Septoria i hvede forsvarsreaktioner Hans Jørgen Lyngs Jørgensen Københavns Universitet Det Biovidenskabelige Fakultet Institut for Plantebiologi og Bioteknologi Sektion for Plantepatologi Dias 1
Oversigt Hvorfor er det vigtigt at studere forsvarsreaktioner? Biologi for S. tritici Forsvarsreaktioner i hvede-s. tritici systemet Eksempel på forsvarsreaktion: H 2 O 2 (brintoverilte) Konklusion og perspektiver Dias 2
Hvorfor er det vigtigt at vide noget om forsvarsreaktioner i planter? Resistens er den mest miljøskånsomme måde at bekæmpe sygdomme på. Nødvendigt at forstå samspillet mellem vært og patogen (kend din fjende!). Flere resistensgener kendes, men deres effekt på svampen kendes ikke. Vigtigt at kunne vælge resistenskilder, som hæmmer svamp tidligt i infektionsforløbet så omfattende skader undgås. Muligt at kombinere forskellige resistensmekanismer så nedbrydning af resistens forsinkes. Forståelse af samspil: kan danne grundlag for bedre udnyttelse af resistensgener Dias 3
Hvede S. tritici systemet Patogen: Septoria tritici (ukønnet stadium) Mycosphaerella graminicola (kønnet stadium) Modtagelig: Sevin-isolat IPO323 Resistent: Stakado-isolat IPO323 Sevin sprøjtet med vand Sevin smittet med S. tritici Stakado sprøjtet med vand Symptomer 15 dage efter smitte (DES) Stakado smittet med S. tritici Dias 4
Biologi for S. tritici S. tritici er et hemibiotroft patogen: Først en biotrof fase (ingen symptomer, latenstid) Dernæst en nekrotrof fase (symptomer fremkommer og pyknider udvikles) Biotroft stadium varer indtil ca. 11 dage efter smitte (DES) Nekrotroft stadium starter 11 DES, og pyknider ses 15 DES Dias 5
Infektion Sevin (M) A, D-F: Scanning elektronmikroskopi B-C: Lysmikroskopi A B A & B: Indtrængning gennem spalteåbning (5 DES). C: Forsøg på direkte indtrængning (5 DES). D: Inde i bladet, 5 DES E: Inde i bladet, 15 DES. F: Pyknide med sporer 15 DES. C D E F Målestok = 20 µm Dias 6
Mange forskellige forsvarsreaktioner i hvede mod S. tritici PR-proteiner (kan bl.a. nedbryde svampens cellevægge) Callose (fysisk barriere for stoffer frigivet fra svamp) H 2 O 2 akkumulering (gennemgås i detaljer) Callose omkring spalteåbning i Stakado (R) 5 dage efter smitte Dias 7
The oxidative burst Første forsvarsreaktion i planten Reaktive iltforbindelser: hydroxyl radikal, superoxid, H 2 O 2 (brintoverilte) Mange roller i planter: Direkte hæmmende effekt Cellevægsforstærkninger Hypersensitiv celledød (HR) Signalmolekyler Aktivering af forsvarsrelaterede gener (f.x. PR-proteiner) Dogme: Biotrofe patogener hæmmes af reaktive iltforbindelser Nekrotrofe patogener udnytter reaktive iltforbindelser Dias 8
Procent bladceller med H 2 O 2 efter smitte med S. tritici. Tidspunkt (dage efter smitte) Stakado (R) Sevin (M) 1 0,7 0,1 ** 3 1,4 0,4 ** 5 3,5 1,1 *** 7 2,2 0,4 *** 9 4,4 0,1 *** 11 4,3 0,2 *** 13 4,0 79,5 *** 15 2,3 81,1 *** Statistisk forskel Dias 9 blade farvet med Diaminobenzidin *** signifikant (P 0.001), ** signifikant (P 0.01).
