BİTKİ İMMÜN (BAĞIŞIKLIK) SİSTEMİ. Prof.Dr. Nermin Gözükırmızı İstanbul Üniversitesi Fen Fakültesi Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü

Transkript

1 BİTKİ İMMÜN (BAĞIŞIKLIK) SİSTEMİ Prof.Dr. Nermin Gözükırmızı İstanbul Üniversitesi Fen Fakültesi Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü

2

3 Bitkiler hareketsiz canlılardır, bulundukları yerde çok sayıda zararlı organizma ve dış etmenle ile baş etmek durumundadırlar. Birçok zararlı organizmaya karşı doğal dayanıklılık sistemine sahiptirler.

4 İmmün sistem = Bağışıklık sistemi En basit yapılı canlılarda bile kendinden olanı tanıma, yabancıyı ayırd edebilme özelliği mevcuttur. Omurgalılarda antijen olarak tanımladığımız yabancı maddelerin organizmaya girmesi ile başlayan ve birbiri ile ilişkili birçok biyolojik reaksiyonun oluşturduğu immün yanıt olayında, birçok sistem, organ ve hücre görev alır. Bağışıklık olaylarında görev alan organ ve hücrelere immün sistem = bağışıklık sistemi adı verilir.

5

6 BİTKİ İMMÜN SİSTEMİ NEDEN ÖNEMLİ? Tüm canlıların yaşamı kendi immün sistemleri kadar bitkilerin immün sistemine dayanır; çünkü bitkiler primer besin kaynağıdır. Bitki zararlıları her yıl ürüne 100 milyar dolarlarla ölçülen kayıplar vermektedir. Ürünlerin miktar ve kalitesi etkilenmekte zararlılar tarafından salınan toksik maddeler insan ve hayvan sağlığını da etkilemektedir. Çeşitli kimyasallar bitki hastalıklarını önlemede kullanılsa bile bitki patogen ilişkilerinin bilinmesi patogenlerle savaşmada büyük önem taşır. Bitkilerde immün sistemin bulunması ve çalışma biçiminin anlaşılması hayvansal sistemlere göre daha yakın tarihlidir.

7

8 BİTKİLER ÇEŞİTLİ ENFEKSİYONLARA UĞRARLAR. Bakteriler (su veya gazla apoplasta girer). Funguslar (epidermal hüclere girer veya hif oluştururlar). Haustorium da oluştururlar. Virüsler Nematodlar ve Böcekler(stiletlerini hücre içersine uzatırlar). Ot yiyiciler

9

10 BİTKİLERE ZARAR VEREN ORGANİZMALAR Bakteriler Nematodlar X/N Virüsler TMV plaques in scion leaves N/X Mi-1 is an R gene giving resistance to nematode and aphid infection Böcekler Wild type: Aphid infested Carrying Mi-1 N/N X/X Vernooij, B. et al. 1994, Plant Cell 6: Vos, P. et al Nature Biotechnology 16:

11 Mantarlar

12 Ot yiyiciler

13 En zararlılar

14 Billions at risk from wheat super-blight 03 April 2007

15

16

17

18

19 Yaralar Açıklıklar Penetrans Bitki zararlıları (patogenler) virülens faktörleri salarlar. Bu organizmalar yaralardan, açıklıklardan veya direkt penetransla bitki yapısına girerler.

20 Bitkilerde patogen tipleri Nekrotrofik (Konak hücreleri öldürür ve onlarla beslenir.) Biotrofik (Canlı dokuları kullanan patogen.) Hemibiotrofik (Kısmen canlı dokuları kullanan sonra onları öldüren patogen.)

21 BİTKİLER KENDİLERİNİ NASIL KORURLAR? Korunmanın iki temel tipi vardır. I. Yapısal özellikler II.Biyokimyasal/Fizyolojik Mekanizmalar Bitkinin yaşı, çevre, stres koşullarına göre değişik korunma tipleri oluşur. I. Yapısal korunma iki tiptir; A. Önceden var olan B. Enfeksiyona yanıt olarak oluşan

22 A. Önceden var olan korunma: 1. Trikomlar tüyler- patogenin hücre yüzeyine ulaşmasını engeller; veya su kaybını azaltır. 2. Epikutikular mumlar: geçişi zorlaştırır- nemi azaltır. 3. Kutikula: geçişi zorlaştırır. 4. Bekçi hücreleri: biçim, yoğunluk ve büyüklük- patogen girişini zorlaştırır. Örnek; Buğday pası bazıları gündüz geç vakit açılır pas gece veya sabah erken giriş yapabilir. 5. Dış çeper kalınlığı girişi ve hastalığın dağılımını engeller.

