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ACCION DE JASMONATOS
EN LA DEFENSA DE
PLANTAS A HERBIVOROS
Paola Becerra. I.A.
Estudiante Maestría en Ciencias agrarias
Universidad nacional de Colombia
Mayo, 2011
Contenido
1. INTRODUCCIÓN
2. RESPUESTA DE DEFENSA EN PLANTAS: LOCALES Y SISTÉMICAS
3. OXILIPINAS
4. BIOSINTESIS Y REGULACION DE JASMONATOS
5. CONJUGADOS , MEJA Y AC. JASMONICO
6. RESPUESTAS A HERIDA
7. EFECTOS EN LOS HERBIVOROS
8. INTERACCIONES REGULADORAS ENTRE JA Y OTRAS HORMONAS
9. TRANSDUCCION Y MUTANTES
10. CONCLUSIONES
1. INTRODUCCIÓN
JASMONATOS
Intervienen en múltiples procesos fisiológicos de las plantas
Maduración de los frutos
Formación de tricomas
Tuberización en papa
Desarrollo floral
Senescencia
Reguladores de morfogénesis de
hojas y raíces en soja
Establecimiento de micorrizas
arbusculares
SEÑAL DE DEFENSA A HERVIVOROS Y PATOGENOS
INTRODUCCIÓN
Las plantas están continuamente
expuestas agentes y
situaciones de estrés
potenciales.
Han desarrollado mecanismos
de defensa muy eficaces
El establecimiento de la
enfermedad suele ser más la
excepción que la norma
INTRODUCCIÓN
Insectos y patógenos son factores de estrés que afectan en gran medida al rendimiento de los cultivos
Este hecho ha determinado que las respuestas de las plantas a la infección por patógenos o a la herida causada por insectos o herbívoros hayan sido estudiadas en detalle, así como la función reguladora de jasmonatos (JAs) y salicilatos (SAs) en la defensa y desarrollo de las plantas.
Estos dos grupos hormonales coregulan junto con etileno (Et), ácido abcísico(ABA) y especies reactivas de oxigeno (ROS) las respuestas de defensa de las plantas.
Aunque tradicionalmente JAs y SAs han sido considerados como paradigmas de reguladores antagonistas en la activación de defensa, cada vez hay más datos que sustentan las interacciones sinergísticasexistentes entre ellos
2. RESPUESTA DE DEFENSA EN
PLANTAS: LOCALES Y SISTÉMICAS
Defensa
Pasiva
Barreras físicas
Composición y estructura de la cutícula, tricomas, estomas, pared celular
Barreras
químicas
Activa
LARResistencia Local
Adquirida
RHRespuesta Hipersensible
muerte celular :zonas necróticas
FITOALEXINAS
SARResistencia Sistémica
Adquirida
Señal o mensaje que media la activación de reacciones
defensivas , en tejidos alejados de la zona afectada
ACIDO SALICÍLICO y PR
ISRResistencia Sistémica
Inducida
Cepas no patogénicas y heridas causadas por
herbívoros
JASMONATOS Y ETILENO
La respuesta defensiva de las plantas incluye un sistema de señalización, producción de enzimas implicadas en la biosíntesis de compuestos antimicrobianos (lignina, fitoalexinas, etc.) y acumulación de proteínas que frenan la expansión del patógeno (glucanasas, quitinasas).
ACIDO SALICILICO Y SAR
El ácido salicílico es la primera molécula a la que se atribuyó un papel importante en la intermediación de la transducción de la señal patogénica.
El incremento en los niveles endógenos de SA y de sus conjugados en plantas infectadas, coincide con la activación de genes que codifican para proteínas PR (Relacionadas con Patogénesis) y con el establecimiento de la resistencia en la planta
La aplicación exógena de SA activa la expresión de genes PR y hace a la planta más resistente a cualquier ataque patogénico
La ruta del isocorismato es esencialmente cloroplástica y la ruta de la fenilalanina implica a cloroplastos y peroxisomas.
El corismato, por acción de la enzima isocorismato sintasa 1 (ICS1), se isomeriza hasta isocorismato, posteriormente pasa a piruvato y SA por la actividad de una piruvato liasa (PLI)
SAR
Un requerimiento esencial para la SAR es que la primera infección por un patógeno cause una lesión necrótica.
