Systemin je dobre známy rastlinný peptidový hormón, ktorý hrá kľúčovú úlohu pri spúšťaní obranných reakcií rastlín. Ako dodávateľ Systeminu som bol svedkom rastúceho záujmu o pochopenie mechanizmov obranných reakcií vyvolaných Systeminom. V tomto blogu sa ponorím do kľúčových mechanizmov, ktorými sa riadia tieto reakcie, pričom zdôrazním význam Systeminu v ochrane rastlín.
Systemin Discovery a všeobecná funkcia
Systemín bol prvýkrát objavený v rastlinách paradajok. Je to malý 18-aminokyselinový peptid, ktorý sa uvoľňuje v reakcii na zranenia, ktoré sú zvyčajne spôsobené útokmi bylinožravcov alebo mechanickým poškodením. Po uvoľnení Systemin pôsobí ako signálna molekula, ktorá spúšťa kaskádu udalostí, ktoré vedú k aktivácii rôznych obranných mechanizmov v rastline.
Väzba na receptor a iniciácia signálu
Prvým krokom v obranných reakciách vyvolaných Systemínom je väzba Systeminu na jeho špecifický receptor na membráne rastlinnej bunky. Receptor pre Systemín v rastlinách rajčiaka bol identifikovaný ako kináza podobná leucínovému receptoru (LRR - RLK) s názvom SR160. Keď sa Systemin naviaže na SR160, aktivuje kinázovú aktivitu receptora. Táto fosforylačná udalosť spúšťa reťazovú reakciu v bunke, podobne ako kľúč spúšťa zložitý mechanizmus.
Aktivovaný receptor potom získava a fosforyluje downstream signálne molekuly. Tieto molekuly sú často zapojené do MAPK (mitogénom - aktivovaná proteínkináza) kaskády. Kaskáda MAPK je vysoko konzervovaná signálna dráha v rastlinách a zvieratách. V kontexte Systemin signalizácie vedie aktivácia MAPK k fosforylácii transkripčných faktorov. Tieto transkripčné faktory sú proteíny, ktoré sa môžu viazať na špecifické sekvencie DNA a regulovať expresiu génov.
Aktivácia dráhy jazmónovej kyseliny
Jedným z najdôležitejších následných účinkov signalizácie Systemin je aktivácia dráhy kyseliny jazmónovej (JA). JA je dobre známy rastlinný hormón, ktorý sa podieľa na rôznych stresových reakciách, vrátane obrany proti bylinožravcom.
Keď Systemin aktivuje MAPK kaskádu, nakoniec to vedie k syntéze JA. Syntéza JA začína uvoľnením kyseliny linolénovej z bunkovej membrány. Kyselina linolénová sa potom sériou enzymatických reakcií premení na kyselinu 12-oxo-fytodiénovú (OPDA). OPDA sa potom transportuje do peroxizómu, kde sa ďalej premieňa na JA.
Akonáhle je JA syntetizovaný, viaže sa na svoj receptor COI1 (koronatín - necitlivý 1). Komplex JA - COI1 sa potom zameriava na špecifické represorové proteíny na degradáciu. Tieto represorové proteíny normálne inhibujú aktivitu transkripčných faktorov zapojených do expresie génov súvisiacich s obranou. S degradáciou represorov sa transkripčné faktory môžu voľne viazať na promótorové oblasti génov súvisiacich s obranou a iniciovať ich transkripciu.
Vyjadrenie obrany – súvisiace gény
Aktivácia JA dráhy vedie k up-regulácii veľkého počtu génov súvisiacich s obranou. Tieto gény kódujú rôzne proteíny s rôznymi funkciami pri obrane rastlín.
Niektoré z génov kódujú inhibítory proteázy. Inhibítory proteáz sú proteíny, ktoré môžu inhibovať aktivitu proteáz v črevách bylinožravcov. Keď sa bylinožravce živia rastlinami exprimujúcimi inhibítory proteáz, ich trávenie je narušené, pretože proteázy sú nevyhnutné na rozklad bielkovín v potrave. To znižuje nutričnú hodnotu rastliny pre bylinožravca a v konečnom dôsledku môže viesť k zníženiu rastu a prežitia bylinožravca.
Ďalšie gény súvisiace s obranou kódujú proteíny zapojené do syntézy sekundárnych metabolitov. Sekundárne metabolity, ako sú alkaloidy, fenoly a terpenoidy, majú rôzne funkcie pri obrane rastlín. Napríklad niektoré alkaloidy môžu byť toxické pre bylinožravce, zatiaľ čo fenoly môžu pôsobiť ako antioxidanty a majú tiež antimikrobiálne vlastnosti.
