Metaboliczne i hormonalne regulacje odpowiedzi ogórka siewnego (Cucumis sativus) na działanie wieloczynnikowego stresu środowiskowego

Abstract

Stresy związane z deficytem wody i atakiem patogenów są istotnymi czynnikami środowiskowymi wpływającymi na rośliny uprawne, które ograniczają ich wzrost i plonowanie. Wiele danych wskazuje, że drogi prowadzące do uruchomienia odpowiedzi na stres biotyczny i abiotyczny nie są niezależne. Wiadomo, że u roślin poddanych wcześniej działaniu jednego stresora odpowiedź na kolejne stresy ulega zmianie, a efekty wspólnego działania stresu abiotycznego i biotycznego mogą być zarówno pozytywne, jak i negatywne. Mechanizm reakcji na stres wieloczynnikowy, który występuje powszechnie w warunkach polowych, nie jest jeszcze w pełni wyjaśniony. Aktywacja procesów aklimatyzacji do stresów abiotycznych i reakcji obronnych wobec patogena wiąże się z przeprogramowaniem podstawowego metabolizmu węgla, gdyż wymaga nakładów energetycznych i przekierowania metabolitów węglowych do szlaków anabolicznych. Większość stresów środowiskowych ogranicza intensywność fotosyntezy. Uznaje się, że rośliny realizujące metabolizm fotosyntetyczny typu C4/CAM charakteryzują się wyższą tolerancją na stres środowiskowy niż rośliny C3. Stwierdzono, że enzymy takie jak karboksylaza fosfoenolopirogronianowa (PEPC) i enzym jabłczanowy zależny od NADP+ (NADP-ME), uznawane za wyznaczniki metabolizmu typu C4/CAM, występują powszechnie u roślin C3 gdzie katalizowane przez nie reakcje biorą udział w odpowiedzi na stres środowiskowy. Szlaki sygnałowe zależne od reaktywnych form tlenu (RFT) i sygnałów redoks oraz od hormonów stresu (ABA, kwasu abscysynowego i SA, kwasu salicylowego) stanowią główne osie transdukcji sygnałów w reakcji roślin na stres. Wzmożone generowanie RFT stanowi przejaw działania większości czynników stresowych i może być zarówno negatywnym następstwem stresu, jak i promować reakcje obronne, w których RFT pełnią funkcję wtórnego przekaźnika sygnałów. Uważa się, że skuteczność uruchamianej przez roślinę strategii obronnej zależy od mechanizmów odpowiedzialnych za utrzymanie równowagi oksydoredukcyjnej w taki sposób, aby zapewniając niezbędną ochronę przed szkodliwym działaniem RFT umożliwić jednocześnie zainicjowanie reakcji obronnych. W komórkach roślinnych szczególną rolę w tym procesie pełni system antyoksydacyjny, w tym: dysmutaza ponadtlenkowa (SOD), katalaza i cykl askorbinian-glutation (AsA-GSH). Fitohormony roślinne regulujące procesy wzrostu i rozwoju są także nieodzownym elementem odpowiedzi roślin na stres. Kwas salicylowy odgrywa kluczową rolę w odporności roślin na patogeny biotroficzne, a ABA jest regulatorem reakcji na stres deficytu wody. Stwierdzono, że ABA odgrywa również rolę w patogenezie, a jej charakter może być zarówno pozytywny, jak i negatywny i zależy od typu interakcji roślina – patogen. Ponadto w stresie biotycznym hormon ten jest negatywnym regulatorem reakcji obronnych roślin zależnych od SA. Szlaki przekazywania sygnałów oddziałują na siebie, a interakcje między nimi (ang. cross talk) mogą mieć charakter zarówno antagonistyczny, jak i synergistyczny. Umożliwia to roślinom precyzyjną regulację odpowiedzi obronnej w miejscu działania czynnika stresowego, a dzięki sygnalizacji międzyorganowej również na poziomie całego organizmu. Ma to