Zdravje naših rastlin

Dobrodošli v oddaji Frequenza della Scienza na frekvenci 89,3 MHz. Ravno smo v času, ko z vseh strani - doma, v šolah in na delovnem mestu - ves čas poslušamo kašelj, smrkanje in hripav glas, ali pa naši vrstniki in sodelavci enostavno obležijo doma. Dobro se zavedamo, da nas obkrožajo virusi in bakterije, ki nam lahko škodujejo.

Tudi nocojšnja edicija oddaje Frequenza della Scienza bo posvečena bolezenskim stanjem, a s preobratom. Govorili bomo o tem, kako se na okužbe s povzročitelji bolezni odzivajo rastline. Morda se bolj malokrat zavemo, da tudi te lahko zbolijo. Še več - pred napadom patogenov se lahko tudi branijo. Za začetek se bomo spomnili temeljnih značilnosti rastlin in imunskega odziva, nato pa bomo nekoliko podrobneje predstavili boj med rastlinami in povzročitelji bolezni.

Kot rastline si navadno predstavljamo pretežno negibljiv zelen organizem, ki je sposoben lastne proizvodnje energije. In res: večina rastlin tvori koreninski sistem, s katerim se zasidrajo v zemljo ter tako iz nje črpajo vodo in druge snovi. Posebnost zelenih rastlin je tudi lastna proizvodnja energije za vzdrževanje življenjskih procesov. Rastline so namreč razvile komponente, s katerimi lahko energijo svetlobe v procesu fotosinteze pretvorijo v kemično dostopno energijo.

Razlike med živalmi in rastlinami obstajajo na nivoju celice. Rastlinsko celico obdaja celična stena, katere glavna komponenta je celuloza. Celična stena daje rastlini oporo in jo naredi togo. Od živalske celice rastlinsko ločuje tudi notranjost celice. Znotraj rastlinskih najdemo poleg organelov, ki so značilni tudi za živalske celice, še posebne specializirane organele. Eden izmed njih je denimo kloroplast. V kloroplastih rastlinska celica hrani encime, pigmente ter ostale komponente, ključne za potek fotosinteze

Pomemben organel, ki je posebej značilen za rastlinsko celico, je tudi vakuola. Vakuola je celični razdelek, obdan z membrano, ki lahko glede na stanje celice zavzame tudi večji del njenega volumna. Vakuola deluje kot nekakšen rezervoar za molekule, ki jih rastlina bodisi ne potrebuje ali pa bi ji škodovale, zato ima, kot bomo slišali v nadaljevanju oddaje, pomembno vlogo tudi pri obrambi pred tujimi snovmi.

Živi organizmi so v naravnem okolju stalno izpostavljeni vplivu zunanjih dejavnikov, kar je posledica sobivanja z drugimi organizmi. Sobivanje pa ni vedno koristno in simbiotično. Še več, nekateri organizmi so zajedavski ter tako gostiteljski organizem izkoristijo za potrebe lastnega preživetja in razmnoževanja.

Ker takšen poseg v gostiteljski organizem predstavlja nevarnost za le-tega, so organizmi razvili različne obrambne strategije, ki jih danes razlagamo v okviru imunskega sistema. Imunski sistem pri živalih predstavlja skupek specializiranih celic ter molekul, ki jih je organizem sposoben proizvesti, ko pride do vdora nekega tujega organizma ali njegovih molekul. Naloga imunskega sistema je tako prepoznanje tujka, sprožitev odziva in eliminacija nevarnosti oziroma tujega organizma ter njegovih molekul.

Imunski sistem živali gradijo specializirane celice, ki stalno migrirajo po telesu in iščejo tujke, torej snovi, ki so organizmu tuje. Na površinah celic imunskega sistema se nahajajo številne receptorske molekule. Izraz receptor v biologiji pomeni protein, ki prepoznava druge molekule v okolici. Receptor za določeno molekulo ima tridimenzionalno zgradbo, ki se prilega tridimenzionalni zgradbi te molekule.  Lahko bi rekli, da se ujemata kot ključ in ključavnica.