23 Mumlar Kutin Suberin Lignin

24 B. Saldırı sırasında oluşan yapılar: 1. Histolojik koruma yapıları: a. Mantar tabakaları Girişi ve dağılımı engeller. b. Absisyon tabakaları örnek:taş mevyeler. c. Tyloz hücre lümeninde çeper oluşumu. d. Gumlar (karbonhidrat/protein) hücreler arası boşlukta.

25 2. Hücresel Korunma yapıları - Hücre çeperindeki değişiklikler - Papiller Yanıt hızlı olur: a. Kalloz b. Selüloz c. Lignin Blumeria graminis arpa hücresine girişi - Haustorium papil benzeri materiyal ile çevrilir.

26 3. Sitoplazmik korunma reaksiyonları? zayıf patojenler sitoplazma granüllenir ve (Peroksizomlar) oluşur misel ölür ve enfeksiyon azalır. Nekrotik reaksiyon hipersensitivite. a. Konağa penetrasyon olur; patojen protoplastla ilişkiye geçer. b. Nukleus bozulur ve konak hücre ölür. c. Hücre kahverengileşir ve ölür. Genelde patogen varlığı canlı dokularla ilişkilidir.

27 II. Biyokimyasal Korunma - Bu durumda korunma biyokimyasal özelliklerle ilgilidir. A. Önceden var olan 1. Çevreye salınan inhibitörler Fungitoksik/Fungistatik bileşikler Fenolik bileşikler terpenler 2. Ana faktörlerin noksanlığı ile oluşan koruma 3. Enzim, fenol, tanin ve büyüme inhibitörleri H

28 B. Saldırı sırasında oluşan İndüklenebilir metabolik korunma 1. Hipersensitif Reaksiyon Hızlı biçimde hücre ve onu çevreleyen hücreler ölür, fenol, oksidize fenoller ve fitoaleksinler birikir. 2. Fenollerde artış. Çeşitli fenoller hücre içersinde birikir ve patojeni öldürürler.

29 3. Fitoaleksinler Patojenik mikroorganizma ve yaralanma ile oluşurlar. Çoğu mantarlara karşı etkindir bazıları bakteri ve nematodlara karşı da etki gösterirler. Bazıları Fenol yapısındadır. Örnek; pisatin, faseolin. Kapsidiol, bir fitoaleksin tütünde Phytophthora infestans ile inopkülasyondan sonra belirmesi (UV ışık altında sağda). Elisitörlerle (patogen veya konak tarafından oluşturulan yanıta neden olan etmenlerle) uyarılma.

30 4. Fenol okside edici enzimler Fenolleri kinonlara çevirirler bu formlar mikroorganizmalar için daha toksiktir. 5. Patojen enzimlerine dayanıklı substratlar Pektin enzim yıkımına hassastır fakat (Ca veya Mg) ile birleşirse daha dayanıklı olur.maserasyon pektini yıkar yüksek Ca +2 veya Mg +2 içeriği bu yıkımı zorlaştırır. 6. Fungitoksik Siyanid ölüm çemberi HC N hücre çeperinde şekere bağlı; patojen çeperi yıkıma uğratırsa siyanid ortaya çıkar. Solunum toksinidir. 7. Patojen Toksinlerinin Detoksifikasyonu Fungal toksinler bitki hücrelerini öldürürler ve konak hücre bunları dayanıklılık için metabolize eder.

31 8. İndüklenebilen Dayanıklılık Bitkilerin çeşitli biyolojik etmenlerle inokülasyonu veya çeşitli kimyasal ve fiziksel etmenlerle ön uygulaması ile elde edilir. Özgün değildir. Sistemik indüklenebilen Dayanıklılık (SAR) Enfeksiyondan bir süre sonra bitkinin diğer kısımları dayanıklı hale geçer. proteinler Hipersensitif reaksiyonda yeni sentezlenen proteinler bulunurlar.fakat bunların SAR daki rolü pek bilinmemektedir. Örneğin; Fitotoaleksinler, proteinaz inhibitörleri, Polifenoloksidazlar, Perioksidaz proteinler yerine diğer bileşikler de bulunabilirler.

