Stresszfiziológia.

Az előadások a következő témára: "Stresszfiziológia."— Előadás másolata:

1 Stresszfiziológia

2 A fizikai stresszkoncepció alkalmazása növényekre
J. Lewitt: Responses of Plants to Environmental Stresses (1972.) A stressz fizikai értelmezése: - Newton mozgástörvényei alapján Erő-ellenerő, akció-reakció - Stressz (erő/felület) Strain, hatás egy testre: deformáció (alakváltozás) - Stressz / deformáció= M (elaszticitási modulus) Elasztikus deformáció: reverzibilis Plasztikus deformáció: irreverzibilis

3 A stressz anyagcsere terhelés
A stressz biológiai értelmezése a fizikai analógiájaként: - Külső faktor (stresszor) hatása az organizmusra (erő, nyomás, pH a saját mértékegységeivel) - Deformáció: bármilyen fizikai vagy kémiai változás Elasztikus változás : reverzibilis Plasztikus változás: irreverzibilis - Elaszticitási modulus: intenzitás/mennyiségi változás Plaszticitási modulus: intenzitás/standard irreverzibilis változás - Növényi rendszerben a plasztikus deformáció reparálható. - Az élő szervezet adaptálódhat. - Időfaktor. - Specifikus és aspecifikus reakciók.

4 Az általános adaptációs szindróma Selye János: The Stress of Life (1956) Életünk és a stressz (Bp. Akadémiai Kiadó, 1966) Stressz: fajlagos tünetcsoportban megnyilvánuló állapot, mely magában foglal minden nem-fajlagosan előidézett elváltozást. Stresszor: bármely faktor, amely a stresszt okozza

5 Selye János (1936., 1956.) A stressz a szervezet túlterhelt, túlerőltetett állapota, a test aspecifikus reakciója mindenfajta igénybevétellel szemben. Larcher (1987.) A stressz egy olyan terheléses állapot, amelyben a növénnyel szembeni fokozott igénybevétel a funkciók kezdeti destabilizációját követően egy normalizálódáson át az ellenállóság fokozódásához vezet, majd a tűréshatár túllépésekor tartós károsodást vagy akár pusztulást is okoz.

6 Az általános adaptációs szindróma alkalmazása növényekre

7 A növényi stresszorok Természeti Biotikus Antropogén
erős fény baktériumok légszennyezők szárazság gombák savas esők hőség vírusok nehézfémek UV-A, UV-B rovarok herbicidek sebzés, növényevő állatok alacsony hőmérséklet tápanyaghiány

8 Külső szignál Anyagcsereválasz Génexpresszió
szignálpercepció szignáltranszdukció Anyagcsereválasz Génexpresszió Anyagcsere fluxusok újraállítása, új egyensúlyok, stresszhormonok szintézise Stresszproteinek, kompatibilis ozmotikumok, növényi antibiotikumok szintézise

9 Akklimatizáció (a.) és adaptáció (b.)
a./ Nagy fenotípusos plaszticitású fajok: a növény tud akklimatizálódni az egyedfejlődés folyamán jelentkező stresszhatásokhoz b./ Kis fenotípusos plaszticitású fajok: a növény az erőteljes stresszhatásra elpusztulhat, és csak egyes (megfelelő genotípusú) egyedek élik túl a stresszt: szelekció nemzedékek során

10 Széles fenotípusos plaszticitású növény: az Arabidopsis válasza hidegstresszre

11 A vízhiány

12 A szárazságtűrés mechanizmusai
A vízpotenciál csökkenésének megelőzése ( a szövetek hidratáltságának fenntartása szárazságstressz alatt) A vízvesztés minimálisra csökkentése A vízfelvétel fenntartása (vízpazarlók) Az alacsony vízpotenciál tolerálása A száraz időszak elkerülése: rövid tenyészidő

13 1. típus: A deszikkációt elkerülő stratégia
A./ Fa alakú kaktusz Galapagoszról; B./ Fű fa Ausztráliából

