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LGN 5799 - SEMINÁRIOS EMGENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS
Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas
Departamento de GenéticaAvenida Pádua Dias, 11 - Caixa Postal 83, CEP: 13400-970 - Piracicaba - São Paulo - Brasil
Telefone: (0xx19) 3429-4250 / 4125 / 4126 - Fax: (0xx19) 3433-6706 - http://www.genetica.esalq.usp.br/semina.php
O SISTEMA IMUNE DE PLANTAS
Ane MedeirosOrientador: Marcio de Castro Silva-Filho
SISTEMA IMUNE DE PLANTAS
� Resistência Basal � Receptores para moléculas associadas a micróbios
� Resistência mediada por genes R� Transmissão do sinal � Ativação de defesas
Para ser patogênico:
� Ganhar acesso ao interior da planta� Diretamente (fungos)� Ferimentos� Aberturas naturais
Barreiras estruturais e químicas pré-existentes� Cera – repele água� Espessura da cutícula – penetração direta� Estrutura e localização de estômatos� Espessura e dureza da parede celular
Lamela média
Parede primária
Parede secundária
Espaços intercelulares
Plasmodesmata
� Exudatos� Inibidores – taninos, lectinas ou quitinases
Agrios, 1997
Resistência basal
� Receptores de moléculas associadas a micróbios� Conservadas� Não presentes no hospedeiro
� Moléculas desencadeiam defesa em plantas, insetos e mamíferos
� Imunidade Inata
Percepção da flagelina
� N- e C-terminal conservadas� Reconhecida como associada a bactérias em várias sp. de plantas e animais
� flg22 suficiente ativação receptor em Arabidopsis
Receptor FLS2 em Arabidopsis
Domínio extracelular para reconhecimento da flagelina
Domínio intracelular para transmissão do sinal
Mutantes fls2 - extrato várias moléculasInoculadas com bactérias – crescimento reduzido
Mol. são reconhecidas através de outros receptoresAção de vários receptores restringe o crescimto
flagelina
FLS2
Reconhecimento de moléculas conservadas de micróbios por insetos e animais
� FLS2 em Arabidopsis -similaridades estruturais e funcionais
� Toll em Drosófila –desenvolvimento e reconhecimtobactérias e fungos
� TLR5 (Toll-like receptor) em mamíferos - flagelina
Nature 2001, 411: 826-833
flagelina
TLR5
Cell 2006, 124 (4): 803-814
Reconhecimento de flagelinadesencadeia defesa
RESISTÊNCIA BASAL
Proteínas de defesa
Prevenção do crescimentoNúcleo
Indução de fluxos de íonsFungosErgosterol
Indução de resposta de defesaFungosQuitina
Ativação da via de sinalização fenilpropanóide e prod. etileno
LeveduraInvertase
Morte celular programadaFungosXylanase
Indução de resposta de defesaOomicetosTransglutaminase
Morte celular programada e indução de respostas de defesa
Bactérias Gram -Harpina
Indução de resposta de defesaBactérias Gram -Flagelina
Explosão oxidativaProdução de enzimas antimicrobianas
Bactérias Gram -Lipossacarídeos
Resposta biológica em plantas
PatógenoMoléculas associadas a micróbios
Immunological Reviews 2004, 198: 249-266
Como microorganismos patogênicos infectam plantas?
Plantas – evoluíram receptores
Patógenos – capacidade de interferir com a resistência basal Fatores de virulência
SUSCETIBILIDADE
Bactérias patogênicas suplantam resistência basal
Cell 2006, 124 (4): 803-814
Acumulação apoplasto
Sinalização
Respostas Núcleo
Fator v.
Fator v.
Fator v.
Bactérias secretam fatores de virulência
� Patógenos bacterianos de plantas como Pseudomonas syringae – 20 a 30 fatores
� Altera a fisiologia da planta� Atividade enzimática – modificação de proteínas do hospedeiro
Patógenos - Fatores de patogenicidade
Planta - proteínas de reconhecimento
Como plantas detectam a patogenicidade de micróbios?
Cell 2006, 124 (4): 803-814
Proteínas R reconhecem fatores patogênicos
RESISTÊNCIA
Resposta defesa -- R
Suprime o crescimto --proliferação
Fator v.
Fator v.
Fator v.
Núcleo
Conceito gene-a-geneTrabalho pioneiro de Flor (1946, 1947, 1955) definiu parâmetros na interação patógeno-hospedeiro
Genes R na plantaGenes Avr no patógeno
Defesa é específica – R detecta algumas raças
Interações R-Avrpatógeno1
AVR1
R1
AVR2
R2
Cascata de sinais(quinases)
Resposta de defesa
Adaptado de Beynon, J.L. 1997
Situação pode ser mais complexa
� Interação direta entre Avr e R ocorre � Isolamento e caracterização R� R componentes de complexo de percepção
� R ----- Avr
Classes de genes R
� Reconhecer bactérias, fungos, oomicetos, vírus, nematóides...