Receptorski proteini imunskega sistema prepoznavajo molekule patogenih organizmov. Ob uspešni zaznavi pride na mestu okužbe do tako imenovanega vnetnega odziva. Celice, ki so tujek prve prepoznale, začnejo v okolico izločati molekule, ki privabijo še več celic imunskega sistema, ki nato pomagajo pri nevtralizaciji in eliminaciji tujka.

Celice imunskega sistema se s patogenom in njegovimi komponentami spopadajo na raznotere načine. Ker so si patogeni organizmi med seboj različni, mora biti imunski sistem sposoben prepoznati vrsto povzročitelja bolezni in temu prilagoditi odziv. V osnovi pri živalih ločimo dve vrsti imunskega odziva, do katerega pride pri okužbi. Prirojeni imunski odziv se sproži takoj, ko celice imunskega sistema zaznajo patogen. Drugi odziv pa je tako imenovani pridobljeni imunski odziv. Pri pridobljenemu imunskemu odzivu začno nekatere celice imunskega sistema sintetizirati protitelesa, ki omogočajo še boljšo nevtralizacijo ter eliminacijo patogena.

Pomembna lastnost imunskega sistema je tudi specifičnost. Do imunskega odziva mora namreč priti samo takrat, ko je organizem ogrožen, to je takrat, ko se je nek patogen uspel prebiti čez fizične bariere. Pri živalih fizično bariero predstavljajo kar vrhnji sloji kože. Ključna naloga imunskega sistema je tako prepoznati zgolj in samo molekule, ki izvirajo iz patogenih organizmov. Receptorji imunskega sistema so se zato razvili tako, da se vežejo zgolj na molekule patogenega organizma.

Sledi kratek glasbeni premor, po katerem se bomo posvetili imunskemu odzivu pri rastlinah.

Thw White stripes - Blue Orchid

Dobrodošli nazaj v oddaji Frequenza della Scienza na Radiu Študent. Nocoj pod drobnogled jemljemo imunski odziv rastlin. V začetnem delu oddaje smo se spomnili, katere so glavne lastnosti rastlin oziroma rastlinskih celic, in razložili, kakšen mora biti učinkovit imunski sistem. V nadaljevanju pa se bomo osredotočili na mehanizme, ki zaščito pred nepovabljenimi gosti omogočajo rastlinam.

Tudi rastline so namreč izpostavljene številnim nevarnostim v okolju, v katerem bivajo. In ker so rastline negibljive, je zanje še posebej pomembno, da se znajo ubraniti pred pretečo nevarnostjo. Kot nam pojasni profesorica Kristina Gruden z Nacionalnega inštituta za biologijo, lahko rastlino napadejo številni različni organizmi.

Izjava

Rastline so prav tako kot živali za obrambo pred patogeni razvile obrambno strategijo, ki v določenih vidikih spominja na živalski imunski sistem. A obstajajo ključne razlike - kot nam še razloži profesorica Kristina Gruden, sta glavni predvsem dve.

Izjava

Prva in tudi najopaznejša razlika je torej ta, da rastline nimajo specializiranih celic, namenjenih zgolj obrambi pred patogeni. Zaznava patogena je tako prepuščena sleherni rastlinski celici. Kot bomo v nadaljevanju oddaje še podrobneje spoznali, to elegantno rešitev rastlina doseže tako, da so na vsaki rastlinski celici prisotne receptorske molekule, ki zaznajo tujek.

Druga pomembna razlika, kot je povedala profesorica Kristina Gruden, se nanaša na nesposobnost sinteze protiteles, ki jih poznamo iz pridobljenega imunskega odziva pri živalih. Da rastline vseeno lahko prepoznajo raznovrstne patogene, ki jih ogrožajo, je na površinah vseh rastlinskih celic prisoten pester nabor različnih receptorskih proteinov, ki jih bomo v nadaljevanju oddaje tudi podrobneje spoznali.

Rastlinsko obrambo sestavlja več delov oziroma ravni, ki se v grobem delijo na tiste mehanizme obrambe, ki so v celici stalno prisotni, in tiste, ki se aktivirajo ob vdoru patogena. Med stalno prisotne mehanizme uvrščamo mehanske ovire, torej vrhnjo plast celic, ki ji pravimo epitelij, in zaščitno plast na površini epitelija, imenovano kutikula. Skupaj patogenim organizmom preprečujeta vstop v tkivo. Kutikula je sestavljena iz pektina in maščobnih kislin ter ima kot taka negativen naboj, ki odbija razne bolezenske spore, ki se širijo po zraku. Tudi celična stena in citoskelet sodelujeta pri vzpostavljanju fizične bariere. Obrambo proti nekoliko večjim škodljivcem pa predstavljajo še trni in trihomi, laski na površini rastline.