La necrosis inducida puede ser el resultado de la muerte celular programada después del reconocimiento del patógeno en una interacción incompatible –donde se produjo una respuesta hipersensitiva (RH)– o de la muerte celular causada por la acción del patógeno en una interacción compatible.
La secuencia de eventos que permiten la respuesta sistémica comienza localmente en las células adyacentes a la respuesta hipersensible se observa el engrosamiento de las paredes celulares por incorporación de proteínas estructurales o lignina y la inducción de la síntesis de fitoalexinas .
3. OXILIPINAS
Grupo de compuestos biológicamente activos con diversidad estructural que se generan por la acción coordinada de lipasas, lipoxigenasas, y un grupo de citocromos P450 que se especializan en el metabolismo de los hidroperoxi ácidos grasos.
La oxidación y degradación controlada de ácidos grasos insaturados de 18 carbonos de longitud de cadena
Octadecanoides = oxilipinas.
La investigación sobre oxilipinas se ha centrado principalmente en la biosíntesis de la molécula de señalización de las plantas de ácido jasmónico, y su papel en la regulación de los procesos de desarrollo y la defensa.
La familia de los jasmonatos incluye el acido Jasmonico JA y su metil esterMetilJasmonato (MeJa)
Biosíntesis de oxilipinas en respuesta al
estrés ambiental y las señales de
desarrollo.
Biosíntesis de diferentes oxilipinas a través
de una vía que implica la liberación
mediada por lipasa de ácidos grasos
poliinsaturados (PUFA) de los lípidos
de membrana
la adición de lipoxigenasa-catalizada
del oxígeno molecular de PUFAs, y
el metabolismo posterior de los ácidos
grasos resultantes hidroperoxi acidos grasos
(AF) por varios sistemas enzimáticos.
4. BIOSINTESIS Y REGULACION DE
JASMONATOS
El ácido jasmónico (JA) es una molécula de naturaleza lipídica (oxilipina) que regula una gran variedad de procesos relacionados con el desarrollo en la planta
Juega un papel fundamental en la señalización de la respuesta a herida o ataque por Insectos
El contenido endógeno de JAs varía dependiendo del tejido y tipo celular, estadio de desarrollo de la planta y de los diferentes estímulos externos
BIOSINTESIS JASMONATOS
Los JAs se sintetizan a partir de la ruta de los octadecanoides
Esta ruta implica varios compartimentos subcelulares y consta de un elevado número de pasos
La biosíntesis de JA comienza con la liberación del ácido α-linolénico(αLA) desde las membranas del cloroplasto por la acción de fosfolipasas (PL) cloroplásticas.
En tomate y tabaco, la PL A2 aumenta su actividad en respuesta a herida o a infección vírica respectivamente
BIOSINTESIS DE JASMONATOS
Arabidopsis, la síntesis de JA puede ocurrir también
a través de la ruta de los hexadecanoides,
comenzando con ácidos grasos hexadecatrienoicos
(16C) que aumenta su nivel en respuesta a herida
Las 13-lipooxigenasas (13-LOX) cloroplasticas
producen la oxidacion del αLA (ácido linolénico)
generando el acido 13-(S)-hidroperoxido linolenico
BIOSINTESIS JASMONATOS
BIOSINTESIS DE JASMONATOS
El cis-(+)-OPDA, en forma libre o esterificada, es liberado desde el cloroplasto y transferido al peroxisoma a través del transportador de tipo ABC (ATP-binding-cassette) dependiente de ATP
El mutante cts1 presenta una reducción parcial de JA en respuesta a la herida, sugiriendo un transporte adicional del cis-(+)-OPDA o su ester con coenzima A (CoA) por transporte pasivo
Dentro del peroxisoma, se produce la reducción del cis-(+)-OPDA al correspondiente ácido 3-oxo-2(2´(Z)-pentenil)-ciclopentano-1-octanoico (OPC:8) por la enzima OPDA reductasa (OPR). Se han caracterizado enzimas OPR en varias especies vegetales
BIOSINTESIS DE JASMONATOS
Aunque en plantas existen muchas familias de LOX (lipooxigenasa) que dan lugar a una gran variedad de oxilipinas, en Arabidopsis, LOX2 es la unica enzima descrita cuya deficiencia produce una menor acumulacion de JA en respuesta a la herida
El gen AOS (Óxido de aleno sintasa) es de copia única en Arabidopsis y representa un paso limitante en la biosíntesis de JA. La deficiencia en este gen disminuye la acumulación de JA en respuesta a la herida y su expresión aumenta en respuesta a JA y herida en muchas especies de plantas
