβολιτών Α) Ο συνολικός αριθμός τους υπερβαίνει κατά πολύ εκείνο των πρωτογενών μεταβολιτών Β) Οι μεταβολίτες αυτοί προέρχονται από ενδιάμεσες ενώσεις του πρωτογενούς μεταβολισμού

9 Τα κυριότερα χαρακτηριστικά της ομάδας των δευτερογενών μεταβολιτών Γ) Η σύνθεση και συσσώρευσή τους αποτελεί μια συντονισμένη και διαφοροποίηση ολοκληρωμένη δραστηριότητα των φυτικών κυττάρων αποκλειστικό βιοχημικό χαρακτηριστικό οντογενετικού σταδίου συγκεκριμένη πορεία στον τόπο και στο χρόνο

10 Τα κυριότερα χαρακτηριστικά της ομάδας των δευτερογενών μεταβολιτών Δ. Πολυάριθμα παρακλάδια του δευτερογενούς μεταβολισμού λειτουργούν αποκλειστικά ή ενισχύονται μόνο σε ορισμένες οικογένειες φυτών ταξινομικό κριτήριο

11 Οι δευτερογενείς μεταβολίτες κατατάσσονται σε τρεις μεγάλες ομάδες Με βάση τη βιοσυνθετική οδό μέσω της οποίας παράγονται και τα χαρακτηριστικά του μορίου, οι δευτερογενείς μεταβολίτες κατατάσσονται σε: Φαινολικές ενώσεις Τερπένια Αζωτούχες ενώσεις

12 Οι δευτερογενείς μεταβολίτες κατατάσσονται σε τρεις μεγάλες ομάδες Φαινολικές ενώσεις: χαρακτηρίζονται από την ύπαρξη ενός τουλάχιστον αρωματικού δακτυλίου στο μόριό τους, ο οποίος φέρει ένα ή περισσότερα υδροξύλια και συντίθενται κυρίως μέσω των βιοσυνθετικών οδών του σικιμικού ή/και του μηλονικού οξέος

13 Οι δευτερογενείς μεταβολίτες κατατάσσονται σε τρεις μεγάλες ομάδες Φαινολικές ενώσεις: χαρακτηρίζονται από την ύπαρξη ενός τουλάχιστον αρωματικού δακτυλίου στο μόριό τους, ο οποίος φέρει ένα ή περισσότερα υδροξύλια και συντίθενται κυρίως μέσω των βιοσυνθετικών οδών του σικιμικού ή/και του μηλονικού οξέος

14 Οι δευτερογενείς μεταβολίτες κατατάσσονται σε τρεις μεγάλες ομάδες Τερπένια: ο βασικός σκελετός τους είναι ένα μόριο υδρογονάνθρακα με 5 άτομα άνθρακα (ισοπεντάνιο) Αζωτούχοι δευτερογενείς μεταβολίτες: Ενώσεις που περιέχουν άζωτο στο μόριό τους και προέρχονται κυρίως από αμινοξέα

15 Η άμυνα του φυτού έναντι των παθογόνων Τα παθογόνα επηρεάζουν σημαντικές λειτουργίες του ξενιστή Εύρος και μορφή αλλαγών εξαρτώνται από είδος του παθογόνου είδος του οργάνου που εκδηλώνεται η προσβολή χρονική στιγμή που εκδηλώνεται η προσβολή αναπτυξιακό στάδιο του οργάνου παράλληλες καταπονήσεις

16 Πώς επηρεάζεται η φωτοσύνθεση άμεσα έμμεσα μείωση της φωτοσυνθετικής επιφάνειας βλάβες στο έλασμα φυλλόπτωση

17 Πώς επηρεάζεται η φωτοσύνθεση άμεσα έμμεσα παθογόνα που προσβάλουν τις ηθμαγγειώδεις δεσμίδες προκαλούν κλείσιμο των στομάτων άμεσες βλάβες στους χλωροπλάστες μολυσματικοί παράγοντες ή τοξίνες των παθογόνων παρεμποδίζουν τη δραστηριότητα φωτοσυνθετικών ενζύμων

