Systemina jest dobrze znanym roślinnym hormonem peptydowym, który odgrywa kluczową rolę w wywoływaniu reakcji obronnych u roślin. Jako dostawca Systemin byłem świadkiem rosnącego zainteresowania zrozumieniem mechanizmów stojących za indukowanymi przez Systemin reakcjami obronnymi. Na tym blogu będę zagłębiać się w kluczowe mechanizmy rządzące tymi reakcjami, podkreślając znaczenie Systeminy w ochronie roślin.
Wykrywanie systemu i funkcja ogólna
Systeminę po raz pierwszy odkryto w roślinach pomidora. Jest to mały, 18-aminokwasowy peptyd, który jest uwalniany w odpowiedzi na zranienie, zwykle spowodowane atakami roślinożerców lub uszkodzeniami mechanicznymi. Po uwolnieniu Systemina działa jak cząsteczka sygnałowa, inicjując kaskadę zdarzeń, które prowadzą do aktywacji różnych mechanizmów obronnych w roślinie.
Wiązanie receptora i inicjacja sygnału
Pierwszym krokiem w indukowanych przez Systeminę odpowiedziach obronnych jest związanie Systeminy z jej specyficznym receptorem na błonie komórki roślinnej. Receptor Systeminy w roślinach pomidora został zidentyfikowany jako bogaty w leucynę receptor podobny do kinazy (LRR – RLK) o nazwie SR160. Kiedy Systemin wiąże się z SR160, aktywuje aktywność kinazy receptora. To zdarzenie fosforylacji uruchamia reakcję łańcuchową w komórce, podobną do tej, w której klucz uruchamia złożoną maszynerię.
Aktywowany receptor następnie rekrutuje i fosforyluje dalsze cząsteczki sygnalizacyjne. Cząsteczki te często biorą udział w kaskadzie MAPK (kinaza białkowa aktywowana mitogenem). Kaskada MAPK jest wysoce konserwatywną ścieżką sygnalizacyjną u roślin i zwierząt. W kontekście sygnalizacji Systemin aktywacja MAPK prowadzi do fosforylacji czynników transkrypcyjnych. Te czynniki transkrypcyjne to białka, które mogą wiązać się z określonymi sekwencjami DNA i regulować ekspresję genów.
Aktywacja szlaku kwasu jasmonowego
Jednym z najważniejszych dalszych skutków sygnalizacji Systeminy jest aktywacja szlaku kwasu jasmonowego (JA). JA jest dobrze znanym hormonem roślinnym biorącym udział w różnych reakcjach na stres, w tym w obronie przed roślinożercami.
Kiedy Systemin aktywuje kaskadę MAPK, ostatecznie prowadzi to do syntezy JA. Synteza JA rozpoczyna się od uwolnienia kwasu linolenowego z błony komórkowej. Kwas linolenowy jest następnie przekształcany w kwas 12-okso-fitodienowy (OPDA) poprzez szereg reakcji enzymatycznych. OPDA jest następnie transportowana do peroksysomu, gdzie jest dalej przekształcana w JA.
Po zsyntetyzowaniu JA wiąże się ze swoim receptorem COI1 (koronatyna – niewrażliwy 1). Kompleks JA - COI1 następnie atakuje specyficzne białka represorowe w celu degradacji. Te białka represorowe normalnie hamują aktywność czynników transkrypcyjnych zaangażowanych w ekspresję genów związanych z obroną. Wraz z degradacją represorów, czynniki transkrypcyjne mogą swobodnie wiązać się z regionami promotorowymi genów związanych z obroną i inicjować ich transkrypcję.
Wyrażenie obrony - powiązane geny
Aktywacja szlaku JA prowadzi do regulacji dużej liczby genów związanych z obroną. Geny te kodują różnorodne białka o różnych funkcjach obronnych roślin.
Niektóre geny kodują inhibitory proteaz. Inhibitory proteaz to białka, które mogą hamować aktywność proteaz w jelitach roślinożerców. Kiedy zwierzęta roślinożerne żywią się roślinami wykazującymi ekspresję inhibitorów proteaz, ich trawienie zostaje zakłócone, ponieważ proteazy są niezbędne do rozkładania białek w pożywieniu. Zmniejsza to wartość odżywczą rośliny dla roślinożercy i może ostatecznie prowadzić do ograniczenia wzrostu i przeżycia roślinożercy.
Inne geny związane z obroną kodują białka biorące udział w syntezie metabolitów wtórnych. Metabolity wtórne, takie jak alkaloidy, fenole i terpenoidy, pełnią różne funkcje w obronie roślin. Na przykład niektóre alkaloidy mogą być toksyczne dla roślinożerców, podczas gdy fenole mogą działać jako przeciwutleniacze, a także mieć właściwości przeciwdrobnoustrojowe.
