دو فصلنامه دانش بيماريشناسي گياهي سال دوم جلد 1 پاييز و زمستان 1391 پيامرساني هورمون اتيلن در پاسخ گياهان به بيمارگرها اسد معصومي اصل* استاديار اصلاح نباتات گروه زراعت و اصلاح نباتات دانشكده كشاورزي دانشگاه ياسوج تارخ دريافت :1391/07/04 تاريخ پذيرش : 1391/11/28 معصومي اصل ا. 1391. پيامرساني هورمون اتيلن در پاسخ گياهان به بيمارگرها. دانش بيماريشناسي گياهي.8-15 :(1)2 چكيده گياهان با دامنهاي از سازوكارهاي مولكولي- بيوشيميايي ذاتي يا القايي استراتژيهايي را براي سازگاري به تغييرات محيطي ايجاد كردهاند. پاسخ مناسب گياه از طريق دريافت پيام خارج سلولي و انتقال آن به درون سلولهاي گياهي ظهور مييابد. اتيلن به عنوان هورموني شناسايي شده است كه واكنشهاي گياهي را تحت شرايط محدودكننده رشدي كنترل ميكند. توليد اتيلن در واكنش به تنشهاي زيستي مثل آلوده شدن گياه با بيمارگرها يا حمله گياهخواران افزايش مييابد. اكثر ژنهاي مقاومت توسط مسير پيامرساني اتيلن القا ميشوند. مسير بيوسنتز اتيلن از اسيدآمينه متيونين بهخوبي شناخته شده است و اتيلن توليدي باعث فعال شدن ژنهاي مقاومت و بروز واكنشهاي دفاعي گياهان ميشود. ژنهاي موثر در پيامرساني اتيلن در برنج و نيز ژنهاي مقاومت كه با تيمار اتيلن افزايش بيان نشان ميدهند معرفي شدهاند. واژههاي كليدي: پيامرساني بيمارگر اتيلن دفاع گياه * پست الكترونيك : masumiasl@yahoo.com 8
پيامرساني هورمون اتيلن در پاسخ گياهان به بيمارگرها معصومي اصل مقدمه گياهان با دامنه اي از سازوكارهاي مولكولي- بيوشيميايي ذاتي يا القاي ي استراتژيهايي را براي سازگاري به تغييرات محيطي ايجاد كردهاند. بنظر ميرسد هورمونهاي گياهي مثل اتيلن و اسيد همبيشي بطور جاسمونات (Synergitic) بيان ژنهاي دفاعي را در پاسخ به حمله بيمارگرهاي مختلف القا مينمايند. در اين مقاله قصد داريم بطور مختصر به نقش هورمون ساده ولي بسيار مهم اتيلن در پاسخهاي دفاعي گياهان در مقابل بيمارگرها بپردازيم. 1- اساس مولكولي پاسخ گياهان به حمله بيمارگرها دو نوع پاسخ مقاومتي در گياهان قابل تشخيص است: پاسخ نژاداختصاصي specify) (Host و پاسخ غيراختصاصي( specify (Nonhost. در هر دو حالت فرآيندهاي بيوشيميايي درگير بسيار شبيه هم هستند. مقاومت در گياهان با عدم توانايي بيمارگر براي رشد تكثير و پراكنش آشكار شده و اغلب فرم واكنش فوقحساسيت (Hypersensitive) بهخود گرفته و باعث مرگ منطقهاي سلول يا بافت در محل آلودگي ميگردد. در اين واكنش حلقهاي از سلولها در اطراف ناحيه مرده براي آلودگي بعدي كاملا مصون ميگردند كه به عنوان مقاومت اكتسابي منطقهاي شناخته ميشود. اين پاسخ منطقهاي كه اغلب مقاومت غيراختصاصي را در سرتاسر گياه فعال مينمايد به عنوان مقاومت اكتسابي سيستميك Resistance) (SAR= Systemic Acquired شناخته شده و محافظت پايداري را در مقابل دامنه وسيعي از بيمارگرها ايجاد مينمايد. تغييرات متابوليكي طي مقاومت اكتسابي منطقهاي عبارتند از : 1- استحكام