5. CONJUGADOS , MEJA Y AC.
JASMONICO
Una vez sintetizado, el JA es liberado al citoplasma donde puede ser modificado por glicosilación, metilación y aminoacilación. Muchos de los compuestos generados presentan actividad biológica
Existen evidencias de que el metil jasmonato (MeJA), el conjugado del JA con isoleucina y el precursor de JA, OPDA, son biológicamente activos.
También son activos otros productos derivados de los ácidos grasos.
CONJUGADOS , MEJA Y AC.
JASMONICO
MeJA: molécula de alta volatilidad, presenta la actividad biológica del ácido libre y puede difundir a partes distales de la planta a través del floema y xilema o por transporte aéreo
cis-jasmonato (cis-jasm) es un producto volátil implicado en defensa
Ácido tuberónico o 12-hidroxijasmonato (12-OH-JA) se ha relacionado recientemente con la supresión de las respuestas dependientes de JA
Conjugación del JA con aminoácidos, principalmente isoleucina (Ile), por la enzima JA-amido sintetasa
JASMONATE RESISTANT 1 (JAR1) es activa y da lugar a derivados con actividad similar al JA o MeJA, y se relaciona también con la defensa de las plantas
6. RESPUESTAS A HERIDA
Desde los años 90 se conocen la funciones reguladoras de los JAs en las respuestas a herida mecánica o causada por insectos o herbívoros y frente a patógenos.
Después de producirse una herida en la planta, se activa localmente la biosíntesis de prosistemina que a su vez estimula la síntesis de un péptido de 18 aminoácidos, la sistemina.
La acumulación de sistemina activa la síntesis de enzimas implicados en la ruta biosintética del JA, tales como la AOC (Allene oxide cyclase), produciéndose un aumento local en los niveles de JA
RESPUESTAS A HERIDA
La herida causada por insectos
origina una cascada de señalización
molecular
Producción de compuestos
implicados en la disuasión del insecto
Reparación del daño
Activación de resistencia
Este hecho implica la existencia de complejas redes de señalización molecular que son capaces de generar, transportar e interpretar las señales producidas por la interacción planta-insecto
RESPUESTAS A HERIDA
La ruta de señalización de JA tiene una función esencial en la activación de las respuestas de defensa frente a herida mecánica o causada por insectos o herbívoros
Se da la percepción de señales primarias en los tejidos dañados, la activación de canales iónicos en la membrana plasmática y la fosforilaciónreversible de proteínas.
Como consecuencia, se originan respuestas de tipo fisiológico, cambios en el metabolismo secundario y se genera una segunda ola de señales dirigidas a activar y propagar las respuestas de defensa
La respuesta a herida mediada por JA desencadena una respuesta defensiva por parte de la planta que puede ser indirecta (emisiones de compuestos volátiles) y directa (acumulación de proteínas de defensa y compuestos de bajo peso molecular)
RESPUESTAS A HERIDA
Interacciones entre las dos
principales cascadas de señales.
PR-1, proteínas relacionadas a la
patogénesis-tipo 1.
PIN, gen pin. (inhibidores de
proteasas )
1. Las hojas heridos de tomate sintetizan prosistemina (200aa)
2. Prosystemin procesada proteolíticamente para producir sistemina (18aa), la primera (y única hasta ahora) hormona polipeptídicadescubierto en las Plantas
3. Sistemina es liberada de las células dañadas en el apoplasto.
4. Sistemina se transporta fuera de la hoja herida vía floema.
5. En las células diana, sistemina puede unirse a un sitio en la membrana plasmática e iniciar la síntesis de ácido jasmónico que tiene efectos de gran alcance.
