iL8 Hoe planten omgaan met stress

Faculty of Science

Prof.dr. Michel Haring15 Januari 2016

Planten kunnen niet weglopen:experts in aanpassen aan de omgeving

Signalen:•Licht•Water/droogte•Zout / zware metalen•Schimmels, bacteriën, virussen•Insecten, nematoden, herbivoren

Fytohormonen reguleren plantontwikkeling

Fertilization and fruit formation

Seed dormancyEmbryogenesis

Fruit ripening

Germination

Flower development

Growth and branching

Hormonen verzorgen stress-reacties

Fertilization and fruit formation

Seed dormancyEmbryogenesis

Fruit ripening

Germination

Flower development

Growth and branching

Omdat plantenhormonen betrokken zijn bij normale ontwikkeling en omdat ze geactiveerd worden door stress, verstoren externe stress factoren vaak de normale ontwikkeling van planten: dwerg groei, vroege bloei, verlies vruvchten etc.

stress-reactiesverstoren ontwikkeling

Hormonen kunnen elders in de plant cellen / weefsels beïnvloeden

Hormonale signalen•Signaal voor cel 1•Synthese en uitscheiding hormoon•Transport•Perceptie•Respons van cel 2

1

2

Niet alle cellen hebben dezelfde receptoren.Daardoor kan een specifiek effect bereikt worden.

Specificiteit van hormonen wordt mede bepaald door de aanwezige receptoren

Fytohormonen: oud en nieuw

Auxin

Cytokinins Gibberellins

Abscisic Acid

Ethylene

BrassinosteroidsSalicylates Jasmonates

Strigolactones

9

Hoe gaan planten om met ziekteverwekkers (schimmels, bacteriën of virussen)?

Hoe gaan planten om met plantetende insecten (herbivoren) ?

Hoe gaan planten om met zout stress

Drie voorbeelden van stress voor planten

Hormonen die reageren op biotische stress

Bacteria, fungi, viruses – Biotrophic organisms

Herbivores – insects, other animals, fungi – Necrotrophic organismsSalicylic Acid

Jasmonates

Photo credits: A. Collmer, Cornell University; Salzbrot.

Jasmonaat Salicylaat

Transcriptionele responses

Hormonen induceren transcriptie van specifieke genen

1. Herkenning2. Hormonen3. Activatie4. Transcriptie5. Afweer-reactie

Afweersystemen van planten

12

Afweer van planten kan mechanisch of chemisch zijn.

De afweer kan constitutief zijn, dus altijd aanwezig;

De afweer kan geïnduceerd zijn, geactiveerd in reactie op vraat of vreemde stoffen.

13

Fysieke barrieres:

De epidermis en kurklagen beschermen het oppervlak; ze bevatten cutine, suberine en was. Dit maakt het moeilijk voor bacteriën en schimmels om door te dringen in het weefsel.

Sommige schimmels scheiden enzymen uit om dit af te breken.

Afweersystemen van planten

Als een schimmel de natuurlijke barrieres van een plant doorbreekt, hoe kan een plant zich dan verdedigen?

14

Meestal wordt het zieke deel afgestoten, zodat de ziekte zich niet verder kan verspreiden en groeit er een nieuw blad of tak.

Planten repareren beschadigd weefsel zelden (bomen wel).

Afweersystemen van planten

Voor een juiste afweer-reactie moet de plant de ziekteverwekker kunnen herkennen: Is het een schimmel?Is het een bacterie?Is het een virus?

15

Dit zijn ‘gezonde’ bladeren

16

lokale reactie op aanwezigheid schimmel:We noemen dit een overgevoeligheidsreactie

Hypersenstive response (HR)

Reactie op een schimmelinfectie:Peroxide productie

De hypersensitieve response sluit de infectieplek af

The HR kills the infected cells and cells surrounding them and prevents the pathogen from spreading.

HR

No HR

Without a hypersensitive response, the pathogen can multiply.