14 1. típus: A növények egy része állandó vízpotenciál mellett éli át a száraz periódust: a növény mindenáron vízhez jut, vízpazarló stratégia C./ Statice gmelini (sós talajon), Prosopis (sivatagban)

15 Prosopis glandulosa

16 Kontroll Szárazságstressznek kitett 2. típus: a növények szárazság hatására elvesztik eredeti vízpotenciáljukat, elviselik az alacsony vízpotenciál értéket, majd akklimatizálódnak hozzá

17 3. típus: A stresszor, a szárazság elkerülése: (escape), felgyorsult, vízhez kötött életciklus, efemer sivatagi növények

18 A szárazság hatására bekövetkező válaszok sorozata:
Korai válasz, első védelmi vonal: a sztómazáródás és a levélfelület csökkenése Második védelmi vonal: fokozott gyökérnövekedés Metabolikus és hormonális változások. Az abszcizinsav szintézisének fokozódását követően a hormon által indukált és egyéb génexpressziós változások jelentik a harmadik védelmi vonalat (kompatibilis ozmotikumok, prolin, glicin betain, mannitol szintézise, védőfehérjék, LEA proteinek szintézise).

19 Első védelmi vonal: a levélfelület csökkenése
Y tengely: a levélfelület növekedési sebessége Vízstressz nélkül Vízstresszelt növény GR=növekedési sebesség, m=sejtfal extenzibilitás, ψp=turgornyomás, Y=küszöbturgor

20 A lokális és az általános adaptációs szindróma növényeknél
ABS száraz öntözött

21 Első védelmi vonal: a levélfelület csökkenése és sztómazáródás
1. A fény hatására a sztróma lúgosodik 3. A disszociálatlan ABSH szabadon kidiffundál a plasztiszból a citoszolba 2. Az lúgos kémhatású sztrómában az ABSH disszociál 4. Az ABS- anionra a membrán impermeábilis Hidropasszív sztómazáródás: követi a vízvesztést; Hidroaktív sztómazáródás: hormonok (ABS; indolecetsav) és egyéb tényezők által szabályozott

22 Szabályozó faktorok: Nyit → fény (elsősorban a kék hullámhossz tartomány), kis széndioxid koncentráció, átlagos hőmérséklet, elegendő víz, indolecetsav hormon Zár → sötétség , nagy széndioxid koncentráció, szélsőséges hőmérséklet, vízhiány, abszcizinsav hormon

23 Harmadik védelmi vonal, metabolikus és génexpressziós változások: a fotoszintézis a levélfelület csökkenését követően jóval később, kisebb vízpotenciálnál csökken

24 Harmadik védelmi vonal, metabolikus és génexpressziós változások: a floémtranszport még kevésbé érzékeny a vízpotenciál csökkenésre

25 A szárazság és az abszcizinsav-indukált génexpressziós változások
Kompatibilis ozmotikumok szintézisének kulcsenzimei pl. prolinbioszintézis, Δ1-pirrolin-5-karboxilát szintáz Aquaporinok, vízcsatorna proteinek LEA (late embryogenesis abundant protein) pl. HVA1, chaperonok vagy hidrofil, vízkötő fehérjék) (DREB=dehydration response element binding factor)

26 A sóstressz

27 A tengervíz és az öntözővíz tulajdonságai

28 Definíciók Sóstressz: olyan sókoncentrációt jelent, amely egy tipikus termesztett növény optimális növekedéséhez szükséges koncentrációnál nagyobb (25 mM Na +< ) Szodicitás, szalinitás: szodicitásról akkor beszélünk, ha a Na+ ion a talaj kationcserélő kapacitásának 15%-ánál nagyobb részét foglalja el Óceánok: az óceánok vizében a Na+ koncentrációja ~460 mM, a Cl- 540 mM. A talaj szalinitását Na2SO4 és CaCl2 is okozhatja.