18 Πώς επηρεάζεται η φωτοσύνθεση *Διεγέρτες: Μόρια τα οποία αναγνωρίζονται από αισθητήρες που ενεργοποιούν το ανοσοποιητικό σύστημα των φυτικών κυττάρων άμεσα έμμεσα Η αντίληψη διεγερτών* από τα φυτικά κύτταρα προκαλεί παρεμπόδιση της έκφρασης γονιδίων που σχετίζονται με τη φωτοσυνθετική λειτουργία, ενώ επάγεται η έκφραση γονιδίων που σχετίζονται με την άμυνα

19 Πώς επηρεάζεται η μεταφορά νερού & θρεπτικών συστατικών επηρεάζουν άμεσα την άντληση από το έδαφος και τη μεταφορά νερού και θρεπτικών συστατικών προς το υπέργειο τμήμα παθογόνα της ριζας

20 Πώς επηρεάζεται η μεταφορά νερού & θρεπτικών συστατικών λόγω της παρουσία τους άμεσα λόγω παραγωγής πολυσακχαριτών μερική ή ολική έμφραξη παθογόνα του ξύλου των στοιχείων μεταφοράς

21 Πώς επηρεάζεται η μεταφορά νερού & θρεπτικών συστατικών καταστροφή κυττάρων του ξενιστή και απελευθέρωση του περιεχομένου τους στα αγγεία δημιουργία τυλώσεων έμμεσα μερική ή ολική έμφραξη παθογόνα του ξύλου των στοιχείων μεταφοράς

22 Τι είναι η τύλωση Προεκβολή των κυττάρων του ξυλώδους παρεγχύματος στην κοιλότητα ενός αγγείου που έχει ως αποτέλεσμα το μερικό ή ολικό φράξιμο του αγγείου: σε περιπτώσεις τραυματισμών, προσβολών και παύσης της λειτουργίας του αγγείου

23 Πώς επηρεάζεται η διαπνοή αύξηση του ρυθμού διαπνοής καταστροφή ή αλλοίωση της εφυμενίδας και της επιδερμίδας παθογόνα του φύλλου πρόκληση συνεχούς ανοίγματος στομάτων από κάποια παθογόνα δυσλειτουργίες του μηχανισμού κίνησης των καταφρακτικών κυττάρων

24 Πώς επηρεάζεται η αναπνοή Η αναπνοή κατά κανόνα αυξάνεται, κυρίως σε τοπικό επίπεδο εξυπηρετεί Την κάλυψη των αναγκών της επαγόμενης από την προσβολή άμυνας

25 Πώς επηρεάζονται οι μεμβράνες διαταραχή της λειτουργίας των μεμβρανών απώλεια διαμερισματοποίησης διαρροή ηλεκτρολυτών κυτταρικός θάνατος

26 Μεταβολές στην κατανομή των πόρων Ορισμένα παθογόνα προκαλούν ανακατανομή των θρεπτικών συστατικών προς την περιοχή προσβολής, χωρίς να προκαλέσουν θάνατο των κυττάρων του ξενιστή

27 Πώς επηρεάζεται η μεταγραφήμετάφραση Οι ιοί αποτελούν χαρακτηριστικό παράδειγμα άμεσης επέμβασης ενός παθογόνου στις δύο αυτές ζωτικές λειτουργίες του ξενιστή

28 Τα φυτά διαθέτουν δύο βασικές στρατηγικές ώστε να αντιμετωπίζουν βιοτικούς παράγοντες καταπόνησης Αποφυγή Ανθεκτικότητα

29 Αποφυγή Τα φυτά τα οποία επιλέγουν τη στρατηγική αυτή ενισχύουν αμυντικά τους ιστούς τους έτσι ώστε να αποκλείσουν την είσοδο των παθογόνων στο εσωτερικό, ή να αποτρέψουν την κατανάλωση από τα φυτοφάγα θεμελιώδης προϋπάρχουσα άμυνα

30 Θεμελιώδης προϋπάρχουσα άμυνα Το σύνολο των αμυντικών μηχανισμών που έχουν αναλάβει τη μόνιμη προστασία των φυτικών ιστών και οργάνων μορφολογικοί χαρακτήρες που παρέχουν κυρίως μηχανική προστασία δομές που εξασφαλίζουν τροφή ή καταφύγιο σε αρπακτικά δομές που παρέχουν σύνθετη προστασία εκτεταμένο χημικό οπλοστάσιο δευτερογενών μεταβολιτών