Drawing credit Credit: Nicolle Rager Fuller, National Science Foundation; Photo reprinted by permission of Macmillan Publishers Ltd. Pruitt, R.E., Bowman, J.L., and Grossniklaus, U. (2003) Plant genetics: a decade of integration. Nat. Genet. 33: 294 – 304.

18

Iedere plantencel kan ziekteverwekkers

herkennen aan specifieke signalen:EiwittenSuikers

Nucleinezuren

Iedere plantencel kan afweerstoffen produceren:

Gif-stoffenPR eiwitten

De moleculen uit de afweer

19

Als deel van de afweer geeft een cel een signaal

af aan andere cellen:Salicylzuur (aspirine)

De hele plant is nu beter bestand tegen infecties

Salicylzuur– plant hormoon en pijnstiller

Photo credit: Geaugagrrl

•Afweer tegen biotrofe pathogenen•Afweer inductie•Systemic acquired resistance (SAR)

Salicylzuur

Acetylsalicylaat- Aspirine

Salicylic acid is named for the willow Salix whose analgesic properties were known long before the chemical was isolated.

SAR: er is een mobiel signaal dat niet-geinfecteerde bladeren beschermt

This plant was pre-inoculated with TMV on the three bottom leaves. Seven days later two upper leaves were inoculated. The upper leaves show tiny lesions indicating an enhanced resistance response

Reprinted from Ross, A.F. (1961). Systemic acquired resistance induced by localized virus infections in plants. Virology 14: 340-358 with permission from Elsevier.

The bottom leaves of this plant were not pre-inoculated with TMV and shows large lesions upon TMV inoculation

This experiment demonstrates

systemic signaling

Salicylaten dragen bij aan systemische resistentie SAR

SA

SA SAR

MeSA

MeSA

MeSA

SA is necessary in systemic tissue for SAR, but the nature of the mobile signal(s) is still up in the air

It is likely that multiple signals contribute to SAR

Synthese van SA is nodig voor de afweer response

Reprinted from Métraux, J.P. (2002) Recent breakthroughs in the study of salicylic acid biosynthesis. Trends Plant Sci. 7: 332-334, with permission from Elsevier. Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd. Wildermuth, M.C., Dewdney, J., Wu, G., and Ausubel, F.M. (2001). Isochorismate synthase is required to synthesize salicylic acid for plant defence. Nature 414: 562-565 copyright 2001.

Control +Pathogen

Isochorismate synthase (ICS) is

induced by pathogen infection

SA accumulation induces PATHOGENESIS RELATED (PR) and other defense genes

24

Signaal / receptor modelVerklaart herkenning

signaal receptor

Herkenning = Resistentie

Receptor = Resistentie Gen van de plant

Algemene pathogeen signalen:PAMPs

SA

PAD4 / EDS1

ICS1NPR1

NPR1

1. PAMPs herkend door receptorPRRs

2. Activatie ICS1 en SA synthese

3. NPR1 transcriptie factor naar de kern

Effectoren interfereren met herkenning:vatbaarheid

SA

NPR1

NPR1

effector

Resistentie-eiwit

4. Herkenning van effectoren door R-eiwitten toename SA synthese

Specifieke pathogeen signalen:effectoren

27

Signaal / receptor modelVerklaart herkenning

signaal receptor

Herkenning = Resistentie

Receptor = Resistentie Gen van de plant

Plantenveredeling gebruiken om resistente rassen te krijgen

28

Voorbeeld: iepziekte-resistentie

SA doet meer dan alleen afweer

Rivas-San Vicente, M. and Plasencia, J. (2011) Salicylic acid beyond defence: its role in plant growth and development. J. Exp. Bot. 62: 3321-3338, by permission of Oxford University Press.

SA speelt een rol bij zaadkieming, bloei en veroudering

Hormonen die reageren op biotische stress

Bacteria, fungi, viruses – Biotrophic organisms

Herbivores – insects, other animals, fungi – Necrotrophic organismsSalicylic Acid

Jasmonates

Photo credits: A. Collmer, Cornell University; Salzbrot.

