LGN 5799 - SEMINÁRIOS EMGENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS

Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas

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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

Agrios, 1997

Pseudomonas syringae em estômato de cerejeira

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

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

Resistência mediada por genes R

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

Outras classes R

Há exemplos de R com novas arquiteturas de domínio

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 sinal

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?

Ativação de defesas

Ativação de defesas

� Defesas induzidas� Estruturais� Bioquímicas

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

Defesas bioquímicas induzidas

Resistência sistêmica adquirida

Indução por químicos ou microorganismos

Sinal é transportado por toda a planta

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

Do reconhecimento à indução de defesas

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

Agrios, 1997

Pseudomonas syringae em estômato de cerejeira

Como a planta responde à presença de bactérias?

Água

Pst DC3000

Abertura de estômatos

Fechando os estômatos

Pst ao redor de estômato aberto

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

Abertura de estômatos

Água

Pst DC3000

Quatro horas depois:Reversão na abertura dos estômatos!!

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?

Sim.

Mutante para o fator de virulência

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