يافتن ديواره سلولي بواسطه تغيير حالت و همبسته شدن پلي ساكاريدها پروتي ينها گليكوپروتي ينها و مواد فنولي نامحلول 2- تحريك مسيرهاي متابوليك ثانويه كه برخي از آنها تركيبات كوچك با فعاليت ضدميكروبي توليد ميكنند (فيتوالكسينها) 3- توليد تنظيمكنندههاي دفاعي مثل اسيدساليسيليك اتيلن و متابوليتهاي مشتق از ليپيدها و 4- توليد و تجمع دامنه وسيعي از پروتي ينها و پپتيدهاي دفاعي (1997 al.,.(baker et 2- اتيلن و نقش آن در گياهان عليرغم ساختار ساده كربني اتيلن يك تنظيمكننده رشد و نمو گياهي است. اتيلن در بسياري از مراحل زندگي گياه شامل جوانهزني بذر نمو ريشههاي موي ين نمو گرههاي ريشهاي پيري گلها و رسيدن ميوه دخيل است. توليد اتيلن به شدت توسط پيامهاي داخلي نموي و در پاسخ به محرك هاي محيطي شامل تنشهاي زنده (مثل حمله بيمارگرها) و غيرزنده (مثل زخم اكسيداسيون سرما و يخزدگي) تنظيم ميشود (2002 al.,.(kevin et اتيلن در 9
دو فصلنامه دانش بيماريشناسي گياهي سال دوم جلد 1 پاييز و زمستان 1391 واكنش گياه به زخم نيز دخيل ميباشد به طوريكه با مسيرهاي پيامدهي پيچيده هماهنگ شده و ترميم بافت و افزايش مقاومت به عوامل ايجاد كننده زخم بهوسيله اين مسيرها ايجاد ميشود (1996 al. O)., Donnell et زخم شدن ميوه هلو افزايش نسخهبرداري ژن PpETR1 همولوگ (Ethylene Receptor1) ETR1 در ميوه هلو را باعث ميشود در حاليكه چنين واكنشي در برگهاي آن يافت نميشود (2002 al.,.(basset et در گياهچههاي گندم W-etr1 زخم مثل كاركرد اسيد جاسمونيك يا اسيدآبسيزيك بيان يك ژن يراي همولوگ گيرنده اتيلن يعني را افزايش ميدهد 2003) Wang,.(Ma and در اثر حمله باكتريهاي بيمارگرها نيز توليد اتيلن در گياه افزايش مييابد. اتيلن نقش تنظيمي روي ژنهاي مقاومت و واكنشهاي دفاعي گياهان دارد. حداقل 10 پروتي ين دفاعي در گوجهفرنگي رديابي شده است كه توليد 9 تا از اين پروتي ينها بوسيله اتيلن القا ميشوند (تقوي و همكاران 1390). اتيلن يك تنظيمگر دفاعي با القاي تشكيل اين پروتي ينها است. در مقابل فرمهاي مختلف حمله بيمارگرها به گياهان 2 مسير دفاعي داريم : 1- مسير وابسته به اسيدساليسيليك كه توسط بيمارگرهايي القا ميشود كه سلول گياهي را نميكشند 2- مسيرهاي وابسته به اتيلن كه توسط بيمارگرهايي القا ميشود كه سلول گياهي را جهت نغذيه ميكشند (2002 al., (Kevin et 3- نحوه تشكيل اتيلن در گياهان اولين گام اصلي در مسير بيوسنتز اتيلن تشكيل S -ادنوزيل متيونين S-=S-adenosyl-L-methionine) (AdoMet وACC (Aminocyclopropane-1-carboxylic acid=) به عنوان پيشسازهاي اتيلن ميباشند (1984 Haffman,.