Η ΣΥΝΘΕΣΗ ΤΩΝ ΔΕΥΤΕΡΟΓΕΝΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΙΤΩΝ ΕΧΕΙ ΑΜΕΣΗ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΤΗΝ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΩΝ ΒΙΟΤΙΚΩΝ ΠΑΡΑΓΟΝΤΩΝ ΚΑΤΑΠΟΝΗΣΗΣ Πρωτογενής μεταβολισμός: Η μεταβολική δραστηριότητα που έχει ως αποτέλεσμα τη σύνθεση των απαραίτητων συστατικών τα οποία συγκροτούν τη θεμελιώδη δομή των φυτικών κυττάρων (π.χ. αναπνοή, σύνθεση πρωτεϊνών κ.ά.). Οι βιοχημικοί μηχανισμοί οι οποίοι συνιστούν τον πρωτογενή μεταβολισμό και τα απαραίτητα συστατικά τα οποία παράγονται δεν παρουσιάζουν σημαντικές διαφοροποιήσεις σε επίπεδο κυττάρων, ιστών, οργάνων ή ακόμη και οργανισμών. Δευτερογενής μεταβολισμός: Η μεταβολική δραστηριότητα που έχει ως αποτέλεσμα τη σύνθεση μεταβολικών προϊόντων τα οποία παράγονται μόνο σε επιμέρους ιστούς ή όργανα ή/και σε συγκεκριμένα στάδια ανάπτυξης.
Τα κυριότερα χαρακτηριστικά της ομάδας των δευτερογενών μεταβολιτών είναι τα εξής: Ο συνολικός αριθμός τους υπερβαίνει κατά πολύ εκείνο των πρωτογενών μεταβολιτών. Οι μεταβολίτες αυτοί προέρχονται από ενδιάμεσες ενώσεις του πρωτογενούς μεταβολισμού (π.χ. ακετυλοσυνένζυμο-α, ορισμένα αμινοξέα, κ.ά.). Η σύνθεση και συσσώρευσή τους αποτελεί μια συντονισμένη και ολοκληρωμένη δραστηριότητα των φυτικών κυττάρων που συνδέεται στενά με την ικανότητα διαφοροποίησης, Πολυάριθμα παρακλάδια του δευτερογενούς μεταβολισμού λειτουργούν αποκλειστικά ή ενισχύονται μόνο σε ορισμένες οικογένειες φυτών.
Η σημασία των δευτερογενών μεταβολιτών Στο παρελθόν είχε διαμορφωθεί η λανθασμένη αντίληψη ότι οι δευτερογενείς μεταβολίτες αντιπροσώπευαν απόβλητα ή παραπροϊόντα του πρωτογενούς μεταβολισμού. Σήμερα έχει πλέον επιβεβαιωθεί ότι η παραγωγή των δευτερογενών μεταβολιτών συνδέεται στενά με την ύπαρξη και λειτουργία θεμελιωδών αμυντικών μηχανισμών, αναγκαίων για την επιβίωση των φυτικών ειδών. Συνδέεται επίσης με πλειάδα οικολογικών ρόλων, όπως η εγκαθίδρυση συμβιωτικών σχέσεων, η επικονίαση, ο ανταγωνισμός με άλλα είδη κ.ά. Η παραγωγή των δευτερογενών μεταβολιτών αποτελεί μια συντονισμένη και ολοκληρωμένη δραστηριότητα των φυτικών οργανισμών η οποία συνδέεται στενά με την ικανότητα διαφοροποίησης, δηλ. τον μηχανισμό δημιουργίας εξειδικευμένων κυττάρων. Η ικανότητα επομένως κάθε φυτού να παράγει τους μεταβολίτες αυτούς, ακολουθεί ένα ιδιαίτερο πρότυπο στο χώρο και στο χρόνο.
Μια πληθώρα οικολογικών υποθέσεων έχει διατυπωθεί σχετικά με τα αμυντικά πρότυπα των φυτών
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 συνήθως σε τρείς μεγάλες ομάδες. Η ομάδα των φαινολικών ουσιών περιλαμβάνει μεταβολίτες οι οποίοι χαρακτηρίζονται από την ύπαρξη ενός τουλάχιστον αρωματικού δακτυλίου στο μόριό τους και συντίθενται κυρίως μέσω των βιοσυνθετικών οδών του σικιμικού ή/και του μηλονικού οξέος. Τα τερπένια παράγονται μέσω της βιοσυνθετικής οδού του μεβαλονικού και πρόδρομο μόριο το ακέτυλο συνένζυμο Α. Η ομάδα των αζωτούχων δευτερογενών μεταβολιτών περιλαμβάνει ενώσεις οι οποίες προέρχονται κυρίως από αμινοξέα. Οι κηροί, η κουτίνη και η σουβερίνη, παρόλο που παραδοσιακά δεν θεωρούνται ως ενεργοί δευτερογενείς μεταβολίτες, θα αναφερθούν εν συντομία επειδή αποτελούν μια ενδιαφέρουσα ομάδα αμυντικών μορίων
Φαινολικές ενώσεις Πρόκειται για οργανικές ενώσεις των οποίων το μόριο περιλαμβάνει έναν τουλάχιστον αρωματικό δακτύλιο (C 6 ) ο οποίος φέρει ένα ή περισσότερα υδροξύλια. Μέσω αντιδράσεων συμπύκνωσης, προσθήκης ή πολυμερισμού του βασικού αρωματικού δακτυλίου, προκύπτει ένας μεγάλος αριθμός παραγώγων
