Podstata proměnlivé („polní“) odolnosti rostlin vůči chorobám

10. 10. 2017 Doc. Ing. Dr. Jaroslav Benada, CSc.; Kroměříž Choroby Zobrazeno 3139x

Mechanizmus odolnosti rostlin vůči chorobám byl předmětem zájmu výzkumu od počátku fytopatologie jako vědy. Vysvětlování vždy bylo spojeno se stavem znalostí, které odrážely rozvoj určitého obecnějšího vědního úseku v daném časovém úseku. Souhrny poznatků do roku 1976 jsou obsaženy v kompendiích: Heitefuss R., Williams P. H. (1976) nebo z roku 1997 Hartleb H., Heitefuss R., Hoppe H.-H. (1997), ale i v řadě jednotlivých pojednáních, např. Heath Michele C. (1996).

Základní úloha je připisována mechanizmu rozpoznávání hostitele parazitem. V poslední době nabyla otázka závažného významu v souvislosti s genovými manipulacemi a snahou využít pro šlechtění na odolnost tzv. odolnost nehostitelských rostlin. Bez znalosti podstaty odolnosti nebudeme vědět, které geny přenášet z cizorodých rostlin a zda tento směr má vůbec význam. I když byly formulovány některé hypotézy na základě dílčích výsledků s jednotlivými parazity, vždy se ukázalo, že zevšeobecnění není možné. Proto považuji za správný názor prof. Fuchse z University v Göttingen v citovaném kompendiu z roku 1976, že řešení problému bude třeba hledat v zásadně novém přístupu.

Proměnlivá odolnost

Zásadně nový přístup byl od roku 1965 postupně vypracován na pokladě šíření chorob obilnin. Za základ byla vzata tzv. proměnlivá odolnost (někdy zvaná polní odolnost, rasově nespecifická odolnost, částečná odolnost, horizontální odolnost, obecná odolnost), i když se obsah těchto pojmů kryje s proměnlivou odolností jen částečně, což jen odráží neznalost podstaty odolnosti.

Pojem “polní“ chce vyjádřit, že nejčastěji se objevuje na jaře, protože rostliny v této době jsou vystaveny intenzivnímu slunečnímu světlu, nepříliš vysokým teplotám a jsou ontogeneticky starší. Nejvíce experimentální práce bylo provedeno s padlím travním na ječmeni a pšenici.

Pojem proměnlivá odolnost zahrnuje takovou odolnost, která se mění během ontogeneze hostitele a vlivem vnějších podmínek. Tato odolnost je charakterizována:

gradientem choroby na rostlině,
změnou náchylnosti orgánů rostliny během ontogeneze a růstu,
rozdílnou náchylností jednotlivých buněk ležících blízko sebe,
relativně rychlou změnou odolnosti i během několika hodin.

Jestliže byly stanoveny vlastnosti této odolnosti, bylo jasné, že odolnost nemůže spočívat v nějaké živině nutné pro parazita, ale v nějakém velmi dynamickém faktoru. Postupně byla pozornost soustředěna na změny biofyzikálních stavů, především na redoxní potenciál a pH.

V úvodu bude třeba vysvětlit některé používané pojmy.

Gradient choroby

Nejvýrazněji se gradient projevuje na listech sloupkujících rostlin pšenice nebo ječmene vůči padlí. Spodní listy náchylných odrůd bývají pokryté bělavými kupkami spadlí, směrem k horním listům napadení se ztrácí a kupky nejsou patrné. Je třeba si uvědomit, že inkubační doba padlí při teplotách kolem 20 °C (květen až červen) je jen cca 4 dny. Kdyby listy byly stejně náchylné, pak by s výjimkou posledního nejmladšího listu měly být všechny listy pokryté kupkami padlí.