Jasmonaten

• Tegen necrotrofe pathogenen• Inductie van anti-herbivooor responsen• Productie van geurstoffen die andere weefsels activeren en body-guard insecten aantrekken

Like other esters, methyl jasmonate smells good – it is the dominant scent from jasmine flowers

“Jasmonate de méthyle”

O

CH2COOCH3

JA biosynthesis

JA-ILE

JAR1

Cytoplasm

conjugation

JA conjugated to isoleucine (JA-ILE) is the active compound.

From Acosta, I., et al. (2009) tasselseed1 is a lipoxygenase affecting jasmonic acid signaling in sex determination of maize. Science 323: 262 – 265. Reprinted with permission from AAAS.

33

signalen van de herbivoor zitten in het speeksel:Kleine eiwitten

Remmers gifstoffen signalen

Signaal voor andere cellen:

jasmonzuur (JA)

Zonder jasmonaat zijn planten weerloos

McConn, M., et al. (1997) Jasmonate is essential for insect defense in Arabidopsis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94: 5473-5477.

WT Mutant zonder JA

When exposed to hungry fly larvae, plants unable to produce JA have low rates of survival.

35

Een van deze twee tomatenplanten kan GEEN jasmonzuur

maken.

Op iedere plant zijn 10 rupsen gezet en na drie dagen zijn de rupsen verzameld

Welke plant kan GEEN jasmonzuur maken?

Jasmonaat induceert anti-herbivoor chemicalien

Wond-geinduceerde signalenInsect orale secreties (speeksel)

Protease inhibitorsFeeding deterants

R.J. Reynolds Tobacco Company Slide Set and R.J. Reynolds Tobacco Company, Bugworld.org

Jasmonaat verzorgt een systemisch signaal

Afweer reacties worden geactiveerd in andere delen

Jasomonaat is nodig voor communicatie tussen planten

Herbivore-induced volatiles prime other tissues (and other plants) for attack making them unpalatable (indicated in red).

Reprinted from Matsui, K. (2006) Green leaf volatiles: hydroperoxide lyase pathway of oxylipin metabolism. Curr. Opin. Plant Biol. 9: 274-280, with permission from Elsevier.

39

Hoe gaat de afweer tegen insecten ?

40

Klierhaartjes met geur- en gifstoffen

Klierhaartjes (trichomen) op blad en stengel zijn chemisch fabriekjes:Afweerstoffen tegen insecten, geur en smaak eigenschappen kruiden

41

Het doorknippen van latex kanalen.

Hierdoor kan de plant niet overal deze giftige stof transporteren en kan het insect gericht delen van de plant opeten.

Ontwapenen van de afweer van een plant:

Planten gebruiken geurstoffen als noodsignaal

plant

Planteneter Parasiet / Predator

Biologische systemen:Tritrofe interacties

Verwonding ; soortspecifieke signalen, JA

Prooi-localisatie

gifstoffen

geurstoffenINDIRECTE AFWEER

Maiskever

Nematode die larven parasiteert

Meerkeuze opzet voor nematodenDoor larven verwonde planten trekken nematode aan met geurstof (beta caryophylleen)

Planten gebruiken geurstoffen als noodsignaal

mais

keverlarve nematode

Biologische systemen:Tritrofe interacties

Verwonding ; soortspecifieke signalen

geurstoffen

Prooi-localisatie

gifstoffen

Planten gebruiken geurstoffen als noodsignaal

Spintmijten kunnen een tomatenplant zwaar beschadigen

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Day 4 (2)

Day 4 (1)

Day 3 (2)

Day 3 (1)

Fraction of predatory mites

*

*

Infested plantsNo choiceUninfested plants

Roofmijten gaan op de geur van planten met spintmijten af

47

Hoe verdedigen planten zich tegenziekteverwekkers (schimmels, bacteriën of virussen)?