Πίνακας XVIΙ. Οι κυριότερες υποομάδες των φαινολικών ουσιών. Αριθμός ατόμων C Τύπος ανθρ. σκελετού Κατηγορία ενώσεων Χαρακτηριστικοί εκπρόσωποι 6 C 6 απλές φαινόλες υδροκινόνη, κατεχόλη 7 C 6 -C 1 8 C 6 -C 2 9 C 6 -C 3 παράγωγα υδρόξυβενζοϊκού ακετοφαινόνες παράγωγα οξικού φαινυλίου παράγωγα υδρόξυκινναμικού φαινυλοπροπανίου κουμαρίνες 4-υδρόξυβενζοϊκό 4-υδρόξυακετοφαινόνη 4-υδροξυφαινυλοξικό καφεϊκό ευγενόλη εσκουλετίνη 10 C 6 -C 4 ναφθοκινόνες γιουγκλόνη 13 C 6 -C 1 -C 6 ξανθόνες μαντζιφερίνη 14 C 6 -C 2 -C 6 στιλμπένια, ανθρακινόνες ρεσβερατρόλη, εμοντίνη
15 C 6 -C 3 -C 6 φλαβονοειδή κερκετίνη 18 (C 6 -C 3 ) 2 λιγνάνες πινορεσινόλη 30 (C 6 -C 3 -C 6 ) 2 διφλαβονοειδή αμεντοφλαβόνη n (C 6 ) n μελανίνες της κατεχόλης πολυμερή του ναφθαλενίου n (C 6 -C 1 ) n :Glc υδρολυόμενες ταννίνες γαλλοταννίνες n (C 6 -C 3 ) n λιγνίνες πολυμερή της γουαϊακόλης (γυμνόσπερμα) πολυμερή της γουαϊακόλης και της συρινγκόλης (αγγειόσπερμα) n (C 6 -C 3 -C 6 ) n συμπυκνωμένες ταννίνες πολυμερή της κατεχίνης
Οι φαινολικές ενώσεις προέρχονται από την φαινυλαλανίνη Οι περισσότερες φαινολικές ενώσεις έχουν ως πρόδρομο μόριο την φαινυλαλανίνη, η οποία συντίθεται μέσω της βιοσυνθετικής οδού του σικιμικού οξέος. Σε ορισμένες περιπτώσεις ο σκελετός άνθρακα πολυπλοκότερων φαινολικών μορίων συναρμολογείται από απλούστερες δομικές μονάδες που προέρχονται από διαφορετικές βιοσυνθετικές οδούς του πρωτογενούς μεταβολισμού. Π.χ. στη βιοσύνθεση των φλαβονοειδών και όλων των συναφών ή παραγώγων μορίων, συνεργάζονται οι βιοσυνθετικές οδοί του σικκιμικού και του μαλονικού οξέος
Τερπένια (συνώνυμα: τερπενοειδή, ισοπρενοειδή) Ολες οι ενώσεις του τύπου αυτού προέρχονται από τη βασική μονάδα του ισοπεντανίου Η ομάδα περιλαμβάνει πολυάριθμα μέλη, με εξαιρετική ποικιλότητα μορφής. Ορισμένα μέλη της ομάδος αυτής αποτελούν αναπόσπαστα συστατικά θεμελιωδών λειτουργιών, όπως πχ τα καροτενοειδή, οι χλωροφύλλες, και ορισμένες φυτορμόνες, όπως οι γιββερελίνες και το αμπσισικό οξύ. Με τη συνένωση βασικών μονάδων (2,4,6,8,...,n) δημιουργούνται μεγαλύτερα μόρια, διαφορετικά μεταξύ τους
Πίνακας XVIΙΙ. Χαρακτηριστικοί εκπρόσωποι της ομάδας των τερπενίων Αριθμός ατόμων C Τύπος ανθρ. σκελετού Κατηγορία ενώσεων Χαρακτηριστικοί εκπρόσωποι 5 C 5 H 8 ισοπρένιο (ημιτερπένια) ισοπεντενυλοφωσφορικό 10 C 10 H 16 μονοτερπένια 15 C 15 H 24 σεσκιτερπένια 20 C 20 H 32 διτερπένια 30 C 30 H 48 τριτερπένια γερανιόλες (μενθόλη, καμφορά, πινένιο, κιτρονελλάλη) φαρνεζόλες (ουμπικινόνη, πλαστοκινόνη, αμπσισικό,ρισιτίνη) γερανυλγερανιόλες (φυτόλη, καουρένιο, γιββερελικό, φουσικοσίνη) σκουαλένια (στεροειδή, σαπωνίνες) 40 C 40 H 64 τετρατερπένια φυτοένιο, καροτενοειδή n (C 5 H 8 ) n πολυτερπένια κόμμεα, γουταπέρκα
CH 3 CH 3 OH CH 3 CH 2 λιμονένιο OH CH 3 CH 3 μενθόλη HO Καπσιδιόλη (σεσκιτερπένιο) Ταξαδιένιο (διτερπένιο)
Γιαμονίνη (σαπωνίνη, τριτερπένιο) O O O n Καουτσούκ (πολυτερπένιο) OH >300
Η βιοσύνθεση των τερπενίων πραγματοποιείται μέσω δύο διαφορετικών μεταβολικών οδών. Η βιοσυνθετική οδός του μεβαλονικού (το οποίο αποτελεί ένα σημαντικό ενδιάμεσο μεταβολίτη) οδηγεί στη σύνθεση της βασικής μονάδας με τα πέντε άτομα άνθρακα μέσω της σταδιακής συμπύκνωσης τριών μορίων ακετυλο-συνενζύμου Α. Τα τελικά προιόντα της οδού αυτής, το πυροφωσφορικό ισοπεντενύλιο και το ισομερές του πυροφωσφορικό διμεθυλαλλύλιο αποτελούν τις ενεργοποιημένες πρόδρομες μορφές μορίων οι οποίες συνδυαζόμενες παράγουν τα διάφορα μόρια των τερπενίων. H οδός φωσφογλυκεριναλδεύδης/ πυροσταφυλικού οδηγεί στη παραγωγή ισοπρενίου, μονοτερπενίων, διτερπενίων και τετρατερπενίων.
Η συνένωση των βασικών προδρόμων μονάδων, ανεξάρτητα από την προέλευσή τους, μπορεί να πραγματοποιηθεί με τρεις διαφορετικούς τρόπους.
