عنوان :

مقاله پروتئین های مرتبط با بیماریزایی

تعداد صفحات : ۷۲

نوع فایل : ورد و قابل ویرایش

چکیده

در این مقاله درباره پروتئین های مرتبط با بیماری زایی ، عامل بیماری و اساس ژنتیکی دفاع گیاهی و ژن های مقاومت توضیح داده می شود.گیاهان عالی در جریان تکامل و سازگاری با فشار عوامل بیماری در محیط ، دیوار سلولی ضخیمی متشکل از سلولز، پکتین ، لگنین و غیره توسعه داده اند که به عنوان مانع فیزیکی در برابر عوامل بیماری مهاجم عمل می نماید . دومین مکانیسم دفاعی در گیاهان عبارتست از تولید متابولیت های ثانویه ( مانند فنولیک ها، آلکالوئیدها و ساپونین ها ) که بخشی از دفاع شیمیایی را تشکیل می دهند . اما واکنش دفاعی دیگری نیز وجود دارد مه بسیار پیچیده تر است و عبارتست از فعال شدن آبشاری از ژنهای دخیل در بر هم کنش گیاه – عامل بیماری می باشد . برخی از واکنشهای دفاعی القاء شونده عبارتند از گونه های اکسیژن واکنشی (ROS) فینوآلکسین ها، اجزاء دیواره سلولی (کالوس و پروتئینهای غنی از هیدروکسیل پرولین ، و غیره ) و گروه دیگری از پروتئین ها که تحت عنوان پروتئینهای مرتبط با بیماریزایی (PR) نامیده می شوند . مطالعات گسترده ای که در زمینه واکنش فوق حساسیت گیاه توتون آلوده به ویروس موزائیک (TMV) انجام گرفت منجر به کشف پروتئین های PR گردید . این پروتئینها برای اولین بار به عنوان پروتئینهای القاء شونده از عصاره برگ گیاهانی که در برابر TMV واکنش فوق حساسیت نشان داده بودند استخراج گردید . سپس مشخص گردید که پروتئین های مذکور فقط به آلودگی ویروسی اختصاص ندارند ، بلکه در حضور بسیاری از عوامل بیماری قارچی و باکتریایی و خصوصاً در گیاهانی که واکنش فوق حساسیت نشان می دهند مشاهده می شوند . این پروتئینها اکثراً‌ دارای وزن مولکولی پایینی بوده و ترجیحاً در PH پائین استخراج می شوند . پروتئین های مذکور در برابر پروتئولیز مقاوم بوده و اغلب در داخل سلولهای برگی حضور دارند . اصطلاح پروتئینهای مرتبط با بیماریزایی به صورت PR مخفف گردید و به مفهوم پروتئین هایی است که توسط گیاه میزبان رمز می شوند اما فقط در حضور عامل بیماری یا وضعیت های مربوط القاء می شوند . منظور از عامل بیماری یا وضعیت های مربوط تمام انواع عوامل بیماری و حتی تهاجم انگلی توسط حشرات ، نماتدها و سایر فرمهای عالی جانوران است .

در گونه های گیاهی هزاران ژن مقاومت (R) در برابر عوامل بیماری ویروسی ، باکتریایی ، قارچی و نماتدی وجود دارد . ظهور مقاومت در بر هم کنش میزبان و عامل بیماری مستلزم بیان ژن مقاومت (R) در میزبان و ژن غیربیماریزا (Avr) در عامل بیماری می باشد . باور بر اینست که ژنهای مقاومت گیاه را قادر می سازند که ژنهای غیر بیماریزا را شناسایی کرده ، فرآیند انتقال پیام را آغاز نموده و واکنش دفاعی را فعال سازند .

واژه های کلیدی: گیاهان، پروتئینها، ژن مقاومت، عامل بیماری، دفاع گیاهی، کیتیناز ها، پروکسیداز ها

