افزایش ایمنی گیاه با استفاده از تریکودرما

مکانیسم های حفاظت از گیاهان توسط میکروب ها

در طول تکامل، گیاهان مکانیسم های بسیار حساسی که از طریق آنها می‌توانند به محرک‌های زیستی پاسخ دهند و فیزیولوژی و مورفولوژی آ ‌نها را برای اطمینان از بقا تغییر دهند، توسعه داده اند. بنابراین یکسری عناصر سیگنالینگ و پاسخ باید قبلا در گیاه سازماندهی شود تا به سرعت محرک های خارجی را شناسایی کند.
برخی از این مکانیسم های دفاعی از پیش ساخته شده اند و سبب ایجاد موانع فیزیکی و شیمیایی می شوند و برخی دیگر تنها پس از دریافت مولکول های مشتق شده از میکروب القامی شوند. در مواد مغذی ریزوسفر، گونه های بی شماری از میکروارگانیسم ها، برای کسب غذا رقابت می کنند.
برای تعریف برهمکنش بین گیاه و میکروارگانیسم ها: به عنوان خنثی، بیماری‌زا یا مفید برای گیاهان، فرآیند شناسایی است که می‌تواند از طریق انتشار ترکیبات فرار آلی، توسط مولکول‌های قابل انتشار رخ دهد. میکروبها چندین مولکول تولید می‌کنند که تعاملاتی را با گیاهان سبب میشوند. به آنهایی که مربوط به پاتوژن ها هستند الگوهای مولکولی مرتبط با پاتوژن ( PAMPs )گفته می شود. فلاژلین، کیتین، ارگوسترول، کوپروتئین و لیپوپلی ساکاریدها نمونه هایی ازPAMPهای اولیه که توسط پروتئین های مقاومت گیاهی (PR) شناسایی می شوند و در نتیجه باعث افزایش ایمنی گیاهان می شوند.
پاسخی به نام ایمنی محرک اثرگذار (پاسخ دفاعی اولیه ) در دفاع گیاه شامل تغییراتی در سطوح کلسیم سیتوزولی (+2Ca)، در تولید گونه های فعال اکسیژن ( ROS ) مانند سوپر اکسید وپراکسید هیدروژن ( 2H2O) و واکنش هایی به عنوان فسفوریلاسیون پروتئین و فعال سازی فسفولیپازها و همچنین پروتئین های متصل شونده، می باشد.
علاوه بر برانگیختن پاسخ های دفاعی اولیه، سیگنال های میکروب ها ممکن است سبب تولید
هورمون های گیاهی مانند اسید سالیسیلیک (SA)، اسید جاسمونیک (JA)و اتیلـن (Et)شـوند.
SA وJA می توانند متیله باشند (به ترتیبSA-Me و JA-Me ، ) و سپس تبدیل به مواد فراری شوند که القا کننده های قوی ژن ها هستند.
اسید سالیسیلیک به طور کلی با ارگانیسم بیوتروف مرتبط است، در حالی که اسید جاسمونیک و اتیلن به طور کلی با مقاومت مرتبط هستند با مقاومت در برابر پاتوژن های نکروتروفیک،(مقاومتی که در پاسخ به حمله موضعی ایجاد می شود) که اغلب به طور سیستماتیک در اندامهایی که هیچ آسیبی نمی بینند گسترش می یابد. در گیاهان بر اساس تفاوت در تحریک آنها:
مقاومت اکتسابی سیستمیک (SAR) و مقاومت القایی سیستمیک (ISR) وجود دارد.
SAR توسط عوامل بیماری زا ایجاد می شود مانند مواردی که باعث ایجاد نکروز می شوند وهمچنین با افزایش اولیه در سنتزSA افزایش می یابد.
از سوی دیگر، ISR از طریق JA و ET هنگامی که گیاهان تحریک می شوند فعال می شود.
مکانیسم حفاظتی با بیان ژن‌های دفاعی و همچنین تولید ژن‌های دفاعی آغاز می‌شود و ترکیبات شیمیایی به نام فیتوالکسین ها که شامل: فلاونوئیدها، فنل ها، گلوکوزینولات ها، ترپن ها و آلکالویدها است را تولید می کند که طیف وسیعی از عملکردهای ضد میکروبی را دارا می باشند.