Αζωτούχες ενώσεις Πρόκειται για μια ετερογενή ομάδα δευτερογενών μεταβολιτών, η οποία περιλαμβάνει I.Aλκαλοειδή. Οι ενώσεις αυτές συνήθως περιλαμβάνουν άζωτο σε έναν ετεροκυκλικό δακτύλιο ποικίλων μορφών. Εχουν αλκαλικές ιδιότητες. Ευδιάλυτα στο νερό N H Παπαβερίνη κωνιϊνη
III.Μη πρωτεϊνικά αμινοξέα. HOOC N H L-αζετιδίνο 2 καρβοξυλικό οξύ (δομή παραπλήσια της προλίνης)
II.Μπεταλαίνες. Πρόκειται για χρωστικές που δίδουν χαρακτηριστικούς χρωματισμούς σε όργανα και ιστούς οι οποίες έχουν περιορισμένη εξάπλωση, κυρίως σε οικογένειες της τάξης των Caryophyllales. Ο χαρακτηριστικότερος εκπρόσωπος είναι η μπετανίνη των κονδύλων των τεύτλων. HO HO Μπετανίνη των τεύτλων N COOH HOOC N COOH H
IV.Αμίνες. Ουσίες οι οποίες περιλαμβάνουν μία τουλάχιστον αμινομάδα στο μόριό τους. Χαρακτηριστικοί εκπρόσωποι η ισταμίνη, η πουτρεσκίνη, κ.ά. H 2 N NH 2 πουτρεσκίνη H 2 N NH σπερμίνη NH NH 2
VI.Θειογλυκοζίτες (glucosinolates). Αζωτούχες ενώσεις που περιέχουν θείο στο μόριό τους, το οποίο κάτω από κατάλληλες συνθήκες μπορεί να απελευθερωθεί ως ισοθειοκυανικό ή θειοκυανικό ιόν. N CH 2 O S C N O SO 3 γλυκομπρασσισίνη
V.Κυανογόνα γλυκοσίδια. Αζωτούχες ενώσεις ενωμένες με ένα σάκχαρο. Υπό την επίδραση κατάλληλων ενζύμων απελευθερώνουν -CN. αμυγδαλίνη
Αμυντικές πρωτεΐνες. Πρόκειται για πολυπεπτίδια-εξειδικευμένους αναστολείς με αμυντικό προορισμό.
Οι αζωτούχες ενώσεις προέρχονται κυρίως από αμινοξέα Η βιοσύνθεση του αλκαλοειδούς ρετικουλίνης
Σε ορισμένες περιπτώσεις οι πρόδρομες ενώσεις είναι απλοί μεταβολίτες του πρωτογενούς μεταβολισμού O 1x CH 3 C S CoA ακ έτυλο -CoA αλανίνη πυροσταφυλικό NADPH NADP + 3x O HOOC CH 2 C S μα λον υλο -CoA CoA O H O 5-κε το οκταν άλη N γ-κω νεισ εϊνη NH κων ειϊνη Εικόνα 40. Η βιοσύνθεση του αλκαλοειδούς κωνιίνης
Κουτίνη-κηροί -σουβερίνη Kουτίνη: Ετερογενές πολυμερές το οποίο απαρτίζεται κυρίως από δύο ομάδες λιπαρών οξέων -με σκελετό 16 και 18 άτομα άνθρακα αντίστοιχα-, οι οποίες σχηματίζουν μίγματα διαφορετικών αναλογιών. Τα διαφορετικά αυτά λιπαρά οξέα πολυμερίζονται σχηματίζοντας εστερικούς δεσμούς μεταξύ τους, και δημιουργούν ένα τρισδιάστατο πλέγμα. Κηροί: Μίγματα μη πολυμερισμένων υδρογονανθράκων των οποίων η αλυσίδα περιλαμβάνει μεγάλο αριθμό ατόμων άνθρακα. Το εξαιρετικά υδρόφοβο στρώμα των κηρών συνήθως περιλαμβάνει λιπόφιλα συστατικά με αμυντικό προορισμό, όπως στερόλες, μεθυλιωμένα φλαβονοειδή, κ.ά. Η σουβερίνη παρουσιάζει παρόμοια χημική σύσταση με εκείνη της κουτίνης, ωστόσο εμφανίζει αυξημένη περιεκτικότητα σε συστατικά με μεγάλο αριθμό ατόμων άνθρακα στην αλυσίδα, σε δικαρβοξυλικά λιπαρά οξέα καθώς και σε φαινολικές ενώσεις
Πίνακας XIX. Ορισμένοι τυπικοί εκπρόσωποι των δομικών μονάδων οι οποίες πολυμερίζονται και δημιουργούν την κουτίνη και τη σουβερίνη καθώς και συστατικά των κηρών. Ομάδα με 16 άτομα C CH 3 (CH 2 ) 14 COOH HOCH 2 (CH 2 ) 14 COOH Υμενίνη (κουτίνη) Φελλίνη (σουβερίνη) CH 3 (CH 2 ) m COOH CH 3 (CH 2 ) m CH 2 OH HOCH 2 (CH 2 ) n COOH HOOC(CH 2 ) n COOH Διάφορες φαινολικές ενώσεις (m=18-30, n=14-20) Κηροί Ομάδα με 18 άτομα C CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH(CH 2 ) 7 COOH HOCH 2 (CH 2 ) 7 CH=CH(CH 2 ) 7 COOH αλκάνια λιπαρό οξύ, αλκοόλη εστέρας CH 3 (CH 2 ) 27 CH 3 CH 3 (CH 2 ) 29 CH 3 CH 3 (CH 2 ) 22 CΟΟH CH 3 (CH 2 ) 24 CH 2 ΟΗ CH 3 (CH 2 ) 22 COO(CH 2 ) 25 CH 3
Τα παθογόνα επηρεάζουν σημαντικές λειτουργίες του ξενιστή Φωτοσύνθεση: Η λειτουργία αυτή μπορεί να επηρεάζεται άμεσα (από βλάβες ή τοξίνες των παθογόνων) ή έμμεσα (από κλείσιμο των στοματίων λόγω προσβολής των ηθμαγγειωδών δεσμίδων). Μεταφορά νερού-θρεπτικών συστατικών: Παθογόνα τα οποία προσβάλλουν τη ρίζα επηρεάζουν άμεσα την άντληση από το έδαφος και τη μεταφορά νερού και θρεπτικών συστατικών προς το υπέργειο τμήμα. Εξάλλου παθογόνα τα οποία προσβάλλουν ή εξαπλώνονται στα αγγεία του ξύλλου προκαλούν μερική ή ολική έμφραξη των στοιχείων μεταφοράς είτε άμεσα (λόγω της παρουσίας τους, ή/και της παραγωγής πολυσακχαριτών) είτε έμμεσα (λόγω καταστροφής κυττάρων του ξενιστή και απελευθέρωσης του περιεχομένου τους στα αγγεία ή/και δημιουργίας τυλώσεων στα