szczególne znaczenie w warunkach naturalnych, gdy rośliny narażone są na sekwencyjne lub równoczesne działanie kilku różnych czynników stresowych. W celu poznania mechanizmów odpowiedzi roślin na stres abiotyczny i biotyczny działające łącznie analizowano reakcje roślin ogórka siewnego (Cucumis sativus) poddanych wcześniej krótkoterminowemu stresowi solnemu o różnym natężeniu (50 i 100 mM NaCl) na zakażenie Pseudomonas syringae pv lachrymans (Psl). Do badań wybrano ogórek siewny, ważny gospodarczo gatunek, umiarkowanie tolerancyjny na zasolenie i podatny na bakteryjną kanciastą plamistość liści wywoływaną przez Psl. Badania dotyczyły udziału procesów biochemicznych związanych z podstawowymi przemianami związków węgla, a także RFT i systemu antyoksydacyjnego oraz fitohormonów w zintegrowanej odpowiedzi roślin na zasolenie i zakażenie bakteryjne, w sytuacji, gdy pierwotnym miejscem percepcji bodźca stresowego jest odpowiednio korzeń i liść. Analizowano wydajność fotochemiczną fotosyntezy na podstawie fluorescencji chlorofilu, a także aktywność enzymów zaangażowanych w metabolizm czterowęglowych kwasów dikarboksylowych: PEPC, NADP-ME, dehydrogenazy izocytrynianowej (NADP-ICDH) i fumarazy oraz stężenie kwasu jabłkowego (MA) i cytrynowego (CA). Ponadto monitorowano generowanie RFT i aktywność cyklu AsA-GSH oraz oznaczano stężenie hormonów stresu: ABA i SA. Stres solny modulował odpowiedź roślin na następczy stres biotyczny na poziomie fizjologicznym, metabolicznym i hormonalnym. Zmiany miały charakter organospecyficzny. Stres solny, zwłaszcza przy wyższym stężeniu NaCl, wpływał negatywnie na wzrost pędów, korzeni i blaszki liściowej, powodował przejściowe odwodnienie tkanek oraz nasilał objawy kanciastej plamistości. Czasowo-przestrzenne zmiany aktywności enzymów metabolizmu węgla wskazują na ich anaplerotyczną i regulatorową rolę w odpowiedzi ogórka na stres, zwłaszcza wieloczynnikowy. W zakresie aktywności badanych enzymów oraz stężenia MA i CA odpowiedź metaboliczna na stres biotyczny u roślin wcześniej traktowanych NaCl była odmienna od reakcji wywołanej przez sam patogen działający niezależnie od stresu solnego. Może to być związane ze zróżnicowanym zapotrzebowaniem na szkielety węglowe, równoważniki redukcji i energię podczas uruchamiania odpowiedzi obronnej. Profil zmian w systemie antyoksydacyjnym wywołanych przez stres biotyczny podlegał silnym organospecyficznym modyfikacjom pod wpływem NaCl. Sekwencyjne działanie NaCl i Psl nasilało przejściowe zaburzenia w aktywności PSII i specyficznie aktywowało chloroplastową FeSOD, co wskazuje na rolę chloroplastów w odpowiedzi obronnej na stres wieloczynnikowy. W warunkach stresu wieloczynnikowego dochodziło do zaburzeń równowagi hormonalnej SA - ABA. NaCl aplikowany jako pierwszy intensyfikował syntezę SA, jednak akumulacja wolnego SA nie ograniczała wzrostu bakterii i rozwoju kanciastej plamistości liści ogórka. ABA indukowany pod wpływem zasolenia modulował zależne od SA odpowiedzi obronne ogórka na zakażenie Psl, w tym ekspresję PR1 -markera szlaku sygnalizacyjnego SA. W warunkach stresu wielkoczynnikowego dochodzi do integracji odpowiedzi między organami rośliny za pośrednictwem komponentów systemu antyoksydacyjnego, regulacji hormonalnych z udziałem SA i ABA oraz metabolicznych, w tym ekspresji genów i aktywności NADP-ME i NADP-ICDH.