31 Ανθεκτικότητα Τα φυτά τα οποία χαρακτηρίζονται από τη στρατηγική αυτή διαθέτουν την ικανότητα να αντιμετωπίζουν τη βιοτική καταπόνηση στο εσωτερικό πλέον των ιστών τους, ενεργοποιώντας μια σειρά από αμυντικούς μηχανισμούς επαγόμενη άμυνα

32 Επαγόμενη άμυνα Το σύνολο αμυντικών βιοχημικών μηχανισμών που εκδηλώνονται μόνον όταν τα φυτικά κύτταρα αντιληφθούν προσβολή ή άλλου είδους καταπόνηση Έκφραση ανθεκτικότητας δεν σημαίνει ότι δεν θα παρατηρηθούν ζημιές σε ιστούς Είδος και ένταση άμυνα ε και από το περιβάλλον εξάπλωσης Βασική προϋπόθεση: ύπαρξη ενός συστήματος επιτήρησης σε κάθε φυτικό κύτταρο που να ανιχνεύει προσβολές

33 Ανάπτυξη vs άμυνα Το φωτοσυνθετικό προϊόν κατανέμεται ανάλογα με τις ανάγκες για ανάπτυξη, ώστε να αντιμετωπιστούν οι ανταγωνιστές, και τις ανάγκες άμυνας και προστασίας έναντι κυρίως βιοτικών παραγόντων καταπόνησης. Το φωτοσυνθετικό προϊόν στην περίπτωση αυτή επενδύεται ώστε να λειτουργούν δύο επίπεδα άμυνας, η θεμελιώδης προϋπάρχουσα και η επαγόμενη. Η επάρκεια θρεπτικών στοιχείων πριμοδοτεί τις διαδικασίες ανάπτυξης, ενώ η ανεπάρκειά τους ευνοεί τις διαδικασίες άμυνας/προστασίας.

34 Αποφυγή: μορφολογικοί και βιοχημικοί μηχανισμοί θεμελιώδους προϋπάρχουσας άμυνας προτεραιότητα στην αμυντική θωράκιση των επιφανειών που είναι εκτεθειμένες στο εξωτερικό περιβάλλον Συνιστώσες θεμελιώδους άμυνας o Επιδερμίδα και τα εξαρτήματά της o υμενίνη o κηροί της εφυμενίδας των υπέργειων οργάνων o φελλίνη που καλύπτει κυρίως τα υπόγεια όργανα δευτερογενείς μεταβολίτες που εντοπίζονται σε περιοχές πάνω ή κοντά στην επιφάνεια των οργάνων

35 Παράγοντες που επηρεάζουν την προϋπάρχουσα άμυνα Ι Δυναμικό σύνολο αμυντικών μηχανισμών: ευθυγραμμίζεται όχι μόνο με την ύπαρξη εχθρών ή παθογόνων, αλλά και με τις επικρατούσες συνθήκες του αβιοτικού περιβάλλοντος (συνθήκες φωτισμού, επάρκεια θρεπτικών συστατικών κ.ά.)

36 Παράγοντες που επηρεάζουν την προϋπάρχουσα άμυνα ΙΙ εποχή στάδιο ανάπτυξης είδος οργάνου ταυτόχρονες καταπονήσεις επάρκεια θρεπτικών επένδυση στην άμυνα σχετίζεται θετικά με τη διάρκεια ζωής των υπό προστασία οργάνων: νεαρά φύλλα ισχυρά θωρακισμένα (αξία ζωής μεγαλύτερη) καρποί εμφανίζονται με μειωμένη αμυντική προστασία, ιδιαίτερα στο τελικό στάδιο ωριμότητας

37 Τα επιμέρους συστατικά της θεμελιώδους προϋπάρχουσας άμυνας Η θεμελιώδης προϋπάρχουσα άμυνα βασίζεται σε επιτυχημένη σχέση δομής-λειτουργίας ορισμένων μορφολογικών χαρακτήρων

38 Η εφυμενίδα και οι κηροί αποτελούν την πρώτη γραμμή άμυνας Μετακίνηση Ευμενίδα: καλύπτει με τη μορφή ενός συνεχούς στρώματος κάθε υπέργειο φυτικό όργανο εκτός των ξυλωδών βλαστών και τις περιοχές των τραυμάτων