στοιχεία μεταφοράς από πλευράς ξενιστή). Διαπνοή: Εάν το παθογόνο προσβάλλει τα φύλλα, παρατηρείται συνήθως αύξηση του ρυθμού της διαπνοής. Η αύξηση αυτή οφείλεται σε καταστροφή ή αλλοίωση της εφυμενίδας και της επιδερμίδας (επομένως συμβαίνει ανεξέλεγκτη διαροή νερού) και σε δυσλειτουργίες του μηχανισμού κίνησης των καταφρακτικών κυττάρων των στοματίων. Αναπνοή: Η αναπνοή κατά κανόνα αυξάνεται, κυρίως σε τοπικό επίπεδο. Σε ορισμένες περιπτώσεις παρατηρείται και αναερόβια αναπνοή, σε μια απεγνωσμένη προσπάθεια να καλυφθούν ταχύτερα οι αμυντικές ανάγκες. Περατότητα κυτταρικών μεμβρανών: Η διαταραχή της λειτουργίας των μεμβρανών στις συνθήκες αυτές προκαλεί απώλεια διαμερισματοποίησης και διαρροή ηλεκτρολυτών με τελικό αποτέλεσμα το θάνατο των κυττάρων. Μεταβολές στη κατανομή των πόρων: Ορισμένα παθογόνα προκαλούν ανακατανομή των θρεπτικών συστατικών προς τη περιοχή προσβολής, χωρίς να προκαλέσουν θάνατο των κυττάρων του ξενιστή. Μεταγραφή-μετάφραση: Οι ιοί
Τα φυτά διαθέτουν δύο βασικές στρατηγικές ώστε να αντιμετωπίζουν βιοτικούς παράγοντες καταπόνησης Τα φυτά αντιμετωπίζουν την ύπαρξη βιοτικών παραγόντων καταπόνησης στο περιβάλλον τους μέσω δύο κυρίως στρατηγικών: Ι. 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. Η στρατηγική της αποφυγής ταυτίζεται εν πολλοίς με την ύπαρξη της θεμελιώδους προϋπάρχουσας άμυνας, δηλ. ένα σύνολο αμυντικών μηχανισμών οι οποίοι έχουν αναλάβει την μόνιμη προστασία των φυτικών ιστών και οργάνων. Περιλαμβάνει μορφολογικούς χαρακτήρες, καθώς και ένα εκτεταμένο χημικό οπλοστάσιο δευτερογενών μεταβολιτών. ΙΙ. Ανθεκτικότητα. Τα φυτά τα οποία χαρακτηρίζονται από την στρατηγική αυτή διαθέτουν την ικανότητα να αντιμετωπίζουν την βιοτική καταπόνηση στο εσωτερικό πλέον των ιστών τους, ενεργοποιώντας μια σειρά από αμυντικούς μηχανισμούς. Συνήθως στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιείται ο όρος επαγόμενη άμυνα, η οποία αφορά σε βιοχημικούς κυρίως μηχανισμούς οι οποίοι εμφανίζονται μόνον όταν εκδηλωθεί προσβολή ή άλλου είδους καταπόνηση.
Η στρατηγική της αποφυγής περιλαμβάνει μορφολογικούς και βιοχημικούς μηχανισμούς θεμελιώδους προϋπάρχουσας άμυνας Οι φυτικοί οργανισμοί δίδουν προτεραιότητα στην αμυντική θωράκιση των επιφανειών οι οποίες είναι εκτεθειμένες στο εξωτερικό περιβάλλον (και επομένως και στους εχθρούς). Η επιδερμίδα και τα εξαρτήματά της, η υμενίνη και οι κηροί της εφυμενίδας των υπέργειων οργάνων καθώς και η φελλίνη που καλύπτει κυρίως τα υπόγεια όργανα, συνιστούν το βασικό τμήμα της θεμελιώδους άμυνας. Κατά κανόνα οι δευτερογενείς μεταβολίτες εντοπίζονται σε περιοχές πάνω ή κοντά στην επιφάνεια των φυτικών οργάνων. Κάθε φυτικό είδος έχει στη διάθεση του περισσότερους του ενός μηχανισμούς άμυνας και ένα μεγάλο αριθμό αμυντικών μεταβολιτών.
Ρύθμιση της προϋπάρχουσας άμυνας Η προϋπάρχουσα άμυνα προσαρμόζεται όχι μόνο στην ύπαρξη εχθρών, αλλά και στις επικρατούσες συνθήκες του αβιοτικού περιβάλλοντος (συνθήκες φωτισμού, επάρκεια θρεπτικών συστατικών κ.ά). Το είδος των αμυντικών μεταβολιτών που συντίθενται εξαρτάταιι, εκτός των άλλων, και από την επάρκεια ορισμένων θρεπτικών συστατικών, όπως του αζώτου. Έλλειψη αζώτου οδηγεί συνήθως στη σύνθεση μεταβολιτών που περιέχουν αποκλειστικά άνθρακα στο μόριό τους (πχ φαινολικές ουσίες), εις βάρος μεταβολιτών που περιέχουν άζωτο (πχ αλκαλοειδή). Η εποχή, το στάδιο της ανάπτυξης και το είδος του οργάνου παίζουν σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση της θεμελειώδους άμυνας. Κατά κανόνα τα νεαρά φύλλα θωρακίζονται με υψηλότερες συγκεντρώσεις δευτερογενών μεταβολιτών, ενώ οι καρποί εμφανίζονται με μειωμένη αμυντική προστασία, Σημαντική συνεισφορά στην άμυνα ενός φυτικού οργανισμού μπορεί να έχουν και απονεκρωμένοι ιστοί στους οποίους όμως σε ορισμένα στάδια της ανάπτυξής τους έχουν συσσωρευτεί δευτερογενείς μεταβολίτες, συνήθως φαινολικές ουσίες. Χαρακτηριστικά παραδείγματα τέτοιων ιστών αποτελούν το εγκάρδιο ξύλο του κορμού ορισμένων δένδρων, καθώς και ορισμένα επιδερμικά εξαρτήματα (μη αδενώδεις τρίχες). Κάθε φύλλο διαμορφώνει ιδιαίτερα αμυντικά χαρακτηριστικά.