(Yang and آنزيمهايي كه اين واكنش را كاتاليز ميكنند شناساي ي شده و با استفاده از روشهاي بيوشيميايي خالصسازي شدهاند. S -آدنوزيل متيونين (S-AdoMet) پيشساز بيوسنتز اتيلن در گياهان بوده و به عنوان پيشماده براي بسياري از مسيرهاي بيوشيميايي شامل بيوسنتز پليآمينها و اتيلن بكار برده ميشود. علاوه بر اين S-AdoMet در واكنشهاي متيلاسيوني كه ليپيدها پروتي ينها و اسيدهاي نوكلي يك را تغيير ميدهند دخيل است. بر اساس اين چرخه اولين مرحله اختصاصي بيوسنتر اتيلن تبديل S-AdoMet به ACC بهوسيله ACC سينتاز مي باشد. ACC سينتاز دراين واكنش علاوه بر ACC 5 -متيل تيو آدنوزين (MTA)=Methionine thioadenosine نيز توليد ميكند كه بعدها با استفاده از چرخه تغيير متيونين به متي ونين تبديل ميشود. اين مسير حفاظت شده گروه متيل لازم براي دورهاي بعدي توليد اتيلن را نيز فراهم ميكند. از اينرو اتيلن ميتواند بهطور 10
پيامرساني هورمون اتيلن در پاسخ گياهان به بيمارگرها معصومي اصل.(Kevin et al., 2002) شكل 1. مسير تشكيل اتيلن پيوسته و بدون نياز به افزايش مخزن متيونين ساخته شود. بهطور همزمان گروه سولفور متيونين نيز محافظت ميشود. در نهايت ACC بوسيله ACC -اكسيداز اكسيده مي- شود تا اتيلن دياكسيدكربن و سيانيد تشكيل شود كه توسط بتا-سيانوآلانين سينتاز Beta-) E.C.4.4.9.9= (β-acs, cyanoalanine synthase به بتا-سيانوآلانين دتوكسي ميشود تا مانع سميت تجمع سيانيد در طي سنتز مقادير بالاي اتيلن شود (شكل 1). پس از سنتز اتيلن اتيلن درك (حس) شده و پيامرساني آن از طريق سيستم ارسال پيام پاسخهاي زيستي خاصي پديد ميآورد (2002 al.,.(kevin et 4- پيامرساني هورمون اتيلن و ژنهاي موثر در آن مشخص شده كه اسيدجاسمونيك و اتيلن در انتقال پيام و پاسخ به بيمارگرها زخم و حتي ريزوباكتريهاي غيربيماريزا نيز دخيل هستند. همانطور كه در شكل 2 مشاهده ميگردد اتيلن با واسطه اسيدجاسمونيك در 11
دو فصلنامه دانش بيماريشناسي گياهي سال دوم جلد 1 پاييز و زمستان 1391 شكل 2. مسيرهاي پيامرساني اتيلن در واكنش دفاعي گياه.(Dickinson, 2003) Arabidopsis thaliana پاسخ به ريزوباكتري غيربيماريزا توليد شده و باعث تحريك بيان ژنهاي مقاومت در گياه و توليد واكنش دفاعي ميگردد. طي تحقيقي كه با استفاده از بانكهاي اطلاعاتي بينالمللي برنج توسط نويسنده مقاله حاضر انجام شد. ليست ژنهاي مرتبط با پيامرساني اتيلني در برنج شناسايي شدند (جدول 1). بديهي است هريك از اين ژنها ميتوانند منشاء طراحي و اجراي تحقيق مستقلي در رابطه با ايجاد مقاومت در برابر يك بيماري خاص در برنج باشند. - 5 ژنهاي مقاومت فعالشونده توسط هورمون اتيلن اين ژنها در جدول 2 ذكر شدهاند. 12
پيامرساني هورمون اتيلن در پاسخ گياهان به بيمارگرها معصومي اصل جدول 1. ليست ژنهاي دخيل در پيامرساني اتيلن در گياه برنج شماره دستيابي شماره دستيابي در نام ژن شماره دستيابي در شماره دستيابي در نام ژن NCBI KOME NCBI در KOME ACS Os01g0871300 - ACO Os01g0580500 - ACS Os02g0302400 - ACO Os02g0771600 - ACS Os03g0727600 AK071011 ACO Os09g0451000 - ACS Os06g0130400 AK065212 ACO - AK071557 ACS Os09g0453800 - ACO - AK066805 ACS Os10g0484700 - ACO - AK065039 ACS Os10g0390600 - ACO - AK104933 ACS Os04g0578000 AK064250 ACO - AK058292 EIN2 