6. Ácido jasmónico finalmente activa la expresión de los genes que codifican para inhibidores de proteasa (PIN)
SISTEMINA
La sistemina se deriva de la región C-terminal de una proteína precursora de 200 aminoácidos llamada prosistemina.
Polipéptido de 18 aminoácidos del tomate, induce la expresión sistémica de cerca de
20 genes de defensa en respuesta
a herbivoría, metil jasmonato
(MeJA) y daño mecánico.
La sistemina activa la expresión de
los genes PI que codifican
inhibidores de proteinasas (PI)
RESPUESTAS A HERIDA
Además de la sistemina, otros compuestos y el propio JA, por un mecanismo de retroalimentación positiva, aumentan la síntesis de JA y la expresión de genes dependientes de esta hormona en respuesta a herida
Entre estos compuestos, los oligogalacturónidos (OGAs)derivados de las paredes celulares, el peróxido de hidrógeno (H2O2) y el Ca2+ actúan conjuntamente activando la expresión de genes PI (Inhibidores de proteinasas) (Estudios en Solanaceas)
Por el contrario, el SA y el óxido nítrico (NO) reprimen la expresión de estos genes en respuesta a herida
RESPUESTAS A HERIDA
Arabidopsis
reprimida a nivel local por la acción de Et
permanece totalmente activa a nivel sistémico
Solanaceas
ABA, Et, H2O2 y OGAs
Inducen la síntesis de JA y la expresión de genes dependientes de JA
La regulación de la vía dependiente de JA en respuesta a la
herida es diferente en Arabidopsis y en solanáceas.
Solanum lycopersicum
La herida activa a nivel local el procesamiento de la sistemina desde su precursor (prosistemina) que se localiza en células del parénquima floemático
Posteriormente, se une al receptor SR160 localizado en la membrana plasmática.
La percepción de la sistemina en la membrana activa la ruta de los octadecanoides por una señalización que implica la despolarización de la membrana, activación de MAP quinasas y aumento en los niveles de Ca2+ citosólico
El αLA ácido linolénico es liberado de las membranas cloroplásticas junto con un aumento de la expresión de los genes de biosíntesis dando lugar a la producción de JA en la zona dañada, principalmente asociada a tejido vascular
Arabidopsis sp
No está presente la sistemina
Existencia de un péptido similar que interviene en la señalización por herida y forma parte de la respuesta inmune innata (AtPep1-6)
Los primeros pasos de la herida en Arabidopsis tras la percepción de las señales primarias, implican la liberación de OGAs desde las paredes celulares activando una ruta de señalización que no está mediada por JA y que es responsable de la activación génica preferentemente en las zonas próximas a la herida
En Lycopersicumesculentum Mill. sistemina el principio se transcribe como una prohormona de 200 residuos de aminoácidos.
En las hojas de Tabaco Nicotianatabacum L. identificado un propéptido de 165 residuos con dos dominios de 18 residuos de cada uno (Sistema I y Sistema II) que mantienen la misma función que sisteminaen tomate
7. EFECTOS EN LOS HERBÍVOROS
El JA actúa como una señal sistémica que activa la expresión de genes que codifican inhibidores de proteasas (PINs), así como la acumulación de compuestos en las hojas, teniendo ambos efectos negativos en el desarrollo de herbívoros. Como consecuencia, la planta queda inmunizada frente a subsiguientes ataques de insectos.
PINs =PI
Entre las proteínas de defensa que se acumulan en tomate se han
encontrado PINs que degradan enzimas
digestivos en el tracto intestinal de insectos.
Además de los PINs, en tomate se inducen
por ataque de insectos otras proteínas
tales como aminopeptidasas de leucina,
deaminasas de treonina (TD) y arginasas),
que poseen también dicha actividad proteolítica
7. EFECTOS EN LOS HERBÍVOROS
Al bloquear la síntesis de proteasas intestinales (enzimas que rompen los enlaces
peptídicos de las proteínas) , frenan el crecimiento y provocan la muerte por ayuno. Los
inhibidores de proteasas bloquean las proteasas de serina, cisteína y aspartato, así
como a las metalocarboxipeptidasas
Algunos insectos recurren a estrategias diversas para eludir la defensa vegetal:
incrementan su actividad proteolítica, inducen enzimas proteolíticas insensibles a los
inhibidores de proteasas o expresan proteasas que degradan específicamente a los
inhibidores de proteasas producidos por las plantas y para las cuales no tiene
inhibidores.