Η θεμελιώδης προϋπάρχουσα άμυνα βασίζεται σε επιτυχημένη σχέση δομήςλειτουργίας ορισμένων μορφολογικών χαρακτήρων Η εφυμενίδα και οι κηροί αποτελούν την πρώτη γραμμή άμυνας Η εφυμενίδα η οποία μαζί με τους κηρούς καλύπτει με τη μορφή ενός συνεχούς στρώματος κάθε υπέργειο φυτικό όργανο εκτός των ξυλωδών βλαστών και τις περιοχές των τραυμάτων, αποτελεί την πρώτη γραμμή άμυνας κάθε φυτού Λόγω του ισχυρά υδρόφοβου χαρακτήρα της περιορίζει την υπερβολική απώλεια νερού, αλλά και εμποδίζει τη διαβροχή της επιφάνειας με αποτέλεσμα να περιορίζεται η βλάστηση των σπορίων και η επιβίωση των μικροοργανισμών, η επικάθηση ρυπαντών, σκόνης κλπ. Προστατεύει τους ιστούς από μηχανικές καταπονήσεις, ενώ εμποδίζει την εισχώρηση των υφών των μυκήτων και των μυζητήρων των εντόμων. Περιορίζει την είσοδο ακτινοβολίας μέσω ανάκλασης και απορρόφησης. Λειτουργεί ως μία οριακή επιφάνεια από την οποία τα φυτά αντιλαμβάνονται, μέσω εξειδικευμένων σημάτων, την άφιξη μικροοργανισμών, εντόμων κ. ά.
Οι σκληρεγχυματικοί ιστοί ενισχύουν την αμυντική θωράκιση Αποτρέπουν την διείσδυση των παθογόνων και των εντόμων. Λειτουργούν κυρίως ως μηχανικά φράγματα. Η φυσική τους σκληρότητα, λόγω των παχιών κυτταρικών τοιχωμάτων των κυττάρων τους αποτρέπει την κατανάλωσή τους από τα φυτοφάγα, ενώ η ύπαρξη κυτταρίνης και λιγνίνης τους καθιστά δύσπεπτους. Χαρακτηρίζονται από φτωχή θρεπτική αξία, λόγω της έλλειψης αζώτου.
Τα κυτταρικά τοιχώματα ενισχύονται με δευτερογενείς μεταβολίτες Η λιγνίνη των γυμνοσπέρμων αποτελεί το προϊόν πολυμερισμού κυρίως της κονιφερυλικής αλκοόλης και σε μικρότερα ποσά της κουμαρυλικής αλκοόλης, ενώ εκείνη των αγγειοσπέρμων της κονιφερυλικής και σιναπικής αλκοόλης σε αναλογία περίπου 1:1. Ε κονιφερυλική αλκοόλη πινορεσινόλη
Τα επιδερμικά εξαρτήματα συνεισφέρουν στην προστασία των φυτικών ιστών Περιλαμβάνουν μεγάλη ποικιλία μορφών, πρόκειται δε για ανατομικούς σχηματισμούς με καθαρά αμυντικό προορισμό. Εξ αυτών ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι αδενώδεις τρίχες, οι οποίες απαντώνται σε ένα μεγάλο αριθμό φυτικών ειδών, με χαρακτηριστικούς εκπροσώπους στην οικογένεια Lamiaceae. Οι αδενώδεις τρίχες παράγουν και απεκκρίνουν δευτερογενείς μεταβολίτες οι οποίοι είτε είναι τοξικoί για τα παθογόνα και τα φυτοφάγα, είτε μεσολαβούν στην επικονίαση. Τα προϊόντα είναι συνήθως πτητικά μίγματα (ονομάζονται και αιθέρια έλαια) μονοτερπενίων και διτερπενίων τα οποία διαφεύγουν είτε λόγω διαρρήξεως του λεπτού υμενίου της κουτίνης η οποία συνήθως περιβάλλει τα σταγονίδια του εκκρίματος, είτε μέσω πόρων οι οποίοι υπάρχουν στις δομές αυτές. Η μενθόλη (από την μέντα) και το λιμονένιο (από τη λεμονιά) αποτελούν χαρακτηριστικά συστατικά αιθερίων ελαίων.
Η αποαξονική επιφάνεια του φυτού Cistus sp. Οι αστεροειδείς μη αδενώδεις τρίχες συνυπάρχουν με αδενώδεις (Α). Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρρωσης.
Εγκάρσια τομή φύλλου του φυτού Teuctrium sp. μετά από θραύση, όπως φαίνεται στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης Στην αποαξονική επιφάνεια διακρίνονται αδενώδεις τρίχες (Α) οι οποίες καλύπτονται από το πυκνό στρώμα του μη αδενώδους τριχώματος.
Διαγραμματική παρουσίαση της ανατομίας μιας νύσσουσας τρίχας της τσουκνίδας καθώς και των κύριων δραστικών συστατικών της.
Οι γαλακτοφόροι σωλήνες αποτελούν ένα εκτεταμένο αμυντικό σύστημα σε ορισμένα φυτά Πρόκειται για μια ετερογενή ομάδα εκκριτικών ιστών οι οποίοι παράγουν τον γαλακτώδη χυμό. Ο χυμός αποτελεί ένα παχύρευστο εναιώρημα κόμμεων, συνήθως δι-, τρι- και πολυτερπενίων, των οποίων η δράση ενισχύεται και από την ύπαρξη άλλων τοξικών ουσιών.
Εγκάρσια τομή βλαστού συκιάς όπως φαίνεται σε μικροσκόπιο φθορισμού. Οι γαλακτοφόροι σωλήνες εμφανίζονται ως φωτεινές κηλίδες διάσπαρτες στην περιοχή του φλοιού (υποδεικνύονται με βέλη).