Lysmikroskopi af H 2 O 2 A. Stakado (R) 1 dag efter smitte (DES). H 2 O 2 i bladets overhud. B. Stakado (R) 5 DES. Forsøg på direkte indtrængning. C. & D. Stakado (R) 5 (C) og 7 (D) DES. H 2 O 2 i cellemellemrum i overhuden og nede i blad. E. Stakado (R) 7 DES. H 2 O 2 i og omkring hyfe nede i blad. F. Sevin (M) 7 DES. H 2 O 2 nede i blad. G. & H. Sevin (M) 15 DES. Store mængder H 2 O 2. Blade farvet med Diaminobenzidin A C E B D F Dias 10 Målestok = 20 µm G H
Infiltreringsforsøg: H 2 O 2 vigtig for resistens Tidlige infiltreringer (3 gange) med: Katalase: Nedbryder H 2 O 2. Øget svampevækst i Sevin (M) og Stakado (R). Symptomer fremkommer hurtigere i Sevin (M). Ingen symptomer i Stakado (R). Sevin (M): Symptomer 13 dage efter smitte efter infiltrering af: H 2 O 2 : Resistensfaktor. Katalase Hæmmet svampevækst i Sevin (M) og Stakado (R). Symptomer udvikles senere i Sevin (M). Vand: Kontrol. H 2 O 2 Dias 11 Vand
Vækst af S. tritici i Sevin (M) efter tidlige infiltreringer af katalase, H 2 O 2 eller vand Procent S. tritici sporer der giver indtrængning efter tidlige infiltreringer af H 2 O 2, katalase eller vand Behandling Stakado (R) % Forskel til vand Sevin (M) % Forskel til vand Katalase 27,5 *** 23,3 *** H 2 O 2 2,3 *** 6,0 NS Vand 8,5-6,8 - Sevin (M): Mikroskopi 13 dage efter smitte efter infiltrering af: Katalase ***: signifikant (P 0.001), NS: ikke-signifikant forskel H 2 O 2 Dias 12 Ps: pyknidesporer Py: pyknide Hy: hyfer Pi: pyknideforstadium Vand
Kan fjernelse af H 2 O 2 under de sene stadier af infektionen øge resistens i hvede? Hypotese: Fjernelse af H 2 O 2 (vha. katalase) under den nekrotrofe vækst vil gøre planterne resistente da nekrotrofe patogener bruger H 2 O 2 under deres infektion af værten. Infiltrering af katalase, H 2 O 2 og vand under de sene stadier af infektionen (3 gange). Dias 13
Procent spalteåbninger i Sevin (M) med vækst af S. tritici 15 dage efter smitte efter sene infiltreringer af H 2 O 2, katalase eller vand Hyfevækst Behandling % Forskel til vand Pyknideforstadier % Forskel til vand Fuldt udviklede pyknider % Forskel til vand Katalase 30,6 NS 4,1 * 3,8 *** H 2 O 2 9,0 NS 1,0 NS 0,1 NS Vand 17,7-0,1-0,1 - ***: signifikant (P 0,001), *: signifikant (P 0,05), NS: ikke-signifikant forskel Dias 14
Konklusioner om H 2 O 2 H 2 O 2 hæmmer S. tritici under den biotrofe fase. H 2 O 2 hæmmer også S. tritici under den nekrotrofe fase selvom svampen kan tåle det. Dias 15
Perspektiver H 2 O 2 kan ikke bruges som bekæmpelsesmiddel Vi er begyndt at forstå svampens samspil med hvede Arbejde med PR-proteiner Studier of muligt toxin produceret af svampen (vigtigt for udvikling af symptomer) Se på forskellige resistenskilder og deres udtryk Dias 16
Personer involveret KU-LIFE, København PRI, Wageningen, Holland Nandini P. Shetty Hans J. L. Jørgensen Jens D. Jensen Maria A. Petersen Henrik Lütken Anna Haldrup David B. Collinge Rahim Mehrabi Gert H.J. Kema Dias 17