29 Sóstressznek kitett rizs növények

30 I. Halofiták: jól növekednek 200-500 mM NaCl-on
I.A. Euhalofiták – fakultatív halofiták, azok a genotípusok, amelyek sót igényelnek az optimális növekedéshez; Suaeda maritima, Atriplex nummularia I.B. Miohalofiták – képesek magas sókoncentráción növekedni, de a só gátolja növekedésüket; Atriplex hastata, Spartina townsendii, cukorrépa Az obligát halofiták elsődlegesen a sós vizekben élő cianobaktériumok és algák között találhatók. II. Halofiták és egyes glikofiták – 200 mM NaCl-on jelentős növekedéscsökkenés, ilyenek a gyapot, árpa, paradicsom, bab, szója. III. Erősen sószenzitív glikofiták – a sóstressz hiperozmotikus stresszt és ionegyensúly felbomlást okoz (avokado, gyümölcsfák)

31 Halofita növények: optimális növekedésükhöz magas sókoncentráció szükséges
Sótoleráns növények, tolerálják a sót, de növekedésük gátolt Halofiták és nem-halofiták, sómirigyek nincsenek, bizonyos mértékű tolerancia növekedésgátlással Glikofiták, szenzitívek

32 Atriplex nummularia Salicornia Suaeda maritima

33 Primér hatások: - vízhiány (ozmotikus stressz) - ionegyensúly felborulása; a Na+ gyorsan belép a sejtbe. A Na+ citotoxikus, a K+ esszenciális. A Ca2+ feleslege a karrier K+/Na+ szelektivitását befolyásolja. Másodlagos hatások Csökkent sejtmegnyúlás, asszimilátum produkció – az akklimatizáció során csökken a sejtmegnyúlás sebessége, ami hat a fotoszintetikus termékek produkciójára A fotoszintézis hatékonysága csökken – a szénmetabolizmus és a fotofoszforiláció sóérzékeny

34 Másodlagos hatások, folytatás
Csökkent citoszolikus metabolikus folyamatok – a halofiták és glikofiták citoszolikus enzimei egyenlő mértékben érzékenyek a NaCl-ra. Reaktív oxigénformák (ROS) keletkezése -az elektrontranszport folyamatok túl gyorsak az aktuális elektronakceptor visszaoxidálódásához képest (fotoszintézis, fotorespiráció, mitokondriális elektrontranszport) Sejthalál –membrándestrukció, fehérjék oxidációja, enzimek inaktiválódása és RNS/DNS károsodás

35 A Na+ túl magas koncentrációi a citoplazmában közvetlenül dehidrálják a fehérjéket.
A kompatibilis ozmotikum, a prolin ezt megakadályozza.

36 Distichlis spicata halofita növény sómirigye (a
Distichlis spicata halofita növény sómirigye (a.), és sókristályok megjelenése a levélen (b., c.) b./ c./ a./

37 Az ozmotikus adaptáció és az ionok kompartmentalizációja
A Na+ és Cl- ionok a vakuólumba kerülnek A kompatibilis ozmotikumok a sejtszervecskékbe A sejttérfogat akár szorosára is nőhet a vakuólum méretének a növekedése következtében

38 A sótolerancia biokémiai markerei: kompatibilis ozmotikumok
Oldható cukrok: a glikofitáknál az ozmotikus adaptáció 50%-áért felelősek. A toleránsak rendszerint többet akkumulálnak. Oldható proteinek: az ozmotikus adaptációban is szerepet játszhatnak. Aminosavak és amidok: alanin, arginin, glicin, szerin, prolin, citrullin, ornitin, glutamin, aszparagin. A prolin gyakran akkumulálódik, lehet tünet is. Kérdéses a szerepe az ozmoregulációban. Poliolok: mannitol, szorbitol, ononitol, pinitol