Drugi tip stalno prisotnih zaščitnih mehanizmov predstavljajo različne antimikrobne in toksične spojine, shranjene v vakuolah, ki se sprostijo ob poškodbi celice. Sem spadajo razni terpenoidi, ki jih uporabljamo kot eterična olja, in alkaloidi, kot je kofein.

Kot smo omenili, pa poleg stalno prisotne zaščite obstajajo obrambni procesi, ki se sprožijo šele, ko je rastlina podvržena napadu povzročitelja bolezni. Da pa pride do induciranega odziva na patogeni organizem, mora rastlina okužbo najprej zaznati. O tem, kako rastline okužbe prepoznajo, smo vprašali profesorico Kristino Gruden z Nacionalnega inštituta za biologijo.

Izjava

Na  površini rastlinske celice so torej prisotni receptorski proteini, ki omogočajo zaznavo okužbe s povzročiteljem bolezni in v celicah sprožijo ustrezen odziv. Lahko gre tudi za receptorje, ki zaznavajo spremembe lastnega tkiva, do katerih pride ob ugrizu žuželke. Sicer pa rastlinski receptorski proteini večinoma prepoznavajo tuje molekule, značilne za patogene. Za kaj gre, nam nekoliko podrobneje pojasni izredni profesor Jernej Jekše z Oddelka za agronomijo na Biotehniški fakulteti.

Izjava

Receptorji na površini rastlinskih celic lahko zaznavajo tipe molekul, ki so značilni za širši spekter organizmov iste družine, tudi nepatogenih. Takšni receptorji niso specifični za točno določene molekulo posameznih organizmov. Omenjeni kratici PAMP in MAMP pomenita pathogen ali microbe associated molecular pattern, torej molekularni vzorec, značilen za mikrobe ali patogene. Kot je omenil profesor Jakše, tovrstni receptorji zaznavajo denimo flagelin ali hitin. Na podoben način poteka tudi zaznava povzročitelja bolezni pri živalih, kadar govorimo o pridobljenem imunskem sistemu.

Po zaznavi okužbe s patogenim organizmom celice seveda ne obstanejo križem rok. V njih se sprožijo številni procesi, ki patogen uničijo. Kaj se zgodi, nam razloži profesorica Kristina Gruden.

Izjava

V rastlinskih celicah se torej z namenom uničenja povzročitelja bolezni aktivirajo različni mehanizmi, kot sta na primer sinteza raznoraznih toksičnih snovi, ojačanje celične stene in tako dalje.

Odziv, ki se sproži, je odvisen od tipa okužbe. V primeru virusne okužbe, denimo, pride do procesa, ki mu pravimo RNA-interferenca. RNA-interferenca pomeni usmerjeno razgradnjo določenih molekul RNK. Je eden izmed mehanizmov, ki v celicah sicer omogoča uravnavanje izražanja genov, vendar je koristen tudi ob virusnem napadu. Virusi namreč niso nič drugega kot veriga nukleinske kisline, DNK ali RNK, obdana s proteini. V primeru rastlinskih virusov gre pogosto za viruse, ki imajo genom zapisan v obliki RNK. Ko rastlinska celica v svoji notranjosti zazna verigo virusne RNK, jo preko RNA-interference kot s škarjami razreže na kratke, tako rekoč neuporabne koščke, in s tem uniči virus.

Na tem mestu pa lahko rastlina naleti na nov problem, saj tudi povzročitelji bolezni niso od muh. Sledi glasbeni premor, po katerem bomo nadaljevali zgodbo o boju med rastlinami in povzročitelji bolezni.

Litoxt - Nautilus

račamo se v oddajo Frequenza della Scienza na Radiu Študent. Nocojšnja tema je rastlinski imunski odziv. Povedali smo, da se rastline na okužbo s patogenom odzovejo s sintezo strupenih snovi, z ojačanjem celične stene in drugimi načini obrambe. Vendar se tu zgodba ne konča.