Během 14 dnů se postupně listy na stéble stávají náchylnými a mění se i příznaky. Nejdříve se na listech objevují chlorotické skvrny, později tyto skvrny hnědnou a teprve nakonec se objevují kupky padlí. Tyto kupky padlí na listech sloupkujících rostlin už nejsou bílé jako kupky padlí na mladých rostlinách ve skleníku, ale šedé až hnědé (mezitím rostliny většinou vymetají). Se změnou barvy kupek je spojena i změna tvorby rozmnožovacích orgánů. Pokud jsou kupky bílé, tvoří se v nich konidie, na hnědých kupkách se tvoří perithecia (vřeckaté stadium).

Různé formy infekce epidermálních buněk ječmene padlím travním: a) odolná buňka s granulomem (odumřelé haustorium); b) granulom a začátek tvorby nového haustoria z jednoho appresoria; c) z jednoho apresoria vznikl granulom a nové haustorium; d) dvě sousedící buňky: jedna je rezistentní s granulomem, druhá je náchylná
s haustoriem; e) jedna buňka je náchylná a má vytvořeay dvě haustoria, druhá sousedící je odolná; zkratky: C - konidie, A - apresorium, H -haustorium, G - granulom

Změny náchylnosti

Při podrobném studiu bylo zjištěno, že dokonce i sousední buňky se liší v náchylnosti a že tato odolnost se může měnit během 2 hodin. (Padlí napadá jen epidermální buňky - tvoří v nich haustoria, která je možno v mikroskopu relativně snadno pozorovat).

Redoxní potenciál (RP)

Jedná se o elektrický potenciál měřený redoxní platinovou elektrodou. Na rozdíl od redoxních potenciálů, které se měří ve fyzikální chemii v neživých systémech, bylo postupně zjištěno, že v živé buňce redoxní potenciály podléhají poměrně rychlým změnám vlivem vnějších podmínek a odrážejí metabolické změny v rostlině. Jsou závislé na enzymatické aktivitě buněk. Měření se provádí v nedrcených pletivech, tedy nikoli v buněčné suspenzi nebo v suspenzi buněčných organel. Měření redoxního potenciálu bylo provedeno nejen na obilninách, ale i dalších rostlinách.

Postupně, jak byly získávány poznatky o redoxních potenciálech především v obilninách a jejich spojení s odolností, bylo vyvozen závěr, že příčinou odolnosti rostlin vůči obligátním parazitům není nějaká speciální látka, ale možnost parazita získávat energii v hostitelské buňce (nebo pletivu), tedy dýchat a že tato schopnost není vázána jen na specifickou terminální oxidázu hostitele, ale závisí i na okamžitém redoxním potenciálu a pH pletiva. Tyto vztahy budou vysvětleny ve speciální kapitole.

Naměřené redoxní potenciály

Uváděné výsledky jsou prezentovány přímo v naměřených hodnotách, není tedy proveden přepočet na potenciál nasycené kalomelové elektrody (+244 mV).

V úvodu je třeba říci, že redoxní potenciál v listech obilnin leží zhruba v oblasti od +100 mV do -100 mV, u slunečnice děložní listy mají mnohem vyšší redoxní potenciál (více než +200 mV), děložní listy hrachu mají naproti tomu redoxní potenciál nízký (v záporných hodnotách).

Proměnlivost redoxního potenciálu

Během dne se redoxní potenciál mění. Ráno jej mají listy relativně vysoký, kolem poledne redoxní potenciál klesá a k večeru stoupá. Na vymetaných rostlinách jsou redoxní potenciály nízké (záporné hodnoty), během jednotlivých dnů rodoxní potenciál kolísá a v době dozrávání rostliny redoxní potenciál stoupá do kladných hodnot.

Světlo - Je to nejdůležitější faktor pro hodnotu redoxního potenciálu. Nízké hodnoty redoxního potenciálu byly naměřeny jen na rostlinách na poli. Části listů, které jsou kryty delší dobu jinými částmi, např. bazální části čepelí a pochvy, mají vyšší potenciál. Rostliny ze skleníku bez přisvětlení mají redoxní potenciál nad 0 mV, na poli nízký, někdy i nižší než -100 mV. Zastínění rostlin na poli během odnožování má za následek vyšší redoxní potenciál a menší počet odnoží.

