Il Carnevale della Chimica n. 26 è in uscita in 23 marzo sul blog di Teresa Celestino "Pensieri in provetta", si parlerà di “Chimica della difesa”, e dei meccanismi molecolari e sistemi di segnale utilizzati per fronteggiare agenti esterni dannosi per la salute dell’organismo, nell'uomo, nel mondo animale e nelle piante.
In questo post tratterò di ormoni vegetali, uno dei temi del mio lavoro di ricerca sulle piante, di meccanismi di riconoscimento di prodotti estranei (proteine e polisaccaridi) di funghi, batteri e virus (stress biotici), dal rilevamento dell'ospite fino allo scatenamento di una risposta efficace e di segnali di memoria nelle piante.
L'acido jasmonico, estratto per la prima volta da
arbusti di gelsomino (da cui il nome) e presente in altre specie di
piante, è un ormone vegetale
Sintetizzato a partire dall'acido linoleico (tramite lipossigenasi, allene ossido sintasi e allene ossido ciclasi, e acido ossifitodienoico riduttasi), è implicato tra l'altro nella difesa contro stress fisici (ferite), chimici (ozono)
e biotici (insetti, funghi, e batteri patogenici e avirulenti). La sua presenza comporta
la sintesi di proteine quali: difensina, tionina e chitinasi, che determinano
la resistenza sistemica indotta (ISR). L'acido jasmonico ed alcuni suoi
derivati (jasmonato di metile, MeJA), sono utilizzati come elicitori,
ossia agenti in grado di indurre nelle piante, la produzione di metaboliti secondari implicati nella difesa chimica, e la modificazione della parete cellulare (deposizione di callosio e pectina).
La memoria epigenetica (da una generazione alle altre) mediata dagli ormoni passa attraverso la metilazione del DNA, la trascrizione di RNA non codificante (small RNA, ncRNA), e la modificazione psot-traduzionale degli istoni.
Il metil-jasmonato è un composto volatile, che penetra la membrana, produce l'effetto tipico dell'acido jasmonico, ed è usato come iniziatore chimico della risposta jasmonato-mediata. Il derivato dell'acido jasmonico che è attivo nella pianta è il suo coniugato con un amminoacido, jasmonoil-isoleucina (JA-Ile). Il JA-Ile si lega ed è riconosciuto dal complesso SCF, formato da una proteina F-box a da COI1, il recettore di JA-Ile, una E3 ubiquitina ligasi, che trasferisce ubiquitina sul F-box e la destina alla degradazione proteolitica. Questo segnale permette la liberazione del fattore di trascrizione MYC, che è il vero effettore e media l'azione del jasmonato aumentando l'espressione di vari prodotti genici (defensine, inibitori di proteine, ecc..).
La coronatina è una fitotossina prodotta da batteri Pseudomonas syringae, che mimica il JA-Ile e la sua azione su COI. E' coinvolta nella riapertura degli stomi dopo che questi sono stati chiusi in risposta al segnale della piante che ha sentito la presenza batterica ed interferisce cn le risposte mediate da un altro ormone, l'acido salicilico, in seguito all'infezione.
Wounding: la ferita da insetti stimola la
produzione di VOCs, composti volatili (terpeni, aldeidi) che attraggono insetti
antagonisti
Acido salicilico (SA)
SA è conivolto nella propagazione del segnale
tra i veri tessuti, e media la difesa
contro i patogeni, inducendo la sintesi di proteine PRP
(pathogenesis-related
proteins), ed è coinvolto nell'instaurarsi della resistenza sistemica
acquisita (SAR)
Il segnale è in grado di
trasferirsi alle piante vicine, mediato dall'estere volatile metil salicilato.
Sistemina
Nel 1991, è stato scoperto
un peptide di 18 amminoacidi ricco in idrossiprolina che è un segnale mobile
nelle foglie del pomodoro, che induce proteine come gli inibitori di proteasi (PIs) in risposta al wounding, la percezione
delle ferite. Questo peptide nelle Solanceae
è idrossilato e glicosilato. Nel 2006, è stato isolato un altro peptide,
AtPEP1, di 23 amminoacidi che attiva i componenti della risposta immune,. privo
di idrossilazione e glicosilazione. La
sistemina è il mediatore della risposta all'acido salicilico.
La risposta ipersensibile (HR) è la prima fase localizzata dell'attacco
patogeno, spesso viene seguita da un evento necrotico localizzato che serve a
contenere la diffusione del patogeno.
JA) e etilene
(ET) giocano un ruolo importante nella risposta allo stress biotico da patogeni
necrotropi, le loro vie di segnale sono sinergiche e confluiscono su una classe
di fattori di trascrizione che rispondono a entrambi gli ormoni,
Apetala/etilene responsive element factor, o AP/ERF. Questi fattori di
trascrizione riconoscono nei promotori target le sequenze GCCGCC, nei geni
inducibili PR (patogenesis related).