مقاومت اکتسابی سیستمیک

به نظر می رسد سالیسیلیک اسید یک تنظیم کننده حیاتی برای القای SAR  است که واسطه فعال سازی یک مجموعه بزرگ و فعال شدن ژن های مرتبط با بیماریزاها (PR)، که دارای فعالیت ضدمیکروبی می باشند، است.

مقاومت سیستمیک القایی

سویه هایی از ریزوباکترهای محرک رشد گیاه (PGPR) و قارچ های محرک رشد گیاه (PGPF)، سبب فعال سازیISR  می شوند تعدادی از PGPF ها از جمله قارچ های میکوریزا و سویه های غیربیماری زای Pythium ،Penicillium sp ، GP16-2 ،Trichoderma sp ،Fusarium oxysporum Piriformospora indica ،oligandrum می توانند بیماری را کاهش دهند، این نوع مقاومت زمانی رخ می دهد که گیاه در برابر پاتوژن دفاع کند.

مکانیسم ها برای مقاومت در برابر عفونت توسط عوامل بیماری زا تحریک و آماده می شوند. یک مسیر انتقال سیگنال برای ISR ایجاد شده توسط PGPR  نشان می دهد که مکانیسم وابسته به جاسمونیک اسید، اتیلن است، اما مستقل از سالیسیلیک اسید است. تعامل بین سیگنالینگ JA و ET  ممکن است گاهی اوقات به عنوان هم افزایی باشد.

SAR و ISR  از این نظر مشابه هستند که هر دو طیف وسیعی از مقاومت در برابر بیماری را ایجادمی کنند.

دفاع های شیمیایی

به عنوان یک نتیجه یا دفاع فعال هورمونی، بیوسنتز فیتوالکسین ها به ایمنی گیاه کمک میکنند. این فیتوالکسین ها آنتاگونیست های وسیع الطیفی هستند و به سرعت در مناطق عفونت تجمع می یابند. برنج 15 فیتو الکسین، از جمله مومیلاکتون های A (MA)  و B (MB) تولید می کند.

این ترکیبات به سرعت انباشته شده و فعالیت آنتی بیوتیکی برای مهار تهاجم پاتوژن های بلاستبرنج (Magnaporthe grisea) و Rhizoctonia solani ، شروع می کنند. تجمع فیتوالکسین کامالکسین در آرابیدوپسیس در پاسخ به تریکودرما اخیراً گزارش شده است که نشان دهندهسطح حفاظت گیاه توسط این قارچ های مفید می باشد.

ایمنی ناشی از تریکودرما

میکروسکوپ الکترونی مقاطع بسیار نازک از ریشه های تیمار شده با تریکودرما و نفوذ هیف هابه اپیدرم ریشه را نشان می دهد. کلونیزه کردن ریشه ها توسط تریکودرما منجر به فعال سازی مقاومت القایی می شود، پاسخ های دفاعی به دست آمده پیچیده و بسته به مقدار تلقیح ممکن است هورمون‌های دفاعی متعارف سالیسیلیک اسید و جاسمونیک اسید را شامل‌شود،همچنین بیوسنتز فیتوالکسین کامالکسین را سبب میشود.

یک مدل ساده شده برای پاسخ های دفاعیگیاهی ناشی از تریکودرما و تشخیص میزبان ازمحرک های تریکودرما (MAMPs) مانند : زایلاناز،TasSwo،ThPG و سیگنالینگ  اولیه مانند:فسفوریلاسیون-دفسفوریلاسیون پروتئین، شاریون و انفجار اکسیداتیو.