32 BİTKİLERDE HAYVANSAL İMMÜN SİSTEMDEN FARKLI OLARAK; Antikor/T-hücre yanıtı yoktur. Sistemik sinyaller bitki boyunca iletilebilir. Sirküle edilen hücreler yoktur. Bitki kısımları atılabilir ve yenilenir.

33 R PROTEİNLERİ IRK ÖZGÜN DAYANIKLILIK KAÇIŞ TOLERANS ÖNCEDEN OLUŞMUŞ YAPISAL ENGELLER VE ANTİMİKROBİAL BİLEŞİKLER KONAK ÖZGÜN OLMAYAN DAYANIKLILIK BAZAL DAYANIKLILIK

34 İNDÜKLENEBİLİR DAYANIKLILIK PATOJEN TANIMA DAYANIKLILIK SİNYALİ ÇOK BİLEŞKENLİ DAYANIKLILIK YANITI

35 Sinyal Reseptör İndüklenme Yanıt

36 Bitkilerde temel savunma mekanizmaları SİSTEMİK EDİNİLMİŞ DAYANIKLILIK (SAR). HİPERSENSİTİF YANIT(HR). JASMONİK ASİT

37 Dayanıklılık Tipi Doğal dayanıklılık Mekanizma Özgün olmayan genel dayanıklılık Konağa özgün olmayan Bakteriler ve funguslara karşı bazal dayanıklılık Irka özgün olmayan mlo resistansı ve kantitatif dayanıklılık Nekroz oluşturan strese karşı dayanıklılık HR, ROS, Bax inhibitör-1, PEN genleri Flagellin/FLS2 ilişkisi, ROS, antimikrobial bileşikler Hücre duvarı kalınlaşması, antimikrobial bileşikler ve ROS Yüksek antioksidan kapasitesi Özgün dayanıklılık (kultivar, patogenik ırka özgün) Eksterm dayanıklılık; gen için gen, Virüslere için HR olmaksızın dayanıklılık Rust patogenlerine karşı HR olmaksızın semptomsuz dayanıklılık Gen için gen dayanıklılığı R-Avr etkileşimi ve HR Patogen toksinlerine karşı dayanıklılık Gen sessizleşmesi Bilinmiyor ROS, Fitoaleksin, fenol oksidasyonu ve stres proteinleri Enzimatik detoksifikasyon, enzim reseptörlerinin eksikliği Yabancı RNA nın tanınması ve ribonukleazlarla yıkımı Edinilmiş dayanıklılık Primer enfeksiyondan sonra sekondere karşı SA birikimi, antioksidan stimulasyonu, gen sessizleşmesi, rizobiyal indükleme

38 BİTKİLERDE ÖZGÜN OLMAYAN GENEL DAYANIKLILIK KONAĞA ÖZGÜN OLMAYAN DAYANIKLILIK Bir bitki türünün bütün bireyleri bir patojenik türün tüm ırklarına karşı dayanıklıdır. Hipersensitif yanıt (HR); enfeksiyon bölgesinde nekroz ROS BAX-1 inhibitör proteini (Arpa da avirülent buğday mildew penetransını arttırıyor) PEN genleri (Arabidopsis de powdery mildews e karşı penetrasyon genleri)

39 Apopitoz ve Nekroz Apopitoz Membran integritesi kaybolmaz. Kromatin kondansasyonu olur. Membrana bağlı apopitoz cisimleri oluşur. Mitokondri şişmez. DNA yıkımları olur. Nekroz Membran integritesi kaybolur. Kromatinde bozulmalar olur. Hücre şişer ve lisis olur. Mitokondri şişer. DNA yıkımları olmaz.

40 HİPERSENSİTİF YANIT (HR) Hipersensitif yanıt yaprakta ufak bölgelerde ölüme neden olur. Bitkinin R genleri ile mikroorganizma Avr genlerinin ilişkisi önemlidir. Nekrozla biotrofik büyüme önlenir. Nitrik oksid (NO) ve hidrojen peroksid (H 2 O 2 ) bu yanıtı düzenler. HR, SAR ı tetikler.