فهرست مطالب

مقدمه و خلاصه موضوع    ۱
گیاه، عامل بیماری و اساس ژنتیکی دفاع گیاهی    ۳
فرضیه ژن در برابر ژن    ۵
جداسازی و مطالعه ژنهای مقاومت    ۱۰
حوزه های ساختمانی فرآورده های ژنهای مقاومت    ۱۳
تکرارهای غنی از لوسیون    ۱۴
مکانهای اتصال نوکلئوتیدها    ۱۶
لوسین زیپرها    ۱۸
حوزه مشابه گیرنده های Toll/Interleukin-I    ۲۱
پروتئین های LRR خارج سلولی و غیر NBS    ۲۲
گیرنده های کینازی در عرض غشاء    ۲۴
شباهت بین فرآورده ژنهای R با سایر پروتئین های گیاهی    ۲۵
ژنهای مقاومت و انتقال پیام دفاعی    ۲۹
ژنهای غیر بیماری زا و تولید لیگاند    ۳۳
رویدادهای پائین دست در انتقال پیام دفاعی    ۳۹
خانواده ژنهای مقاومت و ایجاد مقاومت های اختصاصی جدید    ۴۴
پروتئین های مرتبط با بیماری زایی    ۴۷
گروه بندی پروتئینهای RR    ۵۰
خانواده PR-1    ۵۱
بتا – ۱،۳ – گلوکانازها (خانواده PR-2)    ۵۲
کیتیناز ها (خانواده های PR-11, PR-8, PR-4c, PR-3)    ۵۳
پروتئین های شبه تا ماتین (خانواده PR-5)    ۵۴
مهار کننده های پروتئیناز (خانواده PR-6)    ۵۵
پروکسیداز ها (خانواده PR-9)    ۵۶
دفسین ها ، نیوتین ها، پروتئین های ناقل لیپید و اکسالات اکسیدازها (خانواده های PR-12 ، PR-13 ، PR-14، PR-15 ، PR-16)    ۵۷
مهندسی مقاومت به بیماری ها    ۵۹
فهرست منابع    ۶۷

فهرست منابع:

۱-     محمدرضا قنات ها، مهدی زهراوی، مقاله حوزه های ساختمانی عمل و مهندسی ژنهای مقاومت به بیماریها در گیاهان نهمین کنگره علوم زراعت و اصلاح نباتات ایران.

۲-  جزوه اصلاح نباتات تکمیلی، استاد محترم جناب آقای دکتر بی‌همتا.

۳-  Alfano, J.R., and Colher, A. (1996). Bacterial pathogens in plants: Life up against the wall. Plant Cell 8, 41683-1698.

۴-    Crute, IR., and Pink, D.A.C. (1996). Genetics and utilization of pathogen resistance in plants. Plant Cell 8, 1747-1755.

۵-  Dangl, J.L., Dietrich, R.A., and Richberg, M.H. (1996). Death don’t have no mercy: Cell death programs in plant-microbe interactions . Plant Cell 8, 1793-1807.

۶-   Delaney, T.P. Uknes, S., Vernoolj, B., Friedrich, L., Weymann, K,cNegrotto, D., Gaffney, T., Gut-Rella, M., Kessmann, H., Ward, E., and Ryals, J. (1994) . A ventral role pf salicylic acid in plant disease resistance . Science 266, 1247-1250.

مقدمه

در گونه های گیاهی هزاران ژن مقاومت (R) در برابر عوامل بیماری ویروسی ، باکتریایی ، قارچی و نماتدی وجود دارد . ظهور مقاومت در بر هم کنش میزبان و عامل بیماری مستلزم بیان ژن مقاومت (R) در میزبان و ژن غیربیماریزا (Avr) در عامل بیماری می باشد . باور بر اینست که ژنهای مقاومت گیاه را قادر می سازند که ژنهای غیر بیماریزا را شناسایی کرده ، فرآیند انتقال پیام را آغاز نموده و واکنش دفاعی را فعال سازند . رویدادهای انتقال پیام که منجر به ظهور مقاومت می شوند عبارتند از جریانهای یونی در عرض غشاء سلولی ، تولید گونه های اکسیژن واکنشی ، تغییر حالت فسفوریلاسیون ، فعالیت رونویسی از سیستم های دفاعی گیاه و مرگ سریع سلولی در موضع آلودگی ( واکنش فوق   حساسیت ) . هرچند که پاسخهای دفاعی از سوی گیاه در تقابل با عوامل بیماری ، متفاوت می باشند ، اما خصوصیات مشترکی نیز بین آنها وجود دارد . مهمترین ویژگی ژن های R این است که این ژنها در گونه های مختلف گیاهی که سبب مقاومت اختصاصی در برابر طیف وسیعی از عوامل بیماری می شوند ، اغلب پروتئین هایی با ساختمان مشابه را رمز می نمایند . ژنهای R همسانه شده به چهار گروه اصلی تقسیم می شوند . یکی از آسان ترین ، به صرفه ترین و از لحاظ زیست محیطی ایمن ترین راهای کنترل بیماریهای گیاهی استفاده از ارقام مقاوم است و به نژاد گران بطور گسترده ای به طریقه کلاسیک از ژنهای مقاومت در این زمینه استفاده نموده اند . اکنون با دسترسی به ژنهای R همسانه شده ، فرصتی برای انتقال ژنهای R جدید به گیاهان از طریق تراریختی ژنتیکی فراهم آمده است . تا زمانی که این روشها از لحاظ قابلیت اعتماد ، انعطاف پذیری و هزینه با روشهای اصلاح نباتات کلاسیک قابل مقایسه نباشند و یا برتری نداشته باشند ، نمی توان انتظار داشت که بطور گسترده مورد استفاده قرار گیرند . با توجه به ظرفیت قوی این روشها در عبور از موانعی همچون تفاوت گونه ای و صف آرایی ژنهای R به فرم دلخواه به نظر می رسد که تراریختی در آینده ای نزدیک در برنامه های اصلاحی وارد شود .