رویدادهای بعدی شامل بیوسنتز فیتوهورمونهایی مانندJA ،SA وET ، تولید ترکیبات ضدمیکروبی و القای ژن های دفاعی گیاهی مانند

2LOX و 1PR جهش PPTase  در T. virens  برپاسخ های دفاعـی ناشـی از این قارچ از طریق مسیر SA  تأثیر می گذارد.

تشخیص قارچ

به طور کلی، گیاهان تشخیص قارچ ها را باMAMPs ارگوسترول و الیگومرهای کیتین آزاد شدهاز دیواره سلولی قارچی حس می کنند؛ این فرآیند از طریقLysM  رخ می دهد.

پروتئین های گیرنده 1CERK وCEBiP به ترتیب در آرابیدوپسیس و برنج شناسایی شدند.اولینMAMP  شناخته شده از تریکودرما یک زایلاناز القا کننده (ET (Xyn2/Eix بود که توسطTrichoderma virideتولید شد که به عنوان یک تحریک کننده قوی عمل می کند.

سایر محرک های این تریکودرما عبارتند از سلولاز،endopolygalacturonase ThPG1 ،swollenin TasSwo ،آلامتیسین (ALA)، و یک پروتئین غنی از سیست کوچک به نام 1Sm، که عضوی از خانواده سراتوپلاتانین است.

در حال حاضر، الیسیتورهای مختلفی از تریکودرما گزارش شده است که حرکت 2Ca+ را تحریک و تجمع ROS ها را افزایش می دهد. تغییرات + 2Ca سیتوزولی توسط MAMP ها نقش اساسی درایمنی ذاتی در گیاهان دارد.

پروتئین های شبه کلسینورین B (CBLs) به عنوان الیسیتورهای +2Ca برای فعال کردن پروتئین کینازهای خاص و پروتئین کینازهای متقابلCBL (CIPKs)  عمل می کنند. دو عدد CIPK  از برنج تحت عنوان 14OsCIPK و 15OsCIPK شناسایی شده است، که شامل chitooligosaccharides  و زایلاناز می باشند و ازT. viride القا شدند.

سیگنال دهی هورمونی

مطالعات مختلف نشان می دهد که القای مقاومت ژن توسط تریکودرما ممکن است تا حدی باتغییرات متابولیکی مشخص در میزبان، از جمله افزایش تولیدSA ،JA  وET  مرتبط باشد.

در گیاهان تلقیح شده با تریکودرما میزانJA  به سرعت افزایش می یابد. کلونیزاسیون ریشهذرت توسطT. virens سبب افزایش بیان ژن های سنتزJA  شد.

مدولاسیون بیان ژن

در گیاهان جهش یافته ی 1-2eto3 ،eto2 ،Arabidopsis ein و 5-1npr که باT. harzianum تلقیح و باB. cinerea  آلوده شدند، و به طور افزاینده ای تحت تأثیر این پاتوژن قرار گرفتند،نشان داده شد که مقاومت ناشی ازT. harzianum  در برابرB. cinerea به مسیرهایJA/ET وابسته است.

در گیاه آرابیدوپسیس، بیان یک مجموعه ژن های مربوط بهSAR وISR ارزیابی شد، نتیجه بدین صورت بود کهTrichoderma asperelloides باعث تغییراتی در بیان فاکتور رونویسی ژن 51MYB که در تنظیم بیوسنتز گلوکوزینولات نقش دارد، فاکتور رونویسی40ETO3 ،WRKY که در بیوسنتزET نقش دارد و بیوسنتزLTP4 a  که پروتئین ترانسفرازلیپیدی است، نقش دارد.

در بذرهایی که باTrichoderma atroviride تلقیح شده بودند، تغییراتی در بیان ژن 3PADکه کد آخرین آنزیمی که در سنتز کامالکسین نقش دارد ایجاد شد.