Sygnalizacja systemowa
Jedną z niezwykłych cech reakcji obronnych wywołanych Systeminą jest jej zdolność do wywoływania reakcji ogólnoustrojowych. Kiedy część rośliny ulegnie uszkodzeniu, Systemin nie tylko aktywuje reakcje obronne w uszkodzonej tkance, ale także w innych częściach rośliny, na które nie ma to bezpośredniego wpływu.
Uważa się, że sygnalizacja ogólnoustrojowa obejmuje ruch samej Systeminy lub innych cząsteczek sygnalizacyjnych przez łyko. Gdy Systemin lub jego dalsze sygnały dotrą do odległych części rośliny, inicjują tę samą kaskadę obronno-sygnalizacyjną, jak w uszkodzonej tkance. Pozwala to roślinie przygotować całe ciało na potencjalne ataki roślinożerców, nawet jeśli początkowo tylko niewielka część rośliny została uszkodzona.
Porównanie z innymi systemami sygnalizacji peptydowej
W świecie sygnalizacji peptydów roślinnych Systemin nie jest jedynym graczem. Istnieją inne peptydy, takie jakAnnorfina A (1 - 9),Peptyd związany z wiadomością galaniny (44 - 59) Amid, I6×Jego Peptyd, które również odgrywają ważną rolę w różnych procesach fizjologicznych.
Chociaż peptydy te mają różne funkcje i mechanizmy sygnalizacyjne w porównaniu z Systeminem, wszystkie mają wspólną cechę: są małymi, bioaktywnymi cząsteczkami, które mogą wywoływać specyficzne reakcje u roślin lub innych organizmów. Na przykład Dynorphin A (1 - 9) badano w kontekście modulacji bólu u zwierząt, ale jej potencjalna rola w roślinach lub innych układach innych niż zwierzęce jest nadal obszarem badań.
Konsekwencje dla rolnictwa
Zrozumienie mechanizmów reakcji obronnych indukowanych przez Systeminę ma istotne implikacje dla rolnictwa. Wzmacniając szlak sygnalizacyjny Systemin, możemy potencjalnie poprawić naturalne zdolności obronne upraw przed roślinożercami i szkodnikami. Może to zmniejszyć zależność od chemicznych pestycydów, które mają negatywny wpływ na środowisko.
Na przykład techniki inżynierii genetycznej można zastosować do nadekspresji systeminy lub jej receptora w uprawach. Prowadziłoby to do silniejszej aktywacji kaskady obronno-sygnalizacyjnej i lepszej ochrony przed atakami roślinożerców. Dodatkowo wiedza na temat sygnalizacji Systemin może zostać wykorzystana w opracowywaniu nowych biopestycydów naśladujących działanie Systemin lub wzmacniających jego aktywność.
Wniosek
Podsumowując, reakcje obronne wywołane Systeminą są złożonym i ściśle regulowanym procesem. Od początkowego wiązania Systeminy z jej receptorem, poprzez aktywację kaskady MAPK i szlaku JA, po ekspresję genów związanych z obroną i sygnalizację ogólnoustrojową, każdy krok jest kluczowy dla zdolności rośliny do obrony przed roślinożercami.
Jako dostawca Systemin jestem podekscytowany potencjalnymi zastosowaniami Systemin w rolnictwie i badaniach roślin. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o Systemin lub rozważasz zakup Systemin do celów badawczych lub rolniczych, zachęcam Cię do skontaktowania się z nami w celu omówienia zakupów. Zrozumienie mechanizmów reakcji obronnych wywołanych przez Systeminę jest nie tylko fascynujące z naukowego punktu widzenia, ale także niesie wielką nadzieję w zakresie bardziej zrównoważonego i przyjaznego dla środowiska podejścia do ochrony roślin.
Referencje
- Pearce, G., Strydom, D., Johnson, S. i Ryan, Kalifornia (1991). Polipeptyd z liści pomidora indukuje syntezę inhibitora proteinazy wywołaną ranami. Nauka, 253(5024), 895 - 898.
- Ryan, Kalifornia i Pearce, G. (2003). Systemina: sygnał polipeptydowy dla odpowiedzi obronnych roślin. Roczny przegląd biologii roślin, 54, 111 - 136.
- Wasternack, C. i Hause, B. (2013). Jasmoniany: biosynteza, percepcja, przekazywanie sygnałów i działanie w reakcji roślin na stres, wzroście i rozwoju. Aktualizacja recenzji z 2007 roku w Annals of Botany. Roczniki botaniki, 111(1), 1021-1058.