 گیاه ، عامل بیماری و اساس ژنتیکی دفاع گیاهی

عوامل بیماری در تهاجم به گیاهان یکی از سه راهبرد ذیل را بر می گزینند ، نکروتروفی[۱] ، بیوتروفی[۲] و یا همی بیوتروفی[۳] . نکروتروفها ابتدا سلول میزبان را می کشند و سپس محتوای آن را متابولیزه می کنند ، برخی از این عوامل بیماری دامنه میزبانی گسترده ای را در بر می گیرند و مرگ سلولی اغلب توسط سموم و یا آنزیمهایی رخ می دهد که سوبسترای بخصوصی را مورد هدف قرار می دهند. Pythium و  Botrytis نمونه هایی از نکروتروفهای قارچی هستند . سایر نکروتروفها سمومی تولید می کنند که میزبان گزینشی[۴] دارند ، بطوریکه این سموم فقط روی دامنه محدودی از میزبانهای گیاهی مؤثر می باشند . در مورد این گروه از عوامل بیماری ، مقاومت گیاهی از طریق حذف و یا تغییر ترکیب مورد هدف سم و یا از طریق سم زدایی قابل حصول است . به عنوان مثال ژن Hml در ذرت سبب مقاومت به قارچ لکه برگی Cochiobolus carbonum می شود . Hml یک آنزیم ردوکتاز را کد می کند که سم HC[5] حاصل از C.carbonum را خنثی می سازد .

اوامل بیماری بیوتروف و همی بیوتروف به سلولهای زنده حمله می کنند و سوخت و ساز سلولی را در جهت رشد و تکثیر خود تغییر می دهند . تشکیل اشکالی به صورت جزایر سبز رنگ روی برگهای پیر در پیرامون آلودگی بیوتروفی مربوط به قارچهای زنگ و سفیدک پودری نشان دهنده اهمیت زنده نگه داشتن سلولهای میزبان در طی ارتباط نزدیک بین عامل بیماری و گیاه است . بیوتروفها تنها روی یک و یا تعداد محدودی از گونه های مربوط بیماری ایجاد می نمایند . در مقابل قارچهای همی بیوتروف از قبیل جنسهای Phytophtora و Cilletotrichum در مراحل بعدی آلودگی ، سلولهای پیرامون را در میزبان می کشند . به علت طبیعت اختصاصی عمل کردن عوامل بیماری بیوتروف و همی بیوتروف تعجب آور نیست که تغییر کوچک در هر یک از طرفین ( میزبان یا عامل بیماری ) سبب بر هم خوردن تعادل گردد . ناسازگاری بین عامل بیماری و میزبان اغلب منجر به فعال شدن پاسخهای دفاعی گیاه از قبیل مرگ موضعی سلول میزبان یا واکنش فوق حساسیت ( HR ) می شود .