Como resultado de la coevolución, los insectos herbívoros se han adaptado a las defensas
de las plantas.
Muchos insectos se hallan dotados para detoxificar metabolitos secundarios; para ello, se
sirven de monooxigenasas citocromo P450 y glutatión S-transferasas. Otros insectos
secuestran las defensas químicas de las plantas
8. INTERACCIONES REGULADORAS
ENTRE JA Y OTRAS HORMONAS
En este sentido, se han descrito interacciones tanto
positivas como negativas en complejas redes de
señalización activadas por JA, Et, SA, ABA y NO
(Óxido nítrico) conducentes a respuestas de
defensa coordinadas
El SA y el óxido nítrico (NO) reprimen la expresión de
estos genes en respuesta a herida
INTERACCIONES REGULADORAS
ENTRE JA Y OTRAS HORMONAS
ISR (resistencia sistémica inducida) está regulado por JA y ET.
Aunque no depende del SA, sí que requiere la acción de NPR1***, implicado en la activación de los genes PR característicos de la ruta del SA
Se ha descrito que la acumulación de ABA y la percepción de esta hormona es necesaria para la activación de la expresión de los genes PI en respuesta a herida, siendo la acumulación de ABA previa a la de JA
INTERACCIONES REGULADORAS
ENTRE JA Y OTRAS HORMONAS
Enfermedades, daños por insectos, y las respuestas del sistema de secado al estrés son, respectivamente, ácido (SA), ácido jasmónico (JA), el ácido abscísico(ABA) funcionará, pero estas señales son mutuamente control inhibitorio***.
Las plantas son necesarias para fortalecer la señal de acuerdo a las circunstancias del momento, para dar cabida a la tensión con eficacia.
INTERACCIONES REGULADORAS
ENTRE JA Y OTRAS HORMONAS
La emisión de etileno por tejidos vegetales dañados permite la activación sistémica de genes defensivos en tejidos sanos distantes de la zona dañada o de plantas alejadas que podrían estar expuestas al mismo agente invasor o herbívoro.
Los niveles elevados de salicilato inhiben la síntesis de ácido jasmónico y la capacidad de la planta para responder a las señales provenientes de una herida***.
Pero el ácido jasmónico bloquea la capacidad del ácido salicílico para producir proteínas inducidas por patógenos.
9. TRANSDUCCION Y MUTANTES
Los mutantes en la ruta de biosíntesis y de señalización del JA, han sido una herramienta muy valiosa para determinar las propiedades señalizadotas del JA y de sus compuestos relacionados, en Arabidopsis thaliana
Los análisis realizados con el mutante opr3, que no acumula JA pero si su precursor, el OPDA (Ácido 12-oxo-fitodienoico ), revelaron que la expresión de ciertos genes de respuesta a herida dependía exclusivamente de OPDA
Entre los estudios con mutantes de Arabidopsis afectados en la biosíntesis, en la percepción o en el modo de acción del JA, cabría destacar el hallazgo de coi1 (CORONATINE INSENSITIVE 1 (COI1) El mutante coi1 es totalmente insensible a JA y jar1(JASMONATE RESISTANT 1 (JAR1) )
COI1 codifica una proteína cuya secuencia parece indicar que podría funcionar promoviendo la degradación de un regulador negativo de la transducción de la señal del JA
JAZ: JASMONATE ZIM-DOMAIN
familia de represores
transcripcionales
MYC2: Factor de transcripción
COI1: CORONATINE INSENSITIVE
1 (COI1)
JAR1 (JASMONATE RESISTANT 1
SCF (SKP-culin-F-box) complejo
ubiquitin E3 ligasa de tipo SKP-
culina-F-box (SCF)
TRANSDUCCION Y MUTANTES
la señalización de JA entre COI1 y los genes de respuesta, interviene una familia de represores transcripcionales llamados JASMONATE ZIM-DOMAIN (JAZ).
Con niveles bajos de JA, la proteínas JAZ reprimen la expresión de los genes de respuesta temprana a JA por interacción directa con los FT (Factor de transcripción).
