Mecanismos de defensa de las plantas superioresplantas superiores

Dra. Catiana Zampini 2012

UV

INTERACCIÓN Planta- MicroorganismoPlanta- Planta Planta- EstrésPlanta- Estrés

¿Cómo una planta se defiende del ataque de un microorganismo?

Mecanismos de Defensa

Constitutivos(preformados antes del

Inducidos(en rpta al ataque

ataque por un patógeno) por un patógeno )

Estructurales y químicos

Defensas constitutivas

Estructurales

Cutículas gruesas y ceras cuticulares

Tricomas (pelos foliares)

Estructura y función de estomas

Células especializadas: células de Células especializadas: células de esclerénquima (paredes gruesas, células lignificadas, en gramíneas )

Químicas Compuestos tóxicos constitutivos: glucósidos, saponinas, alcaloides

Proteínas antifúngicas

Enzimas inhibidoras

Ceras cuticulares

Tricomas

Estomas

Xanthomonas axonopodis pv citri Citrus nobilis resistente estomas < 1,5 µmCitrus grandis susceptible estomas 9,8 a 11 µm

Defensas constitutivas químicas

En forma Activa Compuestos

biológicamente activos

Precursores inactivosEn vacuolas u organelasbiológicamente activos

o inhibidores de la patogenicidad

Alcaloides, saponinas

En vacuolas u organelas

Defensa inducida

Reconocimiento del patógeno por la planta

Hipótesis gen - por - gen

Planta gen de resistencia RPatógeno gen de avirulencia Avr

Interacción entre el receptor transmembrana (R) y el ligando (Avr)Posibilita detección del patógeno

Se activa cascada de señales que induce la defensa

Respuesta de defensa 1° Nivel de respuesta: Resistencia local adquirida (LAR)

2° Nivel de respuesta: Resistencia sistémica adquirida (SAR) (Implica existencia de sistema de señales de transmisión a través de los tejidos

Toma de Ca++ extracelular------- despolarización de la mb

Muerte celular por Reacción Hipersensitiva

Acumulación de metabolitos 2° con actividad antimicrobiana

Acumulación de enzimas hidrolíticas

Deposición de sustancias de refuerzo

EVITAR AVANCE DEL PATÓGENO

Estimulación de la actividad enzimática (PAL, CHS, CHI)

Activación de β-1,3-glucan sintetasa ---- calosaEstallido oxidativo producción de ERO

Genes Avr __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __

Patógeno Efecto antimicrobianoMuerte celular programada HR

Pared celular

Factor de avirulencia

Receptor extracelular

H2O2

Estallido

O2•

SAR

Acido salicílico

Ca++ Ca++

Factor de avirulencia

Receptor intracelular

Célula Hospedante

Estallido oxidativo

Respuestas de defensa-Fitoalexinas-Proteínas PR-LAR-Barreras estructurales-etc

__ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __

Genes R Núcleo

__ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __

Genes de defensa

Vías de Transducción de señales

Citosol

Ca++ Ca++

Sistema de Alarmas

Química : Elicitores (o inductores)

Provienen de la planta

Bióticos Provienen del huésped

Abióticos: heridas,

Intoxicaciones, irradiaciones Eléctrica

Sust que provocan la síntesis y acumulación de fitoalexinas en el

huesped.

Intoxicaciones, irradiaciones (CHCl3, iones cúpricos, cloruro mercúrico)

Elicitores

Elicitores provenientes del hongo

Todas las categorías taxonómicas de hongos Poseen sustancias elicitoras

Algunos hongos parásitos inducen producción insuficiente de fitoalexinas

-Presencia de elicitores poco activos-Producen sust. que bloquea efecto del elicitor-Modifica el control de la biosíntesis de fitoalexinas -Posee capacidad de metabolizar las fitoalexinas

Elicitores provenientes del hongo

Polisacáridos

QuitinaQuitosano β-glucanos

Hay glucanasas y quitinasas de vacuolas y PC, por lo que los verdaderos elicitores podrían ser derivados de la degradación

Phytophthora megasperma----- alfalfa (Medicago sativa )

(β-1,4-N-acetilglucosamina)

(β-1,4 poliglucosamina)

Raices de alfalfa con

P. megasperma-

Monilicolina A Monilia fructicola ----- durazno Prunus persica

Ácido elaídico Verticillium dahliae----- Olivo Olea europaea

Ácido araquidónicoÁcido eicosapentanoico

Phytophthora infestans

algodón (Gossypium hirsutum

papa (S. tuberosum)

Péptidos

Durazno afectado por

Monilia fructicola Papa con tizón producido por Phytophthora infestans

Olivo con verticilosis

Ácido araquidónico

Elicitores provenientes del vegetal

En la infección el hongo secreta pectinasas

Oligosacáridos del ác. D- galacturonicoD- galacturonico

Oligosacáridos da la 1° señal de alarma (elicitor de la

planta )