  فرضیه ژن در برابر ژن

در گونه های گیاهی هزاران ژن مقاومت (R) در برابر عوامل بیماری ویروسی ، باکتریایی ، قارچی و نماتدی وجود دارد . هرچند که پاسخهای دفاعی از سوی گیاه در تقابل با عوامل بیماری ، متفاوت می باشند ، اما خصوصیات مشترکی نیز بین آنها وجود دارد که مهمترین آنها این است که عمل ژنهای R به ژنوتیپ عامل بیماری بستگی دارد . عوامل بیماری بطور بالقوه دارای توانایی ایجاد پیامهای گوناگون می باشند که به نحوی مشابه تولید آنتی ژنها توسط عوامل بیماری پستانداران می باشد . برخی از این پیامها توسط بعضی از گیاهان شناسایی می شوند . اگر ژن مربوط به بیماری در عامل بیماری پیامی را ایجاد کند که منجر به القاء یک پاسخ دفاعی قوی از سوی ژن R در گیاه گردد در آن صورت به آن ژن غیر بیماریزا[۶] (Avr) گویند . اما باید توجه داشت که در صورت عدم وجود ژن R در میزبان ، ژن Avr سبب ایجاد بیماری خواهد شد . عمل اختصاصی ژنهای R در میزبان در برابر ژنهای Avr در عامل بیماری نخستین بار توسط فلور کشف شد و متعاقب آن واژه مقاومت ژن در برابر ژن[۷] مطرح گردید . فلور پیشنهاد کرد در گیاه ژنی وجود دارد که در هنگام مواجه با عامل بیماری ، پاسخ دفاعی را القاء می نماید . اگر این ژن غایب و یا غیر فعال باشد ، گیاه نسبت به تهاجم عامل بیماری حساس خواهد بود . اما ، ژنهای مقاومت فقط در برابر انواع مشخصی از نژادهای عامل بیماری مؤثر می باشند . بنابراین عامل بیماری بایستی دارای ژنی باشند که محصول آن به طور مستقیم و یا غیر مستقیم با فرآورده ژن مقاومت گیاهی بر هم کنش نشان دهد که این ژنها در عامل بیماری به عنوان ژنهای غیر بیماریزا (Avr) نامیده شدند ، زیرا وجود آنها مانع توسعه عامل بیماری در حضور ژن مقاومت می شود . از این رو گیاهی که دارای یک ژن مقاومت مخصوص باشد فقط در برابر نژادی از عامل بیماری مقاومت نشان می دهد که واجد ژن معینی باشد که فرآورده آن باعث بر هم کنش پاسخ دفاعی شود . اگر عامل بیماری فاقد ژن غیر بیماریزایی مناسب باشد ، آنگاه هیچ گونه پاسخ دفاعی در گیاه رخ نخواهد داد و حتی علی رغم حضور ژنهای مقاومت بالقوه ، عامل بیماری گسترش خواهد یافت . مفاهیم ژن مقاومت در گیاه و ژن غیر بیماریزایی در عامل بیماری و در نتیجه پاسخ مقاومت ، اساس فرضیه ژن در برابر ژن را تشکیل می دهد . فرضیه ژن در برابر ژن مکانیسمی را پیشنهاد می نماید که فرآورده ژن مقاومت در گیاه از طریق بر هم کنش با فرآورده ژن غیر بیماریزا به حضور آن پی می برد . به علاوه ژن مقاومت باید دارای توانایی انتقال پیام[۸] ناشی از مکانیسم شناسایی به سیستم دفاعی گیاه باشد که این امر احتمالاً از طریق یک مکانیسم پیام رسانی صورت گرفته و منجر به بیان ژنهایی می شود که مانع رشد و گسترش عامل بیماری در بافتهای آلوده می شود .

مدل ژن در برابر ژن برای اکثر عوامل بیماری بیوتروف از جمله قارچها ، ویروسها ، باکتریها و نماتد ها صدق می کند . اعتقاد بر این است که خاستگاه هر گونه گیاهی جایی است که در آن بیشترین تنوع ژنتیکی موجود بوده و از این رو گیاهان همراه با عوامل بیماری تکامل پیدا کرده اند . بر این اساس برنامه های اصلاحی می تواند به سمت شناسایی ژرم پلاسم مقاوم در خویشاوندان وحشی گونه های زراعی سوق پیدا نماید . به غیر از مدل فلور ، چندین مدل ژن در برابر ژن ارائه گردیده است و با ایجاد لاین های ایزوژن مقاوم و حساس می توان تفاوت های آزمایشی ناشی از تغییر زمینه ژنتیکی را به حداقل رساند . با استفاده از این گونه بر هم کنشها اولین ژنهای R و Avr و Arabidopsis thaliana جداسازی شد . این گیاه در طی سالهای گذشته به عنوان یک سیستم مدل به نحو گسترده ای برای مطالعه بر هم کنش گیاه – عامل بیماری مورد استفاده قرار گرفته است .

هنگامی که یک ژن Avr و یک ژن R مختص به آن تظاهر می یابند پاسخ دفاعی قوی در گیاه القاء می شود . وجه مشخصه اکثر بر هم کنش های ژن در برابر ژن، ظهور پاسخ فوق حساسیت (HR) است که در آن سلولهای واقع در مجاورت عامل بیماری دچار مرگ برنامه ریزی شده[۹] می شوند . این واکنش به عنوان بخشی از پاسخ دفاعی کلی محسوب می شود . ویژگی های دیگر پاسخ مقاومت عبارتند از تولید متابولیک های ضد میکروبی ( تحت عنوان فیتوآلکسین ها[۱۰] ) ، تولید آنزیم هایی که می توانند برای عامل بیماری مضر ( باشد مانند کیتینازها[۱۱] و گلوکانازها[۱۲] ) و تقویت دیواره سلولی گیاهی در ناحیه آلوده شده . علاوه بر این پاسخهایی نیز بروز می یابند که گمان می رود در انتقال پیام دفاعی نقش دارند که از آن جمله می توان به جریان Ca²⁺ و سایر جریان های یونی ، تغییر فسفوریلاسیون پروتئینها ، تولید گونه های اکسیژن واکنشی[۱۳] از قبیل سوپراکسیداز و تولید و یا آزاد سازی اسید سالیسیلیک[۱۴] اشاره نمود .