39 Η εφυμενίδα και οι κηροί αποτελούν την πρώτη γραμμή άμυνας The hydrophobic coatings of plant surfaces

40 Εφυμενίδα και άμυνα Υδρόφοβος χαρακτήρας περιορίζει την υπερβολική απώλεια νερού μειώνει την παραμονή του νερού στις επιφάνειες που καλύπτει επειδή παρεμποδίζει τη διάβρεξή τους περιορίζεται η βλάστηση των σπορίων και η επιβίωση των μικροοργανισμών

41 Εφυμενίδα και άμυνα Αντοχή προστατεύει τους ιστούς από μηχανικές καταπονήσεις εμποδίζει την εισχώρηση των υφών των μυκήτων και των μυζητήρων των εντόμων Απάντηση και σε αβιοτική καταπόνηση: περιορίζει την είσοδο ακτινοβολίας μέσω ανάκλασης και απορρόφησης

42 Εφυμενίδα και άμυνα μπλε φθορισμός από την εφυμενίδα λόγω της παρουσίας απλών φαινολικών συστατικών

43 Τα κυτταρικά τοιχώματα ενισχύονται με δευτερογενείς μεταβολίτες Ισχυροποίηση των κυτταρικών τοιχωμάτων με λιγνίνη κυτταρίνη ημικυτταρίνη λιγνίνη

44 Λιγνίνη: το αφθονότερο προϊόν του δευτερογενούς μεταβολισμού (το 15-20% του άνθρακα ο οποίος αφομοιώνεται ετησίως από τα ανώτερα φυτά, ενσωματώνεται στο πολυμερές αυτό)

45 Τα κυτταρικά τοιχώματα ενισχύονται με δευτερογενείς μεταβολίτες Η εναπόθεση λιγνίνης αδιαβροχοποιεί τα κ.τ. μειώνοντας τις απώλειες νερού καθιστά τα κυτταρικά τοιχώματα ανθεκτικά στις μηχανικές καταπονήσεις και στη διείσδυση παθογόνων μειώνει την ικανότητα πέψης των φυτικών ιστών από τα φυτοφάγα (+ κυτταρίνης και πηκτίνης) αποτρεπτικό

46 Οι σκληρεγχυματικοί ιστοί ενισχύουν την αμυντική θωράκιση Λειτουργούν ως μηχανικά φράγματα αποτρέποντας τη διείσδυση των παθογόνων και των εντόμων

47 Οι σκληρεγχυματικοί ιστοί ενισχύουν την αμυντική θωράκιση Σκληροί και με παχιά κ.τ. φτωχή θρεπτική αξία, λόγω της έλλειψης αζώτου αποτρέπει την κατανάλωσή τους από τα φυτοφάγα, ενώ η ύπαρξη κυτταρίνης και λιγνίνης τους καθιστά δύσπεπτους

48 Τα επιδερμικά εξαρτήματα συνεισφέρουν στην προστασία των φυτικών ιστών Περιλαμβάνουν μεγάλη ποικιλία μορφών, πρόκειται δε για ανατομικούς σχηματισμούς με καθαρά αμυντικό προορισμό αδενώδεις τρίχες μη αδενώδεις τρίχες

49 Αδενώδεις τρίχες Η λειτουργία τους αφορά κυρίως την παραγωγή και απέκκριση δευτερογενών μεταβολιτών οι οποίοι είτε είναι τοξικoί για τα παθογόνα και τα φυτοφάγα, είτε μεσολαβούν στην επικονίαση τα προϊόντα αιθέρια έλαια (πτητικά μίγματα μονοτερπενίων και διτερπενίων) τα οποία διαφεύγουν στην ατμόσφαιρα με τη ρήξη ενός υμένα ή από πόρους

50 Αδενώδεις τρίχες Συνύπαρξη αδενωδώνμη αδενωδών τριχών

51 Αδενώδεις τρίχες Παράδειγμα Solanum berthaultii: δύο τύποι αδενωδών τριχών (Α και Β), τα εκκρίματα των οποίων έχουν ως στόχο κυρίως αφίδες Τύπος Β: εκλύει μια φερομόνη συναγερμού, η ύπαρξη της οποίας προκαλεί τάση διαφυγής και διαταραχές στον τρόπο διατροφής και κινήσεων των αφίδων Τύπος Α: περιέχει έκκριμα με φαινολικές ουσίες και ορισμένα ένζυμα. Εάν η αφίδα προκαλέσει μηχανική διάρρηξη του αδένα σχηματίζεται ένα κολλώδες προϊόν το οποίο την καθηλώνει