Elementi che scatenano il riconoscimento di un
organismo estraneo sono i PAMP ossia pathogen-associated molecular
pattern, come il flagello ed il Recettore
della flagellina, i polisaccaridi fungini, chitina e galattomannani e il loro
recettore, LPS, peptidoglicani, eccetera.
I recettori per questi elementi estranei sono
composti da una parte extracellulare LRR (Leucine rich repeat) ed una
intracellulare (Receptor like kinase), oppure quelli del tipo NBS-LRK. LA
regione LRR è importante nel sensing immunitario in tutti gli organismi, è
prsente anche nei pesci, come la lampreda, è fornisce una ipervariabilità di
combinazioni simile agli anticorpi, nel senso che sono in grado di formare
n-tipi di strutture adattabili ad n-tipi di antigeni.
PAMP e immunità
scatenata da PAMP (PTI)
Le piante rispondono a questi PAMP mediante Proteine
PR i resistenza alla malattia. Il segnale dato da SA ferma la
crescita e stimola la risposta immune. Gran parte dei geni indotti da
SA ano sotto il controllo di NPR1. NPR1 normalmente
è presente come oligomero collegato da ponti disolfuro nel citoplasma. In
seguito ad SA, gli oligomeri NPR1 vengono liberati dall’azione dei riducenti
intracellulari. NPR1 si lega direttamente ad SA mediante gruppo prostetico (ioni
rame) con due residui di cisteina.
AFM: actinomycorriza, funghi e batteri associati, sono spesso simbionti (collaborazione benefica per entrambi i partners) in molte piante hanno un effetto benefico sull'adattamento a stress biotici ad abiotici (siccità, sale, caldo, freddo e ioni tossici).
Questi microrganismi producono ormoni (etilene, acido jasmonico, auxine, acido abscissico) sostanze patogen oantagoniste, e composti chimici che influenzano l'attvità romonale dell'etilene, delle citokinine, gibberelline, acido salicilico, ecc...
- In P. indica, a component in the exudates of the fungal hyphae was found to induce root growth (Fassner 2012). Ethylene-responsive genes are repressed in P. indica-colonised barley roots (Schäfer et al. 2009). Considering that some rhizobacteria produce enzymes that degrade ethylene, the P. indica compound seems to inhibit ethylene signalling
- BABA not only mimics SAR-related priming by potentiating SA-inducible defences, but also primes pathogen-induced deposition of callose-containing papillae, which functions independently of SA and JA, but requires intact biosynthesis and perception of the plant hormone abscisic acid (ABA)
Il priming, o precondizionamento dei tessuti per una efficiente attivazione dei meccanismi di difesa, si avvale o di composti mimetici di ormoni, o di sostanze che influenzano la sintesi o il catabolismo degli ormoni stessi.
Il Bion (Syengenta) è un prodotto commerciale analogo dell'acido salicilico. il cis-3-hexenyl-acetate (Z-3-6:AC) aumenta la sintesi di acido jasmonico ed è usato per indurre priming nel mais.
Il probenazolo è stato studiato nel priming nel riso. N altro interessante composto efficace nel priming è l'acido 4-clorobenzoico e la sua azione sul recettore dell'acido salicilico.
- Immune-priming chemicals such as probenazole help protect rice against infection, but leave other critical crops vulnerable. Pretreatments increased the accumulation of endogenous SA, but reduced its metabolite, SA-O-β-D-glucoside. Inducing compounds inhibited two SA glucosyltransferases (SAGTs) in vitro.
- ImprimatinC1 acts as a functional analogue of SA, but only partially mimics SA action.
- ImprimatinC1
confers disease resistance to Arabidopsis plants,
- the synthetic auxin sirtinol also contains an imine bond and is hydrolysed after incorporation into cells. One of its metabolites, 2-hydroxy-1-naphthaldehyde (HNA), can then be catabolised by a moco-containing aldehyde oxidase to become the active molecule 2-hydroxy-1-naphthoic acid (HNC)
- imprimatinC1 may be broken into two smaller molecules and that 4-chlorobenzoic acid (4-CBA) might function as the active core of imprimatinC1. To test this possibility, we investigated whether 4-CBA can function as an immune potentiator
- Unlike imprimatinA and B, which target SA metabolism, imprimatinC compounds exhibit weak SA-analogous activity and induce the expression of defence genes independent of pathogen challenge.
1.
Noutoshi, Y., Jikumaru, Y., Kamiya, Y. & Shirasu, K.
ImprimatinC1, a novel plant immune-priming compound, functions as a partial
agonist of salicylic acid. Scientific
Reports 2, 705 (2012).