Veliko povzročiteljev bolezni je namreč razvilo načine, s katerimi prvotni obrambni odziv rastline zaustavijo in še naprej šarijo po njeni notranjosti. Pri tem uporabljajo tako imenovane efektorje; to so molekule, ki blokirajo delovanje komponent rastlinskega imunskega odziva. Do tega pojava lahko pride tudi pri pravkar omenjeni RNA-interferenci, saj jo virusni efektorji lahko zaustavijo.

A tudi na to so se rastline prilagodile z razvojem receptorskih proteinov, ki prepoznavajo efektorske molekule. V tem primeru govorimo o specifičnem prepoznavanju molekul, značilnih za vsako posamezno vrsto povzročitelja bolezni. Efektorske molekule različnih patogenih organizmov si med seboj namreč niso prav posebej podobne.

Pojav efektorskih molekul tako v rastlinski celici povzroči aktivacijo dodatnih signalnih mehanizmov, ki ji sporočajo, da je prišlo do okužbe. Pogost končni rezultat je nadzorovana smrt celic v okolici okužbe, kar naj bi preprečilo širjenje tistih patogenih organizmov, ki za preživetje potrebujeujo žive celice. Zdi se, da rastlina za višje cilje žrtvuje vojake v prvih vrstah, vendar to še ni dokazano.

Razložili smo, kaj se tekom okužbe dogaja v rastlinskih celicah, poraja pa se še vprašanje, kako se informacija o okužbi širi med celicami. Medcelična komunikacija je nadvse pomembna komponenta procesov v živih organizmih, saj omogoča integrirano delovanje tkiv, organov in v končni fazi organizmov. Zato ne preseneča, da igra medcelična komunikacija prek različnih signalnih molekul veliko vlogo pri odzivu rastline na okužbo ali druge tipe stresa. O tem, kako poteka medcelična signalizacija pri rastlinah, nam pove profesorica Kristina Gruden.

Izjava

Medcelična signalizacija torej lahko poteka prek hormonov kot nekakšen električni signal in tudi prek reaktivnih kisikovih zvrsti, ki so nam iz vsakdanjega življenja bolj poznane kot razlog, zaradi katerega moramo jesti antioksidante.

Profesorico Gruden smo povprašali še, katere so glavne signalne molekule rastlinskega imunskega odziva.

Izjava

Signali, ki potujejo po rastlini, informacijo o okužbi tako ponesejo tudi v neokužene predele, ki nato začnejo z aktivacijo obrambnih mehanizmov, še preden se okužba do tja sploh razširi. Rastlina uspešno zaustavi napad in zgodba ima srečen konec. Pogosto pa opazimo, da je določena rastlinska sorta odporna na neko bakterijo, druga sorta iste rastlinske vrste pa ne. Kot nam pove profesorica Kristina Gruden, je bil to tudi povod za začetek raziskav v zvezi z imunskim odzivom pri krompirju na NIB-u.

Izjava

Nekatere sorte rastlin iste vrste izražajo določene gene, ki omogočajo odpornost proti določenemu povzročitelju bolezni, druge pa teh genov nimajo, zaradi česar podležejo okužbi. V naravi ves čas poteka boj za prevlado med rastlinami in povzročitelji bolezni. Rastline razvijajo nove zaščitne mehanizme, patogeni pa načine, kako se jim izogniti. Spraševali smo se, kako hitro se povzročitelji bolezni spreminjajo. Izredni profesor Jernej Jakše nam to razloži na primeru glive verticilij, ki napada hmelj.

Izjava

Gliva verticilij je le eden izmed povzročiteljev bolezni rastlin v teh krajih, profesor Jakše pa nam predstavi še nekaj drugih pogostih primerov rastlinskih bolezni pri nas.

Izjava

Slišali smo za nekatere pogoste primere bolezni v slovenskih nasadih. Tako kot kadar zbolimo mi sami, je tudi pri pojavu bolezenskih simptomov v rastlinskih nasadih najprej treba identificirati povzročitelja, če želimo ustrezno ukrepati. O metodah za diagnostiko rastlinskih patogenih organizmov smo povprašali Jerneja Jakšeta.