Os06g0660200 - ACO - AK103969 EIN2 - AK121781 CTR1 - AK287946 EIN2 - AK111607 CTR1 - AK120898 EIN2 - AK111802 CTR1 - AK288723 EIN2 - AK105770 ETR1 - AK067813 EIN3 Os07g0685700 - ETR1 - AK111696 EIN3 - AK103227 ETR1 - AK065161 EIN3 - AK101076 ETR1 - AK111944 نتيجه مطالعات زيستشناسي مولكولي نشان داده كه چند سيستم پيامدهي در گياهان وجود دارند كه ممكن است از گياهي به گياه ديگر و در بين سيستمهاي مختلف گياه- بيمارگر متفاوت باشند. اين كه كدام پروتي ينها و چند پروتي ين پيامدهي براي واكنشهاي دفاعي گياه لازم است هنوز مشخص نشده است. ژنهاي مقاومت در سيستم هاي انتقال پيام نيز نقش دارند كه اين ژنها ژنهاي دفاعي را فعال كرده و باعث بروز واكنش مقاومت ميشوند. شناسايي سازوكارهاي دفاعي گياهان در برابر بيمارگرها و ژنهاي دخيل در آن و همچنين شناسايي سازوكارهاي بيماريزايي جهت پيدا كردن ارقام مقاوم بسيار ضروري ميباشد. شناختن نقش دقيق هريك از پيامرسانها و ژنهاي دخيل در پيامرساني آن محققين را در جهت طراحي پروژههاي ايجاد گياهان مقاوم به بيماريها 13
دو فصلنامه دانش بيماريشناسي گياهي سال دوم جلد 1 پاييز و زمستان 1391 جدول 2. ژنهاي مقاومت گياهان كه با تيمار اتيلن افزايش بيان نشان ميدهند( 2003 al.,.(wanjiru et ياري خواهد كرد. اين مقاله با بررسي يكي از ساده ترين و در عين حال مهمترين پيامرسانهاي گياهي تلاش كرده تا فتح بابي در اين بحث كرده باشد. منابع تقوي م. رضاي ي و. و قادري ر. 1390. مقاومت گياهان در برابر بيماريهاي باكتريايي (زيستشناسي مولكولي و كاربردهاي زيستفناوري). موسسه فرهنگي هنري ديباگران تهران 185 ص. Baker, B., Zambryski, P., Satskawicz, B. & Dinesh-Kumar, S. P. 1997. Signaling in plantmicrobe interactions. Science 276: 726-733. 14
پيامرساني هورمون اتيلن در پاسخ گياهان به بيمارگرها معصومي اصل Dickinson, M. 2003. Molecular Plant Pathology. BIOS Scientific Publisher. London, UK, 245p. Kevin, L., Wang, C. Li, H. & Ecker, R. 2002. Ethylene biosynthesis and signaling networks. The Plant Cell 8:131-151. Ma, Q. H. & Wang, X. M. 2003. Characterization of an ethylene receptor homologue from wheat and its expression during leaf senescence. J. Exp. Bot. 54:1489-1490. O, Donell, P. J., Calvert, C., Atzorn, R., Wasternack, C., Leyser, H. M. O. & Bowles, D. J. 1996. Ethylene as a signal mediating the wound response of tomato plants. Science 274: 1914-1917. Wanjiru G. E., Olusoji Shonukan, O. & Oloni Kotchoni, S. 2003. The molecular initiation and subsequent acquisition on disease resistance in plants. African Journal of Biotechnology 2(2):26-32. Yang, S. F.& Hoffman, N. E. 1984. Ethylene biosynthesis and its regulation in higher plants. Annu. Rev. Plant Physiol. Mol. Biol. 35: 155-189. 15