Jak fiołek wonny (Viola odorata L.) broni się przed patogenami i szkodnikami – cyklotydy jako rodzaj roślinnego układu odpornościowego?

Streszczenie

Polipeptydy, podobnie jak białka, zbudowane są z aminokwasów – podstawowych cegiełek, z których składają się organizmy żywe. Cyklotydy to polipeptydy wytwarzane przez rośliny sześciu niespokrewnionych rodzin botanicznych, w tym należących do rodziny Violaceae, z której pochodzi fiołek wonny (V. odorata). Rodzaj aminokwasów i ich kolejność w łańcuchu polipeptydowym (sekwencja) zależy od kodu genetycznego zapisanego w DNA. Nazwa "cyklotydy" pochodzi od połączenia słów "cykliczne peptydy", określających ich charakterystyczną strukturę, w której dwa końce łańcucha peptydowego są ze sobą połączone. Cząsteczka cyklotydu jest bardzo ściśle upakowana i stabilna, przypomina supeł lub węzeł. Cyklotydy wykazują różne tak zwane aktywności biologiczne – m.in. działają przeciwdrobnoustrojowo, hemolitycznie, antywirusowo, cytotoksycznie oraz ograniczają aktywność życiową larw roślinożernych owadów, co sugeruje, że są związkami obronnymi. Aktywność biologiczna cyklotydów zależy ściśle od ich sekwencji aminokwasowych – np. jedne wykazują działanie przeciwko szkodliwym owadom, natomiast inne przeciwko drobnoustrojom takim jak bakterie i grzyby. Rośliny produkują skomplikowane mieszanki, złożone niekiedy nawet z kilkudziesięciu różnych cyklotydów, a poszczególne ich zestawy są charakterystyczne dla danego gatunku, organu np. korzenia czy liścia, czy nawet tkanek – poszczególnych warstw komórek. Części rośliny, np. nadziemne i podziemne, wystawione są na działanie różnych czynników, tak jak różne jest środowisko, które je otacza. Biorąc to pod uwagę można dojść do wniosku, że poszczególne mieszanki cyklotydów są produkowane w odpowiednich miejscach, tak by umożliwić jak najlepszą ochronę różnych części rośliny. Ponadto w wielu badaniach wykazano różnice w produkowanych zestawach tych polipeptydów w roślinach rosnących w różnych warunkach. Czy swoiste zestawy cyklotydów i ich rozmieszczenie przestrzenne w organach i tkankach są kształtowane w reakcji na różne czynniki środowiskowe, w tym takie jak infekcja czy atak szkodnika?

Aby potwierdzić hipotezę o funkcji obronnej cyklotydów, należy wyjaśnić mechanizmy, które będą umożliwiały im działanie w miejscu kontaktu z patogenem. Cyklotydy zamknięte są w wakuoli, przedziale wewnątrz komórki roślinnej a wiele szkodliwych mikroorganizmów egzystuje na zewnątrz komórki, w przestrzeniach międzykomórkowych. Możliwym wyjaśnieniem tego problemu jest występowanie specyficznego typu reakcji nadwrażliwości (HR) oraz programowanej śmierci komórki (PCD). Są to mechanizmy wykorzystywane przez rośliny do obrony przed różnymi patogenami, pozwalające roślinie na izolację zakażonych komórek i ograniczenie rozwoju infekcji. Opisano dwie drogi uczestnictwa wakuoli w tych procesach. Droga destruktywna jest mechanizmem obrony przed wirusami mnożącymi się w cytoplazmie. Prowadzi ona do przerwania błony biologicznej wakuoli, wydostaniu się zawartości wakuoli do cytoplazmy, jej destrukcji i szybkiej śmierci komórkowej. Natomiast droga niedestruktywna przebiega poprzez fuzję błony komórkowej i wakuoli z wytworzeniem kanałów oraz wyrzutem zawartości wakuoli na zewnątrz komórki. Jaką drogę wybrały cyklotydy?

Celem projektu jest sprawdzenie hipotezy, że cyklotydy o różnej strukturze i budowie biorą udział w budowaniu specyficznych reakcji odpornościowych oraz wyjaśnienie mechanizmów odpowiedzialnych za sekrecję tych związków na zewnątrz komórki w procesie obronnym przeciwko mikroorganizmom. Szczegółowymi celami projektu są: 1) zbadanie ilościowych, jakościowych i przestrzennych różnic w zestawach cyklotydów produkowanych przez V. odorata w odpowiedzi na różne rodzaje stresu biotycznego w krótkim i długim czasie ekspozycji; 2) prześledzenie toku wczesnych etapów odpowiedzi nadwrażliwości (HR) i wykazanie wydzielania cyklotydów do przestrzeni międzykomórkowej w tym procesie.

Wykazanie aktywności tych peptydów przeciwko drobnoustrojom wraz z wyjaśnieniem procesu umożliwiającego pełnienie przeznaczonej im roli stanowić będzie pełny opis zjawiska, jakim są cyklotydy. Ponadto, gdy spojrzeć z szerszej perspektywy, można zauważyć, iż projekt dotyczy procesów ogólnych dla świata roślin, które wciąż są bardzo słabo poznane. Zrozumienie skomplikowanych interakcji pomiędzy rośliną a patogenami ma ogromne znaczenie nie tylko dla nauk podstawowych, ale także prowadzi do lepszych, przyjaznych środowisku metod ochrony roślin.

Foto: Błażej Ślązak.

Foto: Błażej Ślązak.

Foto: Błażej Ślązak.