Επιμήκης τομή βλαστού του φυτού Euphorbia dendroides
Αντιπροσωπευτικά φυτικά είδη που διαθέτουν γαλακτοφόρους σωλήνες, δευτερογενείς μεταβολίτες που περιλαμβάνονται στο γαλακτώδη χυμό και χαρακτηριστικές τους ιδιότητες και χρήσεις.
Η επίδραση του γαλακτώδους χυμού σε προνύμφες εντόμων. Α. Η διατροφή των προνυμφών του εντόμου Samia ricini με άθικτα φύλλα Ficus virgata έχει ως αποτέλεσμα το θάνατό τους μετά από 48 ώρες (στο ένθετο νεκρή προνύμφη). Τα τοξικά αυτά αποτελέσματα δεν παρατηρούνται όταν τα φύλλα επαλειφθούν με έναν παρεμποδιστή της δράσης πρωτεϊνασών (Β) ή όταν τα φύλλα κοπούν και στη συνέχεια πλυθούν ώστε να απομακρυνθεί ο γαλακτώδης χυμός (Γ). Στα ένθετα των Β και Γ φαίνονται οι ζωντανές προνύμφες.
Οι ρητινοφόροι αγωγοί αποτελούν το χαρακτηριστικό αμυντικό σύστημα των κωνοφόρων Οι αγωγοί αυτοί απαντώνται κυρίως στα κωνοφόρα των οποίων διασχίζουν ολόκληρο το φυτικό σώμα. Εκκρίνουν την ρητίνη, η οποία αποτελείται κυρίως από ένα μίγμα τερπενίων, με χαρακτηριστικούς εκπροσώπους τα α-πινένιο, β-πινένιο, λιμονένιο, μυρκένιο (μονοτερπένια), αβιετικό οξύ (διτερπένιο), κ.ά. Οι ουσίες αυτές παρουσιάζουν τοξική δράση κυρίως έναντι εντόμων. Σε περίπτωση διάτρησης των αγωγών αυτών από τα μασητικά μόρια των εντόμων, η ρητίνη εκχέεται και παρεμποδίζει περαιτέρω κατανάλωση του ιστού. Εκτός αυτού, εάν η ρητίνη εκτεθεί στον αέρα σκληρύνεται και επουλώνει το τραύμα.
Εγκάρσια τομή βελόνας πεύκου. Οι ρητινοφόροι αγωγοί εμφανίζονται ως φωτεινές κηλίδες.
Τα εκτοανθικά νεκτάρια, τα τροφοσωμάτια και τα δωμάτια εξασφαλίζουν έμμεση προστασία μέσω τριτροφικών σχέσεων
Το εγκάρδιο ξύλο αποτελεί έναν νεκρό, αλλά ισχυρά θωρακισμένο ιστό με αμυντικό προορισμό. Η διαδικασία αμυντικής θωράκισης του εγκάρδιου ξύλου έπεται του σχηματισμού της δευτερογενούς ανατομικής διάπλασης και περιλαμβάνει εναπόθεση δευτερογενών μεταβολιτών (κυρίως λιγνάνες, στιλβένια, παράγωγα φλαβονοειδών και ταννίνες, όπως επίσης τερπένια ή αλκαλοειδή) στα νεκρά κύτταρα αγγείων του ξύλου, στα οποία έχει ήδη εναποτεθεί λιγνίνη. Η εναπόθεση των δευτερογενών μεταβολιτών στο εγκάρδιο ξύλο παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον επειδή πραγματοποιείται σε κύτταρα τα οποία είναι ήδη νεκρά. Κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης της λιγνίνης στο σομφό ξύλο και τη σταδιακή απονέκρωση των κυττάρων, τα κύτταρα των εντεριώνιων ακτίνων παραμένουν για ένα διάστημα ζωντανά. Στο χρονικό αυτό διάστημα, λίγο πριν τον θάνατό τους, συσσωρεύουν μίγματα δευτερογενών μεταβολιτών τα οποία απεκκρίνουν στα λιγνινοποιημένα αγγεία του ξύλου μέσω βοθρίων.
Ο κυτταροσκελετός προβάλλει αντίσταση στη διείσδυση των παθογόνων Τα περιφερειακά κύτταρα της καλύπτρας προσφέρουν προστασία στη ρίζα έναντι παθογόνων
Πολυάριθμοι δευτερογενείς αμυντικοί μεταβολίτες αποθηκεύονται στα χυμοτόπια των επιδερμικών, αλλά και των παρεγχυματικών κυττάρων Ορισμένες φαινολικές ενώσεις παίζουν σημαντικούς αμυντικούς ρόλους Η ισχυροποίηση των κυτταρικών τοιχωμάτων με λιγνίνη καθώς και η ύπαρξη ταννινών αποτελούν χαρακτηριστικούς μηχανισμούς θεμελιώδους άμυνας. Η εναπόθεση της λιγνίνης, κυρίως κατά τη δευτερογενή πάχυνση, καθιστά τα κυτταρικά τοιχώματα ανθεκτικά στις μηχανικές καταπονήσεις και στην διείσδυση παθογόνων, ενώ τα αδιαβροχοποιεί μειώνοντας τις απώλειες νερού. Επίσης μειώνει την ικανότητα πέψης των φυτικών ιστών από τα φυτοφάγα. Οι ταννίνες εάν συμπεριληφθούν στη τροφή φυτοφάγων προκαλούν ανάσχεση της ανάπτυξης και πιθανόν ακόμη και το θάνατο. Η δράση τους αυτή σχετίζεται με δύο κυρίως ιδιότητες: α. Την ικανότητα να αντιδρούν και να κατακρημνίζουν αδιακρίτως πρωτείνες.. β. Την ικανότητά τους να δρούν ως προ-οξειδωτικοί παράγοντες, δηλ. να δρούν ως οξειδωτικές ουσίες αφού προηγηθεί η δική τους οξείδωση
Αντιπροσωπευτική δομή ταννινών
Τα διαδοχικά στάδια οξείδωσης μιας ελλαγιταννίνης παρουσία μοριακού οξυγόνου σε υψηλό ph. Αρχικά σχηματίζεται η ελεύθερη ρίζα της ημικινόνης και στη συνέχεια κινόνη η οποία συμπεριφέρεται ως αντιδιατροφικός παράγοντας. Κατά τις αντιδράσεις αυτές παράγονται ROS, είτε άμεσα, είτε έμμεσα π.χ. από την αντίδραση Fenton.