39 A glicin-betain, egy sóstressz hatására szintetizálódó kompatibilis ozmotikum nem a vakuólumban, hanem a citoplazmában és kloroplasztiszban kompartmentizálódik

40 A hőmérsékleti stressz
- fagyáspont fölötti alacsony hőmérséklet fagyáspont alatti hőmérséklet magas hőmérséklet

41 A hideg és meleg éghajlatú területről származó fajok eltérően reagálnak a hőmérséklet emelésére
A./ Tidestromia oblongifolia, Death Valley, California, meleg élőhely B./ Atriplex sabulosa, ÉNY California, hűvös élőhely Genetikailag rögzült hőtolerancia ill. szenzitivitás A Tidestromia fotoszintézise, légzése és membránjai (elektrolit kieresztése) is kevésbé érzékeny a hőmérséklet emelkedésére.

42 Néhány faj hőérzékenysége
A magas hőmérséklet a membránok stabilitását szünteti meg (a folyadékkristályos szerkezet „megolvad”. Enzimaktivitásokra hat. Védekezés: hősokk proteinek (HSP)

43 A hősokk proteinek típusai, hő hatására indukálódnak
Kis molekulasúlyúak: (10-30kDa): az aggregálódott, térszerkezetét elvesztett proteinekhez kötődnek és lehetővé teszik, hogy a nagy molekulasúlyú HSP-k, mint molekuláris chaperonok (dajka proteinek) helyreállítsák azok térszerkezetét. Nagy mólsúlyú HSP-k ( kDa) molekuláris chaperonok, ATP hidrolizáló aktivitásuk van, kijavítják a sérült fehérjéket.

44 Alacsony hőmérsékleti stressz
---fagyáspont fölötti (chilling) érzékenység/károsodás * a sejtmembrán szerkezetében reverzibilis változások * függ a membrán lipidek zsírsav telítettségétől * folyadék-kristályos → gél állapot közötti átváltozás tranzíciós hőmérséklet, Tt

45 Membránalkotó lipidek

46 A membránszerkezet folyadékkristályos – gél tranzíciójának következménye a membrán-integráns ATPáz aktivitására termofil és hidegtűrő növények esetében Rizs Kukorica Búza

47 Zsírsavösszetétel alakulása a hidegérzékeny és hidegre nem érzékeny fajban

48 Fagypont alatti hőmérsékletek

49 Elsődleges esemény: membránkárosodás, dehidráció
jég keletkezése az apoplasztban: a jég -ja alacsonyabb, mint a vízé; a víz a -en „mentén", az apoplasztba vándorol; (-10 C-on a víz 90%-a a sejten kívül van!) fagyás indukált dehidráció, nagyon erős vízhiány a membrán lipidek fázisváltozása

50 A túlhűlés A: túlhűlés B-C: az apoplaszt megfagyása C-D: túlhűlés
D-E: az egyes sejtek megfagyása

51 A hidegakklimatizáció folyamata
Gyors és átmeneti ABS koncentráció növekedés lipid összetétel változása szaharóz, stb. akkumuláció hidrofil, LEA típusú polipeptidek szintézise egyéb faktorok: a keletkezett reaktív oxigén gyökök eliminálása protein denaturáció helyreállítása (chaperonok indukciója)

52 Fagytolerancia gének Poligenikus, kevés additív hatással
Vizsgálata: hidegindukcióval megjelenő gének azonosítása, mutánsok izolálása Hideg indukálta gének enzimek, pl. FAD8 (Arabidopsis), zsírsav deszaturáz (Fatty Acid Desaturase) Chaperonok, hsp70 (spenót) Jelátvitelben szerepet játszó és reguláló proteinek: MAP kináz, MAPKKináz

53 Akklimatizáció fiziológiai szinten
edzés (akklimatizáció): a membrán stabilitása megnövekszik (tranzíciós hőmérséklet) prolin akkumuláció az első napokban 24 órás ABA tranziens szénhidrát akkumuláció telítetlen zsírsavak részaránya megnövekszik