� Duas classes� RRL (rico em rep. leucina) intracelular� RRL extracelular
RRL + NB intracelulares
Nature 2001, 411: 826-833
+ de 150 em Arabidopsis
RPS2, RPM1 e RPS5 - P. syringae
Maior classe de genes RSítio de ligação a nucleotídeo (NB-nucleotide binding) e domínio rico em repetições de leucina (RRL)
NB – ligação a ATP ou hidróliseRRL – 20 a 30aa em vírus a eucariotosInterações proteína-proteína
Localização R no núcleo Localização R no núcleo necessária para defesanecessária para defesa
Science 2007, 315: 1098-1103 PLoS Biol 2007, 5: e68
Cevada Tabaco
Morte celular programada
Morte celular programada
Fatores de transcrição
Fatores de transcrição
citoplasma citoplasma
núcleo núcleo
Nature 2001, 411: 826-833
Xa21 em arroz – Xanthomonasoryzae pv.oryzae AvrXa21
RRL extracelulares
N-terminal extracelular rep. leucinaDomínio atravessa a m.p.C-terminal intracelular – proteína quinasepassa a informação para uma via de sinalização de defesas
R
R
r
Mamíferos Drosófila Plantas
mamam m
Nature 2001, 411: 826-833
FLS2
Plantas usam mesmos módulos moleculares para reconhecer moléculas típicas de micróbios e
proteínas Avr patógeno-específicas
RRL extracelulares
Cladosporium fulvum com Avr correspondente
Cf-x: onde está o compondente de transduçãode sinal?
Requer outro componente para transmissão do sinal
Cf-9 reconhece Avr9 mas res. e sus. tem sítio de afinidade por Avr9
Falta de interação
Nature 2001, 411: 826-833
RRL extracelulares
Pto: como interage com o sinal AVR?
Pseudomonas syringae pv.tomato –AvrPto
Sem seqüência sinal, RRL, ...
Outros genes complementam sua função Complexo de genes de defesa Prf e Pti
Nature 2001, 411: 826-833
De gene-a-gene para conjunto de genes
� Genes envolvidos na percepção� Genes de vias de transdução de sinal (quinases, fosfatases, fatores de transcrição)
� Genes envolvidos na resposta de resistência
Transmissão do sinalReconhecimento --------- resposta
mensageiros secundáriosNão há diferenças na sinalização seguidos da percepção de:moléculas típicas de micróbiosproteínas Avr patógeno-específicas
Estrutura geral conservada
Níveis de cálcio
� Mudanças momentâneas na permeabilidade de íons
� Infecção induz o influxo cálcio � Elevação transiente no citoplasma� Plantas: Elicitação de respostas de defesa
� Animais: sinalização
Explosão oxidativa
� Primeiros sinais da imunidade inata de animais e plantas
� Geração de espécies reativas (O2- H2O2 OH)
� Tóxicos ou ativam defesas� Plantas: dependente de cálcio� Arroz c. exp. Rac2, resistênciaaumentada a fungo
Óxido nítrico
� Fator essencial na ativação de respostas imunes em humanos e insetos
� Produzido em plantas � Identificada enzima sintase de óxido nítrico (iNOS) em fumo – atividade aumentada com infecção
Proteínas quinase ativadas por mitógeno (MAPK)� Pontos na comunicação cruzada na sinalização de estresses em plantas
� Em animais – função regulatória� Identificada cascata de MAPK induzida pelo reconhecimento de flagelinaativando a transcrição de genes de defesa
RECONHECIMENTO
TRANSDUÇÃO DO SINAL
Drosófila Mamíferos Plantas
citoplasma
núcleo Ativação da transcriçãoRespostas de defesa
Conservação?� Cálcio, E.R.Oxigênio, ON, MAPK em plantas e animais
� Similaridade é surpreendente� Sistemas de percepção semelhantes� Evolução convergente?� Mecanismo de reconhecimento primitivo?
Defesas estruturais induzidasCamadas de células de cortiça
Tecido saudável Tecido infectadoAgrios, 1997
Tecido saudável Células lignificadas
Tecido infectado
Defesas estruturais induzidas
Camada de abcissão
Agrios, 1997
� Produção de substâncias antimicrobianas� Proteínas relacionadas com patogênese� Beta-1,3 glucanases� Quitinases� Lisozimas� Inibidores de proteinase� peroxidases
Defesas bioquímicas induzidas
Defesas bioquímicas induzidas
Resposta Hipersensitiva
Morte celular localizadaLimita o crescimento Bactérias, fungos e nematóides
Resistência Resistência Sistêmica Sistêmica AdquiridaAdquirida
Curr. Opin. Plant Biology 2004, 7: 456-464
Fumo - vírus mosaico
Lesões: morte celular localizada
Sinal dependente de AS
Inoculação subseqüente de partes da planta não infectadas com o vírus: lesões menores
RECONHECIMENTO
TRANSDUÇÃO DO SINAL
Drosófila Mamíferos Plantas
citoplasma
núcleo Ativação da transcriçãoRespostas de defesa
Resistência basal + resistência mediada por genes R
Função dos estômatos de planta na imunidade inata contra invasão bacteriana
M. Melotto, W. Underwood, J. Koczan, K. Nomura, S.Y.He
Cell 2006, 126: 969-980
Como a planta responde à presença de bactérias?
Água
Pst DC3000
Abertura de estômatos
Fechando os estômatos
Indução da produção de óxido nítrico nas células guarda
controle flg22 LPS
(10 min)
Reconhecimento de moléculas típicas de micróbiosTransdução de sinalAtivação de defesa
ON é fator necessário
Qual a estratégia de Pst para suprimir a defesa da planta?
� Identificação de um fator de virulência em Pst
� Coronatina interfere com um componente da transdução de sinal da planta
� Impedindo a manifestação da resistência basal
A estratégia da planta (fechar os estômatos) restringe a entrada de bactérias?
Suspensão bacteriana
Epiderme
1- cepa virulenta2- Mutante para o fator de virulência, incapaz de re-abrir os estômatos
A estratégia da planta restringe a entrada de bactérias?
Não. Para bactérias que evoluíram fatoresde virulência que suprimem a resistênciabasal.
Pst selvagem
O entendimento completo das bases moleculares da resistência de
plantas e da regulação das respostas de defesa melhoramento de plantas para resistência durável e de amplo
espectro