Induce la síntesis de glucanasas y quitinasas

(fragmentan PC del hongo)

Modelo de reconocimiento y señalización desencadenado por el elicitor flagelina en Arabidopsis

Mensajeros a distancia

-Etileno-Éster metílico del ácido salicílico-Ruta de los octadecanoides u oxilipinas: -Ruta de los octadecanoides u oxilipinas:

metil jasmonato

Modo de acción de los elicitores

Elicitores no poseen especificidad de huesped

Monilicolina A estimula PAL y acumulación de fitoalexinas En Arvejas y poroto (isoflavonas)En papa (rishitina)

Botritis cinerea (elicitor glucano y glicoproteínas) Botritis cinerea (elicitor glucano y glicoproteínas) En poroto: estimula PAL y enzimas de biosíntesis de isoflavonas En uva: aumenta derivados del estilbenoEn haba acumula poliacetileno

Las células reconocen la estructura de los elicitorescon alta especificidad

Se cree que hay receptores específicos en la mbplasmática donde se unen elicitores

Faseolina

Defensas Inducidas Químicas y Estructurales

-Producción de Fitoalexinas

-Acumulación de proteínas PR-Acumulación de proteínas PR

-Formación de Barreras estructurales. lignina y calosa

Son metabolitos 2° de bajo peso molecular conpropiedades antimicrobianas que se producen yacumulan en la planta cuando es atacada por unmicroorganismos

Fitoalexinas

Fitoanticipinas: compuestos antimicrobianos presentes en forma constitutiva en la plantas sanas en niveles basales bajos

-Derivadas del metabolismo de los fenilpropanoides-Derivadas del acetileno-Derivados de la ruta del mevalonato: terpenoides

Biosíntesis de Fitoalexinas

Especie FitoalexinaNarcissus pseudonarcissus 7.hidroxiflavano (flavanona)

Beta vulgaris betavulgarina (isoflavona)

Gossypium hirsutum gosipol (sesquiterpeno)

Daucus carota 6-metoximeleina (isocumarina)

Ipomoea batata ipomeamarona (sesquiterpeno)

Carthamus tinctorius safinol (derivado de acetileno)

Ricinus communis carbene (diterpeno)

Algunas fitoalexinas de distintas familias de las leguminosa

Ricinus communis carbene (diterpeno)

Oryza sativa momilactona A (diterpeno)

Vitis vinifera resverastrol (estilbeno)

Vicia faba ácido wierónico (derivado de acetileno)

Solanum tuberosum rishitina (sesquiterpeno)

Proteínas relacionadas con patogénesisProteínas PR

-Se acumulan durante y después de la infección -Bajo PM-Resistentes a proteasas-pH extremos-pH extremos

β-1,3-glucanasas (PR2)Quitinasas (PR3)

Trigo y arroz que sobre expresan quitinasa son resistente a Erysiphe graminis y Magnaporthe

grisea, respectivamente

Formación de Barreras Estructurales

Cambios en la estructura y función de la pared celular

LignificaciónLignina: polímero producido por unión enzimática de unidadesfenilpropanoides PAL: importante papel regulador-Confiere impermeabilidad y resistencia mecánica-Confiere impermeabilidad y resistencia mecánica

Formación de papilasSe producen por modificación de las células epidérmicas-Compuestas principalmente por calosa (β- 1,3-glucano)-Evita penetración del hongo

Genes Avr __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __

Patógeno Efecto antimicrobianoMuerte celular programada HR

Pared celular

Factor de avirulencia

Receptor extracelular

H2O2

Estallido

O2•

SAR

Acido salicílico

Ca++ Ca++

Factor de avirulencia

Receptor intracelular

Célula Hospedante

Estallido oxidativo

Respuestas de defensa-Fitoalexinas-Proteínas PR-LAR-Barreras estructurales-etc

__ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __

Genes R Núcleo

__ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __

Genes de defensa

Vías de Transducción de señales

Citosol

Ca++ Ca++

Alelopatía

Interacción Planta-Planta

Definición

Molisch 1937- Introduce el término Da alelon, de otro y pathos, sufrir

Que sufre el efecto injurioso de uno sobre el otroQue sufre el efecto injurioso de uno sobre el otro

“interacciones bioquímicas tanto benéficas como perjudiciales entre toda clase de plantas (incluyendo a uorg) mediadas por compuestos químicos liberados al medio ”

Muller 1970 Restringe el término alelopatía a las interacciones entre plantas superiores

Alelopatía

Efecto nocivo de un compuesto presente en una planta superior sobre otra planta superior

Sustancia: agente alelopático o aleloquímico

Desarrollo del conocimiento de la alelopatía

Juglans nigra nocivo para tomate y alfalfa

Plinio 23-27 DC Nogal (Juglans regia)