Las proteínas JAZ parecen estar implicadas en la defensa contra insectos y activan su expresión en respuesta a JA y herida
Niveles altos de JA promueven la unión de las proteínas JAZ con el complejo SCFCOI1, siendo ubiquitinadas para degradación por el complejo proteosoma 26 S y permitiendo por tanto, la derepresiónde los genes de respuesta a JAs *
TRANSDUCCION Y MUTANTES
El único FT descrito hasta ahora que interacciona con la familia JAZ, concretamente con JAZ3 y JAZ1, es MYC2.
MYC2 es un FT de tipo bHLH (basic helix-loop-helix) ampliamente caracterizado en la señalización por JA
El mutante jasmonate insensitive1(jai1)/jin1 deficiente en MYC2, presenta un fenotipo de insensibilidad a JA más débil que COI1 ya que MYC2 no interviene en todas las respuestas dependientes de JA
MYC2 también regula las respuestas a sequía dependientes de ABA
TRANSDUCCION Y MUTANTES
En las respuestas frente a patógenos necrotrofos y herida, ERF1 (ETHYLENE RESPONSE FACTOR ) y MYC2 actúan como integrantes de la interacción entre ambas hormonas, regulando de forma diferencial y opuesta la activación de genes pertenecientes a las dos ramas de señalización mediada por JA.
De esta forma, MYC2 activa la expresión de genes de respuesta a herida pero previene la inducción de genes de respuesta a patógenos necrotrofos y, por el contrario, ERF1 regula en modo opuesto a estos dos grupos de genes
El mutante mpk4 (MAP quinasa- MAP: Mitogen-activated protein)expresa constitutivamente la respuesta SAR, presenta una mayor resistencia a patógenos biotrofos virulentos y no puede activar la defensa mediada por JA y Et y por tanto, presenta una mayor susceptibilidad a patógenos necrotrofos
ÁCIDO GENTÍSICO (GA)
La comparación entre los extractos fenólicos de plantas control y plantas infectadas puso en evidencia la gran acumulación de un compuesto, diferente al SA, identificado por 1HNMR (Proton Nuclear Magnetice Resonance) como ácido gentísico (GA).
Todos estos resultados sugerían que el GA podría actuar como una molécula señalizadora, complementaria al SA, en la activación de las defensas en tomate.
Zacarés (2008) observo que el GA también se induce como consecuencia de infecciones no necrotizantes, en otras especies vegetales, como Gynura aurantiaca y Cucumis sativus, aunque, a diferencia de lo que ocurre en tomate, en estos casos, la acumulación de GA va acompañada de una considerable acumulación de SA
El hecho de que el GA induzca proteínas defensivas distintas del SA, junto con su poder antifúngico muy eficaz en plantas, sugiere que el GA podría actuar como una señal adicional al SA, en la activación de las defensas, en infecciones no necrotizantes.
10. CONCLUSIONES
JA Juega un papel fundamental en la señalización de la respuesta a herida o ataque por Insectos
Existen evidencias de que el metil jasmonato (MeJA), el conjugado del JA con isoleucina y el precursor de JA, OPDA, son biológicamente activos.
La acumulación de sistemina es fundamental en la respuesta a herida y por tanto en el aumento en los niveles de JA
genes PI que codifican inhibidores de proteinasas (PI) son la defensa contra herbivoros
10. CONCLUSIONES
El JA actúa como una señal sistémica que activa la expresión de genes que codifican inhibidores de proteasas (PINs = PI)
Por el contrario, el SA y el óxido nítrico (NO) reprimen la expresión de genes en respuesta a herida
La acumulación de ABA y la percepción de esta hormona es necesaria para la activación de la expresión de los genes PI en respuesta a herida, siendo la acumulación de ABA previa a la de JA
La emisión de etileno permite la activación sistémica de genes defensivos en tejidos sanos distantes de la zona dañada.
ISR: Resistencia Sistémica Inducida. Cepas no patogénicas y heridas causadas por herbívoros JASMONATOS Y ETILENO
SAR: Resistencia Sistémica Adquirida. Señal o mensaje que media la activación de reacciones defensivas de patógenos. ACIDO SALICÍLICO y PR (Proteínas Relacionadas con patogénesis)
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GRACIAS