Hoe verdedigen planten zich tegen plantetende insecten (herbivoren) ?

Door herkenning van de “vijand” en door een gerichte productie van afweerstoffen. Voor schimmels is salicylzuur een belangrijk onderdeel van de afweer, tegen insecten wordt jasmonzuur gebruikt.

Cross-talk tussen afweersystemen

Jasmonates Salicylates

Er is wederzijdse beïnvloeding (remming) van de SA en JA systemen

PRIORITEIT?

Prioritering van stress responses

Pathogens (biotrophs)

Biotic stress

SA ABA

Stress-response genes

SA-response genes

Lorenzo, O., Chico, J.M., Sanchez-Serrano, J.J., and Solano, R. (2004) JASMONATE-INSENSITIVE1 encodes a MYC transcription factor essential to discriminate between different jasmonate-regulated defense responses in Arabidopsis. Plant Cell 16: 1938-1950. Robert-Seilaniantz, A., Grant, M., Jones, J.D.G. (2011). Hormone crosstalk in plant disease and defense: More than just JASMONATE-SALICYLATE antagonism. Annu. Rev. Phytopathol. 49: 317–343.

Netwerk van hormoonsignalen

Reprinted from Robert-Seilaniantz, A., Navarro, L., Bari, R., and Jones, J.D.G. (2007). Pathological hormone imbalances. Curr. Opin. Plant Biol. 10: 372–379. with permission from Elsevier.

The art of being flexible

Christa Testerink

Zout stress en tolerantie

Responsen van planten op zout stress

- Osmotische aanpassingen- Activatie van ionenkanalen- Transport / opslag zout

Welke moleculaire mechanismes zijn betrokken bij de veranderingen in de wortel architectuur tijdens zout stress ?

Droogte en zout stress

Nutrient imbalans

Groei en opbrengst

-Morfologische veranderingen in het wortel systeem

Verzilting is wereldwijd een probleem

Tuning plant signaling and growth to survive salt

Julkowska and Testerink, Trends in Plant Science, 2015Video Abstract (2 min) https://youtu.be/iNW_Tpfkoog

Plasmolyse: eerste reactie op teveel zout

Ook in cellen die plasmolyseren blijft de

plasmamembraan aan de celwand vast zitten:

Hechtiaanse strengen

NaCl

Membraan eiwitten; sensors?

Membraan-binding

Activatie

Rol in wortelgroei

Zout stress

Localisatie

McLoughlin et al., 2012 PJJulkowska, McLoughlin et al., 2014 PCE

Zout stress begint aan het membraan

GrowthMR

GrowthaLR

IncreaseLR#

MR length = MRLSTART + GrowthMR x t2

Average LR length = GrowthaLR x t2

LR # = GrowthLR# x t2

LR le

ngth

xTR

S+

Julkowska et al., Plant Physiology, 2014

ROOT-FIT

Dynamiek van de wortelgroei kan in eenvoudige formules gevat worden

Julkowska et al., Plant Physiology, 2014; Julkowska et al., unpublished

Natuurlijke variatie in zout stress responsen

4 types zout respons

Control

24 hrs 48 hrs 72 hrs 24 hrs 48 hrs 72 hrs

400 mM Mannitol

24 hrs 48 hrs 72 hrs

150 mMNaCl

250 mM NaCl

24 hrs 48 hrs 72 hrs

HALOTROPISME: de wortel groeit weg van zout !!

Galvan-Ampudia et al. Curr Biol 2013

HALOTROPISME: de wortel groeit weg van zout !!

Halotropisme in gewassen in de grond

Halotropisme is auxine afhankelijk

0.5 hrs 2 hrs 4 hrs0 hrs

DII- Venus: fluorescentie

verdwijnt als er veel auxine is

Met dank aan:Robert SchuurinkMerijn KantChrista Testerinken:

62

63

http://gls.uva.nlWebsite:

64

http://www.itsacademy.nl/

65

http://amsterdamscience.org/