Teplota - Vliv teploty je komplikován tím, že redoxní potenciál je zároveň závislý na světle. V laboratorních pokusech zvýšení teploty vedlo k vyššímu redoxnímu potenciálu. Nižší teplota jej snižovala. Ale je pozoruhodné, že teplota pod +5 °C vedla k zvýšenému redoxnímu potenciálu.

Voda - Vadnutí listů mladých rostlin ve skleníku, které měly vyšší redoxní potenciál, způsobilo jeho zvýšení. Naproti tomu vadnutí listů rostlin vyrostlých na poli, které měly nízký redoxní potenciál, způsobilo jeho pokles.

Výživa - První listy rostlin ve skleníku při plné výživě měly nižší redoxní potenciál než rostliny rostoucí v hydroponii bez živin.

CCC - Regulátor růstu CCC snižoval redoxní potenciál listů.

Ontogeneze - V listech obilnin na poli redoxní potenciál klesl z cca +50 mV na -100 mV nebo níže během ontogenetického vývoje. V děložních listech slunečnice byl redoxní potenciál cca +260 mV, v listech na stonku klesl až na hodnotu kolem -20 mV. Pokles redoxního potenciálu v listech během ontogeneze se zdá platit obecně pro většinu rostlin.

Gradient redoxního potenciálu v rámci listu

V rámci jednoho listu má špička čepele listu, která je nejstarším pletivem, nižší redoxní potenciál než báze čepele s vyšším redoxním potenciálem a nově se tvořící a nejmladší list ještě vyšší.

Růst a vývoj listů:

Fáze 1 - Embryonální buňky - Ve vegetačním vrcholu dochází k dělení embryonálních buněk a je v něm velmi nízký redoxní potenciál (kolem -540 mV). Lze jej odhadnout podle změny barvy redoxního barviva trifenyltetrazolium chloridu na červený formazan. Tento test se používá i pro zjišťování životnosti semen.

Fáze 2 - Zvětšování buněk - Po fázi dělení, buněk navazuje bezprostředně růst a diferenciace orgánů - listů a stonků. Umožňuje to přesun auxinu z vegetačního vrcholu do těchto orgánů s vyšším redoxním potenciálem než je v místě dělení buněk.

Fáze 3 - Fáze dospělosti listů s nízkým redoxním potenciálem (u obilnin -50 mV a nižším) - Největší vliv na redoxní potenciál má délka slunečního světla v kombinaci s teplotou. U obilnin reaguje na světlo především koncová část čepele.

Fáze 4 - Stárnutí - redoxní potenciál stoupá (u obilnin -50 mV a vyšší).

U obilnin fáze 1) probíhá v pochvě listů během sloupkování, ve fázi 2) listy vyrůstají ze základů pod vegetačním vrcholem, ve fázi 3) v dospělosti vyrůstají čepele z pochev a vlivem světla jejich redoxní potenciál klesá, ve fázi 4) při stárnutí jejich redoxní potenciál se zvyšuje a jsou napadány postupně řadou chorob.

Vztah mezi redoxním potenciálem a odolností rostliny

V pokusech s utrženými listy obilnin infikovanými padlím travním byly hledány přesné hranice redoxního potenciálu, kdy je orgán náchylný nebo odolný. Poněvadž používaná technika neumožňovala měření redoxního potenciálu a pH v individuálních buňkách, takové přesné hranice nebylo možno najít.

Nicméně hrubší hranice existují. U obilnin listy s redukčním potenciálem pod 0 mV byly odolné, s vyšší hodnotou redukčního potenciálu byly náchylné. V případě rajčat listy a plody s redukčním potenciálem vyšším než +100 mV byly odolné plísni bramborové, s nižšími hodnotami byly náchylné k plísni bramborové. U okurky byly listy odolné vůči plísni okurkové, když redukční potenciál byl vyšší než 0 mV. Redukční potenciál starších listů klesal pod 0 mV a listy byly náchylné.