De Candolle 1832Cardos nocivos para avena Euphorbia nocivo para lino

Massey 1925 Juglans nigra nocivo para tomate y alfalfa Massey 1925

Agente alelopático: hidroxinaftoquinona (juglona)

4 glucósido del 1,4,5 – trihidroxinaftaleno (partes verdes de la planta)

Juglona

Arrastrado por las lluvias al suelo.Hidrólisis y oxidación

Juglona al 0,002% produce inh total de germinación de semillas

Zarzamora o frambuesa (Rubus sp.) no son sensibles

Chaparral californianoFormación arbustiva-herbácea xerófila

Alrededor de formaciones arbustiva se observa inhibición herbácea

Arbustos Salvia leucophylla

Artemisia californica

Agente alelopáticoTerpenos en hojas1,8-cineol y alcanfor

Hierbas inhibidasAvena fatua

Bromus sp.Artemisia californica 1,8-cineol y alcanfor Bromus sp.Festuca sp.

Vapores inflamables

Incendios Prosperan lasherbáceas

Germinan semillas de arbustos

Se restablecen halos de inh

Alcanfor 1,8-cineol

Muchas malezas afectan el crecimiento de las plantas cultivadas

Parthenium hysterophorus (falsa altamisa)

Agente alelopático: partenina (lactona sesquiterpénica)

Es posible que la actividad alelopática se deba a veces a un complejo de agentes alelopáticos que actúan sinérgicamente

Naturaleza química de los agentes alelopáticos

Los agentes alelopáticos pertenecen a muy diversos tipos de compuestos químicos

Glicósidos cianogénicos: amigdalina, prunasina, durrina

Aminoácidos no proteicos: mimosina, homoarginina, 3,4-Aminoácidos no proteicos: mimosina, homoarginina, 3,4-dihidroxifenilalanina, ác. α-amino-β-metilaminopropiónico, ác. α-β-diaminopropiónico, canavanina, 4-hidroxiprolina, 4 hidroxiarginina,

Compuestos fenólicos simples: arbutina, hidroquinona, ác. benzoico, ác. gálico, ác. elágico, ác. salicílico, ác. vainillínico., ác. cinámico, ác. sinápico, ác. cafeico, ác. clorogénico, ác. cumárico.

Quinonas: juglona

Lactonas no saturadas: Psilotina, psilotinina----- Psilotum nodum

Cumarinas: escopoletina, escopolina, esculina, esculetina, metilesculetina, cumarina (Melilotus albus), psoraleno (umbelíferas)

Flavonoides: floridzina (Malus sp.), glicósidos del quempferol, quercetina, miricetina y la rotenona

Taninos: tanto condensados como hidrolizables. Inh germinación de semillas, inh bacterias fijadoras de nitrógeno y bacterias de semillas, inh bacterias fijadoras de nitrógeno y bacterias nitrificantes e inhiben el crecimiento vegetal.

Terpenoides: Monoterpenos: α-pineno, β-pineno, alcanfor Sesquiterpenos: cariofileno, bisaboleno, chamazulenoLactonas sesquiterpénica: arbusculina A, aquilina,

viscidulina C

Alcaloides: cocaína, cafeína, quinina, cinconina, cinconidina, estricnina, berberina y codeína

Biosíntesis de los agentes alelopáticos

-Se biosintetizan por las diferentes vías estudiadas

-Siempre están presentes en la planta-Siempre están presentes en la planta

-No necesitan un estímulo

-No se conocen mecanismos de regulación

Liberación al medio de los agentes alelopáticos

Compuestos alelopáticos se acumulan en

Pueden liberarse al medio

-Exudados de raíz: juglona

-Exudados de hojas y frutos

-Descomposición de partes de la acumulan en la célula

al medio como

-Descomposición de partes de la planta caídas al suelo (ác. cafeico)

-Compuestos volátiles exudadospor partes aéreas de la planta (etileno, cineol, β-pineno)

Mecanismos de acción de los comp. alelopáticos

No se puede hablar de un solo mecanismo de acción

-Perturban absorción de minerales-Perturban fotosíntesis y respiración

Mecanismos de Acción

-Perturban fotosíntesis y respiración -Interfieren en procesos hormonales-Producen bloqueos enzimáticos-Modifican permeabilidad de membrana-Modifican apertura estomática

¿Cómo estudiar el efecto alelopático?

Bioensayos en cajas de Petri: se hace crecer una planta en presencia de un extracto de la planta en estudio

Analizar algún síntoma en la planta: germinación de semilla, elongación de tallo, raices

Si existen síntomas inhibitorios

Fraccionamiento, purificación e identificación del comp. activo

Inconvenientes

-Cambios degradativos de la sustancia por el manejo-Interacción fisicoquímica con partículas del suelo-Aumento o disminución de la actividad por la presencia de otros compuestos

Gracias por la atención