41 (HR var.) (HR yok.)

42 Reaktif oksijen türleri (ROS) O. - 2, H 2 O 2, OH., 1 O 2, NO

43 pen mutantları Yabani tip pen1 Monica Stein, Somerville lab, Stanford

44 Pen3 mutantları hiflerin daha fazla büyümesine izin verir. Yabani tip pen3 Monica Stein, Somerville lab, Stanford

45 BAKTERiLERE VE FUNGUSLARA KARŞI BAZAL YANIT evolving microbial- or pathogen-associated molecular patterns (MAMP veya PAMP)a yanıt gen anlatımı Pattern recognation receptors (PRR) ile ve sonraki aşamada polymorphic NB-LRR protein ürünleri R genleri. nucleotide binding (NB) ve leucine rich repeat (LRR) domainleri taşırlar. PAMP triggered immunity (PTI). Flagellin/FLS2 ilişkisi ROS antimikrobial bileşikler

46 Flagellin yapısı Flagellumun ana yapı taşıdır. (Illustration by Georg Felix & Thomas Boller)

47 Flagellin, N-terminal korunmuş dizi "flg22": yüksek düzeyde korunan domain QRLSTGSRINSAKDDAAGLQIA... Bitkilerde tanımlanan en iyi genel elisitör... (Georg Felix, J. Duran, Sigrid Volko & Thomas Boller, Plant J. 18, , 1999)

48 Bazal yanıt: pathogen-associated molecular patterns PAMP a veya microorganism-associated molecular patterns MAMP a yanıt gen anlatımıdır. Bu yanıtın etki mekanizması tanımlanmıştır.

49

50 Bitki hücreleri PAMP ve MAMP ları tanırlar. Arabidopsis reseptör Fls2 flagellin reseptörüdür. Reseptörün ekstraselüler domaini Lösin zengin tekrar lı bir proteindir. Hücreiçi domain serin threonin kinaz dır. Signal bir MAP kinaz kaskadı ile olur ve WRKY gen ailesinin transkripsiyonunu uyarır. Bitkilerde çok sayıda Pattern recognation receptors PRRs vardır ve birden fazla mikroorganizmanın PAMP ni tanır. Fls2 immün işlevlidir. Bu sistem hem bakteriler hem de funguslarla savaşta çalışır.

51 IRKA ÖZGÜN OLMAYAN mlo RESİSTANSI VE KANTİTATİF DAYANIKLILIK Hücre duvarı kalınlaşması Antimikrobial bileşikler ROS

52

53 Arpa Mla10 ve powdey mildew Avra10 Hassas konak appressorium penetrasyon spor Dayanıklı konak haustorium Bitki plasma membran değişimi Avra10 Efektörü konak hedefe bağlanır Avra10 EHM fungal plasma membranı Bitki hücresi sitoplazması veya WRKY1/2?? Bitki nükleusu Mla10 Artmış patogen virülensi ECM ekstraselüler haustorial matriks Shen, Q-H Schultz-Lefert (Science 21 st Dec 2006) Chris Ridout (2006) Plant Cell 18, HR Daha az patogen çoğalması

54 BİTKİLERDE ÖZGÜN DAYANIKLILIK gen-için-gen dayanıklılık modeli RR veya Rr rr Avr1 Hastalık yok Hastalık avr1 Hastalık Hastalık

55

56 R PROTEİNLERİ IRK ÖZGÜN DAYANIKLILIK KAÇIŞ TOLERANS ÖNCEDEN OLUŞMUŞ YAPISAL ENGELLER VE ANTİMİKROBİAL BİLEŞİKLER KONAK ÖZGÜN OLMAYAN DAYANIKLILIK BAZAL DAYANIKLILIK

57 İNDÜKLENEBİLİR DAYANIKLILIK PATOJEN TANIMA DAYANIKLILIK SİNYALİ R PROTEİNLERİ SADECE BU EVREDE ETKEN 60 kadar R proteini izole edilmiştir, 40 NBS-LRR, 22 diğerleri(rlp, RLK, Kin,vb.). ÇOK BİLEŞKENLİ DAYANIKLILIK YANITI