οι φουρανοκουμαρίνες εμφανίζουν ισχυρή τοξικότητα εάν ενεργοποιηθούν από ακτινοβολία κατάλληλων μηκών κύμματος (UV-A, 320-400 nm). Τα ενεργοποιημένα μόρια έχουν την ικανότητα να προσδένονται στις βάσεις πυριμιδίνης του DNA και να παρεμποδίζουν την μεταγραφή, με τελικό αποτέλεσμα τον θάνατο των κυττάρων.
Μέλη της ομάδας των τερπενίων παρουσιάζουν τοξική δράση έναντι φυτοφάγων και παθογόνων Ένας μεγάλος αριθμός μονοτερπενίων και παραγώγων τους αποτελούν τοξικούς παράγοντες για τα έντομα. CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 OH CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 2 CH 3 CH 3 CH 2 λιμονένιο μενθόλη μυρκένιο α-πινένιο β-πινένιο Τα πυρεθροειδή, εστέρες των μονοτερπενίων, αποτελούν αποτελεσματικά εντομοκτόνα. Οι σεσκιτερπενικές λακτόνες είναι κυκλικοί εστέρες που χαρακτηρίζονται από την ύπαρξη ενός δακτυλιου λακτόνης στο μόριό τους. Αποτελούν ισχυρά αποθητικά μόρια για τα φυτοφάγα έντομα και ζώα με πικρή, δυσάρεστη γεύση.
COOR πυρεθρίνη Ι (από χρυσάνθεμο) O O O O τομεντοσίνη (από Dittrichia viscosa) (σεσκιτερπενική λακτόνη)
Τα τριτερπένια αντιπροσωπεύουν μία από τις πλέον πολυπληθείς και σημαντικές ομάδες αμυντικών μεταβολιτών. Οι σημαντικότερες υποομάδες τους αφορούν: I.Τα στεροειδή με χαρακτηριστικούς εκπροσώπους τις φυτοεκδυσόνες, των οποίων το μόριο παρουσιάζει ομοιότητα με τις ορμόνες έκδυσης εντόμων. Ως εκ τούτου λήψη τροφής η οποία περιέχει τέτοιου είδους μόρια προκαλεί διαταραχές στη διαδικασία αλλαγής του εξωσκελετού στους οργανισμούς αυτούς και τελικά τον θάνατό τους. OH CH 3 CH 3 CH 3 OH CH 3 OH OH CH 3 O OH α-εκδυσόνη
II. Τα λιμονοειδή, με εξαιρετικά απωθητική δράση έναντι των εντόμων και πικρή γεύση. Χαρακτηριστικοί τους εκπρόσωποι περιλαμβάνονται στα αιθέρια έλαια της λεμονιάς.
O O HO O O OH O O OH O O H OH OH ντιτζιτογενίνη καρδιακό γλυκοσίδιο III. Τα καρδενολίδια ή καρδιακά γλυκοσίδια. Πρόκειται για εξαιρετικά τοξικά μόρια με πικρή γεύση. Επηρεάζουν την λειτουργία των αντλιών Να/Κ των καρδιακών μυών. Ωστόσο σε χαμηλές συγκεντρώσεις αποτελούν απαραίτητα καρδιοτονωτικά φάρμακα για καρδιοπαθείς. Η τοξικότητα και πικρότατη γεύση των φύλλων της πικροδάφνης (Nerium oleander) οφείλεται στην παρουσία του καρδενολιδίου της ολεανδρίνης.
O O O n γιαμονίνη IV. Τις σαπωνίνες. Γλυκοσίδια το μόριο των οποίων παρουσιάζει χαρακτηριστικά απορρυπαντικού, όπως προδίδει και το όνομά τους. Παρουσιάζουν τοξική δράση έναντι των ζώων λόγω της ικανότητάς τους να αποδιατάσσουν τις μεμβράνες και να προκαλούν αιμόλυση των ερυθρών αιμοσφαιρίων.
Αζωτούχες ενώσεις Τα αλκαλοειδή αποτελούν ίσως την περισσότερο διαδεδομένη ομάδα αμυντικών μορίων (έχουν αναφερθεί περισσότερα από 50000 μέλη), με τοξική δράση έναντι κυρίως ζωικών οργανισμών, συμπεριλαμβανομένου και του ανθρώπου. Επηρεάζουν το κεντρικό νευρικό σύστημα, λόγω της ικανότητάς τους να προσδένονται σε θέσεις νευροδιαβιβαστών. Για τον λόγο αυτό ορισμένες από τις ουσίες αυτές (όπως η μορφίνη, η κωδείνη και η εφεδρίνη) χρησιμοποιούνται σε χαμηλή δοσολογία ως φάρμακα, ενώ άλλες ως διεγερτικά ή καταπραϋντικά (καφεϊνη, νικοτίνη, κοκαϊνη κλπ). Ωστόσο σε υψηλές συγκεντρώσεις ορισμένα αλκαλοειδή, όπως η στρυχνίνη, η ατροπίνη, η σολανίνη και η κωνειίνη, αποτελούν ισχυρά δηλητήρια.
Τα κυανογόνα γλυκοσίδια και τα θειογλυκοσίδια υπό κανονικές συνθήκες δεν παρουσιάζουν ιδαίτερη τοξικότητα. Ωστόσο σε περίπτωση τραυματισμού του ιστού που τα περιέχει, διασπώνται από κατάλληλα υδρολυτικά ένζυμα τα οποία στον άθικτο ιστό εντοπίζονται σε διαφορετικά υποκυτταρικά διαμερίσματα ή κύτταρα, παράγοντας προιόντα διάσπασης ορισμένα από τα οποία είναι εξαιρετικά τοξικά (π.χ. ρίζα κυανίου). R Σάκχαρο Ο C κυανογόνο γλυκοσίδιο C R N Η 2 Ο Σάκχαρο R κυανοϋδρίνη R Ο C R HΟ C R γλυκοζιδάση λυάση του C N υδροξυνιτριλίου HCN υδροκυάνιο Δουρίνη στα επιδερμικά κύτταρα σόργου Γλυκοσιδάση (κόκκινοι κύκλοι) και λυάση του υδροξυνιτριλίου στο κυτόπλασμα των κυττάρων του μεσοφύλλου
Τα θειογλυκοσίδια σε υψηλές δόσεις προκαλούν ερεθισμό του στόματος και γαστροεντερικές διαταραχές.