Padlí na listu pšenice
Padlí na listu pšenice

Plíseň rajčat na listu

Reakce pH a příznaky choroby

V závislosti na pH se mění symptomy chorob, ale i produkce konidií nebo perithecií u padlí nebo tvorba uredospor nebo teleutospor u rzí. Konidie a uredospory se tvoří za kyselejší reakce, teleutospory a perithecia za neutrální reakce.

Nástin hypotézy o rezistenci

Výběr experimentálního materiálu - Studium proměnlivé odolnosti pro objasnění podstaty odolnosti je vhodné z toho důvodu, že se používají jedinci jedné odrůdy, dokonce lze odolnost studovat na jedné rostlině.

Znovu zopakuji znaky této odolnosti: 1. gradient choroby a příznaků na jedné rostlině, 2. změna odolnosti na jedné rostlině během ontogeneze a růstu, 3. rozdílná odolnost jednotlivých buněk orgánu, 4. změna odolnosti buněk během několika málo hodin.

Strategie hledání mechanizmu odolnosti na základě molekulární biologie a hledání určité látky mezi odrůdami různě náchylnými je velmi komplikovaná tím, že v úvahu může přicházet mnoho látek v důsledku odrůdové odlišnosti. Proto hledání podstaty odolnosti v rámci jednoho druhu a jeho variabilní odolnosti postup značně zjednodušuje.

Je však třeba říci, že až dosud nikdo neformuloval podstatu odolnosti rostlin proti chorobám na základě biofyzikálních stavů. Elektrický potenciál (redoxní potenciál) v rostlině neodpovídá redoxnímu potenciálu jak je chápán ve fyzikální chemii, především v tom, že je velmi dynamický a odráží poměr oxidačních a redukčních enzymatických reakcí. Proto se také fyzikální chemici stavěli k tomuto pojetí redoxního potenciálu rezervovaně a metody měření nebyly ani zmíněny v monografii o fyzikálních metodách při výzkumu rostlin (Linskens and Jackson 1990).

Zbývá vysvětlit, proč za vysokého nebo častěji nízkého redoxního potenciálu parazit nemůže v buňce žít. Je známo, že redoxní soustava s vysokým redoxním potenciálem oxiduje jiné redoxní soustavy s nižším redoxním potenciálem a obráceně. Jestliže tedy parazit v buňce produkuje svůj vlastní redoxní systém, který hostitel ve správné poloze zoxiduje, ale tento systém reaguje následně s redoxním systémem hostitele s podstatně nižším redoxním potenciálem, pak dojde k nespecifické redukci, kterou už terminální oxidáza nemůže správně zoxidovat. A obdobně je tomu při vysokém redoxním potenciálu hostitelské buňky. Čili význam redoxního potenciálu hostitelské buňky nebo pletiva spočívá v tom, že redoxní soustava hostitele a parazita spolu reagují oxidací nebo redukcí, ale nespecificky, tedy reakcí v nesprávných polohách skupin OH/O. Byla by možná také reakce obrácená, že by množství redoxní soustavy parazita převážilo nad množstvím redoxní soustavy hostitele. Pak by ovšem hostitelská buňka odumřela.

Protože redoxní potenciál v jednotlivých buňkách může mít rozdílnou hodnotu, bylo pozorováno, že infekční vlákno v méně příznivých případech se několikrát přimkne ke stěně buněčné a opět obloukem roste dál. Jestliže parazit pronikne dovnitř do buňky a redoxní potenciál a pH se nepříznivě změní v raných fázích parazitismu, haustorium odumře a dojde k vytvoření nespecificky zoxidovaných fenolických látek s tvorbou hnědých skvrn, které se již nemohou zapojit do dýchacího řetězce.

Pramen: www.vukrom.cz/kontakty/Benada Jaroslav