58 IRK ÖZGÜN R PROTEİNLERİ Cf-2, 4, 5, 9 LRR CC Ve1 Ve2 Xa21 Pi-d2 5 IRK ÖZGÜN OLMAYAN R PROTEİNLERİ HÜCRE ÇEPERİ 6 PLASMA ZARI SİTOPLAZMA TIR NBS LRR CC NBS LRR 1 PEST ECS kinaz kinaz kinaz CC 2 RPW8 3 4 kinaz kinaz NLS WRKY RRS1 N, L6 RPP5 RPS2 RPM1 BS2 Pto PBS1 Xa27 RPG1

59 IRK ÖZGÜN R PROTEİNLERİ Çok az sayıda R proteini tipi ve motifi tanımlanmıştır. Bir R protein sınıfı farklı patojen tiplerine dayanıklılık sağlayabilir. Hücreiçi CC-NBS-LRR bakteri, fungus (Basidiomycetes ve Ascomycetes), Oomycetes, virus, root knot ve cyst nematodları ve bir aphid Tek bir patogen türü farklı R protein tipleri ile kontrol edilebilir. Hyaloperonospora parasitica Downy mildew :Arabidopsis CC-NBS-LRR TIR-NBS-LRR elrr RPP8 geni RRP4 geni RPP27 geni

60 R PROTEİN / R LOCUS TÜR ÖZGÜNLÜĞÜ Birçok R proteini / R locusu bir tür içersinde tek bir dayanıklılık sağlar Bir kaç farklı durum Domates Mi proteini ( CC-NBS-LRR) - root knot nematode, aphid ve whitefly Patates - komşu Rx1 ve Gpa2 genleri İkisi de CC-NBS-LRR tipi (88% amino asid benzerliği) Rx1 Gpa2 patates virüs X cyst nematod

61 R gen anlatımı Çok az ve konstitütif Enfeksiyonu takiben uyarılır. Dayanıklı genotipte nadiren gen anlatımı yapar. - Pirinç Xa27 Xanthomonas oryzae pv. oryzae Hassas alleller 10 bp ve 25 bp promotör insersiyonu taşır. (Gu et al, (2005) Science 435: )

62 R PROTEİNLERİ NASIL İŞLEV GÖRÜR? Örnekler Direkt patojen molekülünü tanıma İndirekt patojen molekülünü tanıma

63 Pseudomonas syringae

64 Direkt tanıma Domates Pto - AvrPto Pseudomonas syringae Hassas konak pto AvrPto or AvrPtoB Pto Dayanıklı Pto konak Hücre çeperi plasma zarı AvrPto ve AvrPtoB effektörleri bilinmeyen konak Hedefine bağlanırlar. Prf Patogen Virulensi artar Jones ve Dangl (2006) Nature HR daha az patogen çoğalması

65 İndirekt tanıma Arabidopsis RPM1- AvrRpm1 Pseudomonas syringae Hassas konak NDR1 AvrRpm1 or AvrB NDR1 Dayanıklı RPM1 konak RPM1 yok RIN4 P P P RIN4 P P P AvrRpm1 Effektörü konak hedef RIN4 ve diğer hedeflere bağlanır RPM1 Patogen virulensi artar HR daha az patogen çoğalması Jones ve Dangl (2006) Nature

66 R PROTEİNLER VİRULENS HEDEFE BEKÇİLİK EDER. A. UYUŞAN İLİŞKİ Avr Virulens Hedef Hasasasiyet yanıtı patogenin büyüme ve gelişmesine olanak sağlar. B. UYUŞMAYAN İLİŞKİ Bekçilikle dayanıklılık Avr Virulens Hedef R3 Dayanıklılık yanıtı AvrB/ RIN4 RPM1 AvrRpm1 Avr2 Rcr3 Cf-2

67 R PROTEİN KORUMA AKTİVASYONU Pto kinase Sitoplazmik yol CC-NBS-LRR NDR1 MAP kinase kaskadı RAR1 SGT1 HSP90 HR NO TIR-NBS-LRR OB erken EDS1 SA NPR1 geç RPW8 R proteinlerinin nukleusa transferinde erken sitoplazmik yanıt Bitki nukleusu TIR-NBS-LRR-NLS-WRKY TGAs CC-NBS-LRR WRKY W box Erken korunma yanıtı PR ve diğer koruma proteinleri