Systémová signalizácia
Jednou z pozoruhodných vlastností obranných reakcií vyvolaných Systemínom je jeho schopnosť spúšťať systémové reakcie. Pri poškodení časti rastliny Systemin aktivuje nielen obranné reakcie v poškodenom tkanive, ale aj v iných častiach rastliny, ktoré nie sú priamo zasiahnuté.
Predpokladá sa, že systémová signalizácia zahŕňa pohyb samotného Systemínu alebo iných signálnych molekúl cez floém. Akonáhle sa Systemin alebo jeho následné signály dostanú do vzdialených častí rastliny, spustia rovnakú obrannú – signalizačnú kaskádu ako v poškodenom tkanive. To umožňuje rastline pripraviť celé svoje telo na potenciálne útoky bylinožravcov, aj keď bola pôvodne poškodená len malá časť rastliny.
Porovnanie s inými peptidovými signalizačnými systémami
Vo svete rastlinnej peptidovej signalizácie nie je Systemin jediným hráčom. Existujú aj iné peptidy, ako naprAnnorphin A (1 – 9),Galanin Message Associated Peptide (44 - 59) amid, a6×Jeho peptid, ktoré tiež zohrávajú dôležitú úlohu v rôznych fyziologických procesoch.
Zatiaľ čo tieto peptidy majú v porovnaní so Systeminom odlišné funkcie a signalizačné mechanizmy, všetky zdieľajú spoločnú vlastnosť, že sú to malé, bioaktívne molekuly, ktoré môžu vyvolať špecifické reakcie v rastlinách alebo iných organizmoch. Napríklad Dynorphin A (1 - 9) bol študovaný v kontexte modulácie bolesti u zvierat, ale jeho potenciálna úloha v rastlinách alebo iných neživočíšnych systémoch je stále oblasťou výskumu.
Dôsledky pre poľnohospodárstvo
Pochopenie mechanizmov obranných reakcií vyvolaných Systeminom má významné dôsledky pre poľnohospodárstvo. Posilnením signálnej dráhy Systemin môžeme potenciálne zlepšiť prirodzené obranné schopnosti plodín proti bylinožravcom a škodcom. To môže znížiť závislosť od chemických pesticídov, ktoré majú negatívny vplyv na životné prostredie.
Napríklad na nadmernú expresiu Systeminu alebo jeho receptora v plodinách možno použiť techniky genetického inžinierstva. To by viedlo k robustnejšej aktivácii obrannej – signalizačnej kaskády a lepšej ochrane pred útokmi bylinožravcov. Okrem toho sa môžu znalosti o signalizácii Systeminu využiť pri vývoji nových biopesticídov, ktoré napodobňujú pôsobenie Systeminu alebo zvyšujú jeho aktivitu.
Záver
Záverom možno povedať, že obranné reakcie vyvolané Systemínom sú komplexný a vysoko regulovaný proces. Od počiatočnej väzby Systeminu na jeho receptor, cez aktiváciu MAPK kaskády a JA dráhy, až po expresiu génov súvisiacich s obranou a systémovej signalizácie, je každý krok rozhodujúci pre schopnosť rastliny brániť sa proti bylinožravcom.
Ako dodávateľ Systeminu som nadšený z potenciálnych aplikácií Systeminu v poľnohospodárstve a výskume rastlín. Ak máte záujem dozvedieť sa viac o Systemine alebo zvažujete kúpu Systemin pre vaše výskumné alebo poľnohospodárske potreby, odporúčam vám osloviť diskusiu o obstarávaní. Pochopenie mechanizmov obranných reakcií vyvolaných Systeminom je nielen fascinujúce z vedeckého hľadiska, ale je tiež veľkým prísľubom pre udržateľnejší a ekologickejší prístup k ochrane rastlín.
Referencie
- Pearce, G., Strydom, D., Johnson, S., & Ryan, CA (1991). Polypeptid z listov rajčiaka indukuje ranou indukovanú syntézu inhibítora proteinázy. Science, 253(5024), 895-898.
- Ryan, CA a Pearce, G. (2003). Systemín: polypeptidový signál pre obranné reakcie rastlín. Annual Review of Plant Biology, 54, 111 - 136.
- Wasternack, C., & Hause, B. (2013). Jasmonáty: biosyntéza, vnímanie, prenos signálu a pôsobenie v reakcii, raste a vývoji rastlín na stres. Aktualizácia recenzie z roku 2007 v Annals of Botany. Letopisy botaniky, 111(1), 1021 - 1058.