Ορισμένα είδη φυτών (όπως το Canavalia ensiformis) συνθέτουν μη πρωτεϊνικά αμινοξέα των οποίων το μόριο παρουσιάζει συνήθως χαρακτηριστική ομοιότητα με κάποιο από τα συνήθη απαραίτητα αμινοξέα. Η καναβανίνη π.χ. μοιάζει με την αργινίνη, η β-κυανοαλανίνη με την αλανίνη. Μόρια της ομάδας αυτής συνήθως ενσωματώνονται σε πρωτεινικά μόρια αντί των σωστών αμινοξέων επειδή οι αντίστοιχες t-rna συνθάσες των ζώων αδυνατούν να διακρίνουν τη διαφορά μεταξύ των μορίων. Η υποκατάσταση αυτή έχει ως αποτέλεσμα να συντίθενται πρωτεΐνες των οποίων η τεταρτοταγής δομή παρουσιάζεται διαφοροποιημένη, και ως εκ τούτου να διαταράσσεται η λειτουργία τους. HOOC CH CH 2 CH 2 O NH C NH 2 NH 2 NH HOOC CH NH 2 CH 2 CH 2 CH 2 NH C NH 2 NH Καναβανίνη Αργινίνη H HOOC C CH 2 C N NH 2 H HOOC C CH 2 NH 2 C O NH 2 3-κυανοαλανίνη L-ασπαραγίνη
Οι αμυντικοί μεταβολίτες συνήθως είναι μόρια χαμηλού μοριακού βάρους. Ωστόσο ορισμένα φυτά περιλαμβάνουν στο αμυντικό τους οπλοστάσιο και μακρομόρια, κατά κανόνα πρωτεΐνες. Τα πολυπεπεπτίδια αυτά είναι εξειδικευμένοι αναστολείς άλλων ενζύμων φυτοφάγων οργανισμών και δρούν σε εξαιρετικά χαμηλές συγκεντρώσεις. Η ομάδα των αμυντικών αυτών μορίων περιλαμβάνει: I. Τις λεκτίνες οι οποίες προσδένονται σε πρωτεΐνες του εντέρου και παρεμποδίζουν την πρόσληψη των θρεπτικών συστατικών της τροφής. Οι λεκτίνες επίσης παρουσιάζουν την ικανότητα να προσδένονται εκλεκτικά στη χιτίνη, το υδατανθρακικό πολυμερές που σχηματίζει τον εξωσκελετό των εντόμων και τα κυτταρικά τοιχώματα ορισμένων μυκήτων. II. Τις χητινάσες, ένζυμα τα οποία υδρολύουν την χητίνη. III. Τους παρεμποδιστές των πρωτεινασών και των αμυλασών οι οποίοι προσδένονται εκλεκτικά και με στοιχειομετρία ένα προς ένα στα αντίστοιχα ενζυμικά μόρια και τα αδρανοποιούν. Οι αναστολείς αυτοί είναι φανερό ότι παρεμποδίζουν την τροφοδοσία των φυτοφάγων οργανισμών με αμινοξέα και σάκχαρα.
Η επαγόμενη άμυνα προτάσσει την ύστατη-και αποτελεσματική-αντίσταση Επαγόμενη άμυνα έναντι παθογόνων Η διαδικασία προσβολής, αποικισμού και αναπαραγωγής του παθογόνου ονομάζεται παθογένεση. Στα φυσικά οικοσυστήματα, μόνο ένα μικρό ποσοστό προσβολών παθογόνων προκαλεί τελικά παθογενείς καταστάσεις στα φυτά-ξενιστές. Οι κυριότεροι λόγοι για τους οποίους τα περισσότερα παθογόνα αποτυγχάνουν τελικά να προκαλέσουν νοσηρές καταστάσεις είναι οι εξής: 1. Η θεμελιώδης άμυνα την οποίαν προτάσσουν οι φυτικοί ιστοί είναι αποτελεσματική. 2. Το φυτικό είδος το οποίο προσβάλλεται δεν εκπληρώνει τις απαιτήσεις για την υποστήριξη ή/και ολοκλήρωση του βιολογικού κύκλου του παθογόνου. 3. Κατά τη διάρκεια της προσβολής οι συνθήκες του περιβάλλοντος μεταβάλλονται πριν το παθογόνο προλάβει να ξεπεράσει το κρίσιμο εκείνο στάδιο πέραν του οποίου οι δυσμενείς συνθήκες του περιβάλλοντος δεν το επηρρεάζουν πλέον. 4. Στη περίπτωση αυτή και εφόσον ο ξενιστής αναγνωρίσει τη προσέγγιση του παθογόνου, ενεργοποιούνται οι μηχανισμοί της επαγώμενης άμυνας ώστε η προσβολή να περιοριστεί ή να εξαληφθεί.
Η πλήρης ολοκλήρωση της προσβολής εξαρτάται από την ικανότητα του παθογόνου να καταστρέψει τα κύτταρα του ξενιστού πριν ακόμη προβάλλουν αντίσταση και/ή να εξουδετερώσει τους μηχανισμούς μέσω των οποίων γίνεται αντιληπτή η εισβολή. Επομένως η προσβολή του παθογόνου είναι επιτυχής και εκδηλώνεται ασθένεια (δηλ. παρατηρείται συμβατότητα) μόνον όταν οι συνθήκες του περιβάλλοντος είναι ευνοϊκές, η θεμελιώδης άμυνα του ξενιστή ανεπαρκής, το παθογόνο δεν γίνει αντιληπτό ή/και η επαγώμενη άμυνα δεν είναι αποτελεσματική και τελικά ο ξενιστής εκπληρώνει τις απαιτήσεις του βιολογικού κύκλου του παθογόνου. Το στέλεχος του παθογόνου το οποίο είναι ικανό να προκαλέσει παθογένεση ονομάζεται παθογενές ή μολυσματικό στέλεχος.