52 Αδενώδεις τρίχες Παράδειγμα ντομάτας: i) αδενώδεις τρίχες με ουσίες που παρουσιάζουν τοξική δράση τόσο έναντι εντόμων, όσο και έναντι παθογόνων μικροοργανισμών ii) μη αδενώδεις τρίχες

53 Αδενώδεις τρίχες Παράδειγμα τσουκνίδας: νύσσουσες τρίχες ειδική ανατομία για έκχυση Οι ενώσεις αυτές είναι νευροδιαβιβαστές που προκαλούν πόνο και κνισμό εάν εισαχθούν στο σώμα σπονδυλωτών

54 Μη αδενώδεις τρίχες φράγματα μηχανικής και χημικής προστασίας έναντι εντόμων και παθογόνων Κατά τα αρχικά στάδια της ανάπτυξής τους συσσωρεύονται δευτερογενείς μεταβολίτες, συνήθως φαινολικές ουσίες, μετά απονεκρώνονται

55 Οι γαλακτοφόροι σωλήνες αποτελούν ένα εκτεταμένο αμυντικό σύστημα σε ορισμένα φυτά ετερογενής ομάδα εκκριτικών ιστών οι οποίοι παράγουν τον γαλακτώδη χυμό παχύρευστο εναιώρημα μείγμα πολυάριθμων ουσιών μηχανισμός προστασίας από τους φυτοφάγους οργανισμούς

56 Η επίδραση του γαλακτώδους χυμού σε προνύμφες εντόμων Α) άθικτα φύλλα Ficus virgata θάνατό σε 48 ώρες Β) επάλειψη με παρεμποδιστή της δράσης πρωτεϊνασών Γ) κομμένα και πλυμένα φύλλα: όχι χυμός

57 Αντιπροσωπευτικά φυτικά είδη που παράγουν γαλακτώδη χυμό, συστατικά του και χρήσεις

58 τοξική δράση κυρίως έναντι εντόμων, αλλά και φυτοπαθογόνων μικροοργανισμών των οποίων οι φορείς είναι τα έντομα Οι ρητινοφόροι αγωγοί αποτελούν το χαρακτηριστικό αμυντικό σύστημα των κωνοφόρων Οι αγωγοί αυτοί απαντώνται κυρίως στα κωνοφόρα των οποίων διασχίζουν ολόκληρο το φυτικό σώμα μείγμα πτητικών και μη τερπενίων

59 Οι ρητινοφόροι αγωγοί αποτελούν το χαρακτηριστικό αμυντικό σύστημα των κωνοφόρων Σε περίπτωση διάτρησης των αγωγών αυτών από τα μασητικά μόρια των εντόμων η ρητίνη εκχέεται και: παρεμποδίζει περαιτέρω κατανάλωση του ιστού αφού εκτεθεί στον αέρα σκληρύνεται και επουλώνει το τραύμα

60 Οι ρητινοφόροι αγωγοί αποτελούν το χαρακτηριστικό αμυντικό σύστημα των κωνοφόρων

61 Το εγκάρδιο ξύλο αποτελεί έναν νεκρό, αλλά ισχυρά θωρακισμένο ιστό με αμυντικό προορισμό λειτουργικό ξύλωμα: σομφό ξύλο περιφερειακά ανοιχτό χρώμα μη λειτουργικό ξύλωμα: εγκάρδιο ξύλο κεντρικά σκούρο χρώμα τυλώσεις απόθεση τανινών, αιθέριων ελαίων, κόμμεων

62 Το εγκάρδιο ξύλο αποτελεί έναν νεκρό, αλλά ισχυρά θωρακισμένο ιστό με αμυντικό προορισμό Η αμυντική θωράκιση έπεται του σχηματισμού της δευτερογενούς ανατομικής διάπλασης εναπόθεση δευτερογενών μεταβολιτών που πραγματοποιείται σε κύτταρα που είναι ήδη νεκρά Το εγκάρδιο ξύλο μετατρέπεται σε μια μακράς διάρκειας προστατευτική δομή ανθεκτική στη σήψη