68 Sistemik edinilmiş dayanıklılık (SAR) Enfekte olan dokudan uzaktaki bölgeler de dayanıklı hale gelir. Bu dayanıklılık sadece orijinal patogene karşı değildir. SAR ı uyaran bazı genler bilinmektedir ama mekanizma tam bilinmemektedir. Salisilik asid SAR sırasında birikir ama sistemik bir sinyal değildir. Tanımlanmamış lipidler sinyal görevi yapar.

69 Salisilik Asid (SA) COOH OH Lokal ve sistemik dokularda birikir (sistemik sinyal değildir) SA nın yok edilmesi SAR ı engeller. Analogları: 2,6-Dikloroisonikotinik asid (INA) veya 2-4 -Metilamino fenil benzothiazol (BTH).

70 PR proteinlerinin başlıca grupları PR-1 Sisteince zengin proteinler PR-2 Beta- glukanazlar PR-3 Kitinazlar PR-4 Kitin bağlayan proteinler PR-5 Thaumatin benzeri proteinler de SAR da işlev görür.

71

72 David C. Baulcombe laboratory TMV resistance on leaves of tobacco plants carrying N. The virus is restricted to cells at and around the site of initial infection where necrosis develops. The necrosis is a secondary component of the disease resistance pathways and is not required for resistance. RNA silencing of a green fluorescent protein. The red areas illustrate how a signal of silencing is spreading out of the veins in a leaf of Nicotiana benthamiana. Eventually the signal spreads throughout the plant.

73 Identification of wheat leaf rust resistance gene Lr21 VIGS vector a S R A B ß a ßb ßd ßc PacI NotI a b plant seq nt Barley stripe mosaic virus Scofield et al. (2005) Plant Physiology 138:

74 Jasmonik asit (JA)/ etilen yolu Bitki immünitesinde görev yapan uçucu bir bitki hormonudur. JA sentezi ot yiyicinin yaralaması ile uyarılır. JA bazı genlerin transkripsiyonunu arttırarak ot yiyicinin sindirimini zorlaştırır. Örneğin domateste arginase oluşumu. Arginin i azaltır ve tırtıl büyümesini yavaşlatır.

75

76 Bitkilerde temel savunma mekanizmaları Sistemik edinilmiş dayanıklılık (SAR). HİPERSENSİTİF YANIT(HR). JASMONİK ASİT

77 Bitkilerle simbiyotik ilişkiler

78 Bitkilerde uyarılabilen sistemik dayanıklılık (ISR) sistemik edinilmiş dayanıklılık (SAR) dan farklıdır. Terminology: clear distinction between SAR and ISR ca Kloepper et al. (1992) Proposed definitions related to induced disease resistance. Biocontrol Sci. Technol 2: SAR Nekrotik yapı oluşturan patojenler, HR, veya bazı kimyasal uygulamaları (SA analogları veya antogonistleri). Salisilik aside sinyal olarak gereksinim duyar. PR genlerine gereksinim duyar. ISR Patojenik olmayan Rhizobacteria ya yanıttır. Salisilik asitten bağımsızdır fakat jasmonik asit ve etilen sinyalleri ile ilişkilidir. PR genlerinden farklı genlerin anlatımı olur. Sadece NPR1 genine gereksinimi vardır.

79 Etobur bitkiler

80 Bitki immunitesinde kompleks etkileşimler

81 Hayvansal ve Bitkisel sistemlerde immünite karşılaştırması M. Iriti, F. Faoro Review of innate and specific immunity in plants and animals. Mycopathologia (2007) 164:57 64 Özellik Hayvansal sistemde doğal immunite Bitkilerde konak özgün olmayan immunite Hayvansal sistemde adaptif immunite Bitkilerde konak özgün immunite Özgünlük Yok Yok Var Var Kendiliğinden tolerans Evet Evet/Hayır bazen indüklenebilir Evet/Hayır otoimmün hastalıklarda indüklenebilir Otoimmünite Hayır? Evet? Evet Hafıza Hayır Hayır Evet?