Izjava

Obstajajo torej raznolike metode, ki se med seboj razlikujejo po principu delovanja, hitrosti določitve patogena, ceni in natančnosti. Z izrednim profesorjem Jernejem Jakšetom smo se pogovarjali tudi o uporabi škropiv.

Izjava

Kot smo slišali, brez škropljenja, žal, ne gre. Velike količine škropiv predstavljajo velik strošek za pridelovalca, hkrati pa tudi neželen vpliv na okolje. Zato imajo raziskave interakcij med povzročitelji bolezni in rastlinami velik pomen, saj bo poznavanje slednjih mehanizmov omogočilo žlahtnenje obstoječih sort in izboljšanje donosa. Pri tem pa je treba upoštevati, da so razen bolezenskim stanjem rastline pogosto izpostavljene tudi okoljskemu stresu. Po kratkem glasbenem premoru bomo predstavili še zanimiv primer odziva rastlin na slednjega.

Bakalina - Krawji rap

Čeravno smo se v nocojšnji oddaji osredotočili predvsem na obrambo rastlin pred patogenimi organizmi, naj za konec omenimo, da so rastline venomer izpostavljene tudi ogrožajočim dejavnikom neživega sveta. Tako lahko denimo v primeru suše rastlino doleti pomanjkanje vode ali pa pomrznjenje v primeru pozebe. Ker ti dejavniki izvirajo iz neživega sveta, jih združujemo pod pojmom abiotski dejavniki, njihove negativne vplive na rastline pa pod pojmom abiotskega stresa. Ker abiotski stres že od nekdaj ogroža rastline, so te razvile sofisticirane obrambne sisteme, s katerimi se pred njim zaščitijo.

Tudi ti obrambni sistemi v osnovi delujejo na principu zaznave neke spremembe v okolju s pomočjo posebnih receptorjev, ki signal posredujejo v notranjost rastlinske celice. Ta se na podlagi prejetega signala odzove z ustrezno prilagoditvijo. Ker se nocojšnja oddaja približuje koncu, naj zgolj omenimo zanimiv primer, kako lahko rastlinska celica prepozna spremembo temperature v okolju.

Celične membrane rastlinskih celic, prav tako kot živalskih, sestavlja lipidni dvosloj. Membrana je torej relativno tekoča snov, v katero so potopljeni različni receptorski proteini, ki se lahko v njej premikajo. To lastnost membrane imenujemo fluidnost. Večja fluidnost membrane pomeni, da so njene komponente, torej lipidi in proteini, gibljivejši.

Ker je fluidnost membrane odvisna od temperature, je rastlinska celica razvila posebne receptorje, imenovane HAMK in SAMK, ki zaznajo spremembe v fluidnosti membrane. S pomočjo teh receptorjev lahko rastlinska celica praktično meri temperaturo okolja. Ko so spremembe temperature okolja in posledično fluidnosti membrane zelo velike, postane signal, ki ga pošiljajo receptorji HAMK in SAMK, zelo izrazit. Signal v celici sproži odziv, ki ji omogoči, da se na razmere ustrezno prilagodi in zavaruje najvitalnejše funkcije.

V rastlini tako pride do sprememb na ravni izražanja genov, metabolizma in zgradbe celične membrane. Ob odzivu na mraz se med drugim v celično membrano vgradi več nenasičenih maščobnih kislin, kar poveča fluidnost membrane. V tekočinah, ki se pretakajo po rastlini, pa se poviša koncentracija sladkorjev, kar zniža temperaturo tališča vodne raztopine in s tem prepreči, da bi voda znotraj rastlinskega tkiva zamrznila.

S to zanimivostjo se za nocoj poslavljamo iz sveta rastlin. Malokrat se zavemo kompleksnih procesov, ki se odvijajo v nas samih in v ostalih živih organizmih, ki nas obkrožajo. Kot smo lahko slišali v današnji oddaji Frequenza della Scienza, rastline niso tako nedolžne in pasivne, kot morda delujejo na prvi pogled, pač pa so sposobne raznovrstnih odzivov in prilagoditev na dražljaje iz okolja. Spomnite se nanje naslednjič, ko boste pozabili zaliti rože.

Na Radiu Študent sta korenine pognala Barbara in vajenec Uroš.

Urednikoval je Arne

Tehniciral je Blaž.

Brala sta Valentina in Biga.