چندین مطالعه نشان می دهد که کلونیزاسیون ریشه توسط تریکودرما در افزایش سطح آنزیمهای مربوط به دفاع در گیاهان از جمله: پراکسیدازها، کیتینازها و -3-1-β گلوکاناز نقش دارد.

در طول تعاملT. asperellum  وگیاه خیار، ژن HPL  که با تولید تـرکیـبات ضـد میـکروبی فعال می شود، تنظیم و فعال شد.

PAL یک آنزیم کلیدی برای سنتز SA  و تنظیم شدن مسیر سیگنالینگ ET JA/ است PAL پیـش سازهایی را برای تشکیل ترکیبات ضد میکروبی فراهم می کنند.

تنظیم مثبت PAL  در گیاهان خیار تلقیح شده با T. asperellum  و ذرت تلقیح شده باT. virens گزارش شد.اکثر مطالعات ذکر شده در بالا نشان دهنده دفاع ناشی از تریکو درما و محافظت در برابر پاتوژن ها با تجمع رونوشت ژن‌های تنظیم‌ شده توسط JA ،SA و ET و همچنین ژن‌هایی که فاکتورهای رونویسی را کد می کنند مرتبط است.

ارتباطات شیمیایی و دفاع

تریکودرما تعدادی ترکیبات فرار آلی تولید می کند که ممکن است عملکردهای حفاظتی درگیاهان داشته باشند. VOCs ها در فرآیندهای بیولوژیکی مختلف مانند کنترل زیستی یا ارتباط بین میکروارگانیسم ها و محیط زندگی آنها نقش دارند. و نقش کلیدی در مایکوپارازیتیس تریکودرما و همچنین در تعامل با گیاهان دارند.

سلولیزین ازT. viride باعث انتشارVOCs هایی ،4,8-dimethylnona-l, 3,7-tri ene ،linalool ،β-ocimene ،)3Z)-hexe nyl acetate مانند می شود . cis-jasmone  وindole آلامتیسین ازT.viride  یک پپتید تشکیل دهنده کانال یونی است که می تواند القا کننده انتشارVOCsو افزایش سطحJA وSA در گیاهان باشد.

Trichoderma virens و T. atroviride  باعث تجمع کامالکسین در آرابیدوپسیس می شوند.

Trichoderma virensهمچنین ایندول-3-کربوکسالدئید (ICALd) که یک ترکیب مشتق ازتریپتوفان را با فعالیت در رشد گیاه تولید می کند.

افزایش ایمنی گیاه با استفاده از تریکودرما

تریکودرما ایمنی ذاتی را در خیار ،پنبه، ذرت، سیب زمینی، گوجه فرنگی، کاکائو، خربزه و آرابیدوپسیس بهبود بخشید. به عنوان مثال، کلونیزاسیون ریشه های ذرت توسطT. harzianum 22TیاT. virens رشد گیاه را افزایش داد و بیماری ناشی از Colletotrichum graminicola  را سرکوب کرد.

به طور مشابه، زمانی که نهال‌های آرابیدوپسیس باB. cinerea ، تلقیح شدند،تعدادی از گیاهان پس از 3 روز دچار ضایعات نکروز شده و از بین رفتند، در مقابل هنگامی که نهال ها با T. virens یاT. atroviride تلقیح شدند و سپس باB. cinerea  آلوده شدند، گیاهان کمتری آسیب دیدند و ضایعات نکروزه کمتری در برگها مشاهده شد.

در بوته های خیار تلقیح شده با 34T. asperellum T و سپس آلوده شده باP. syringae pv lachrymans، تکثیرP. syringae در گیاهان تلقیح شده با تریکودرما در مقایسه با گروه شاهد تلقیح نشده محدود بود.

القای مقاومت پایه گیاه و کاهش پاسخ های هورمونی ناشی ازF. oxysporum  هر دو مکانیسمی هستند که توسطT. harzianum می توانند کنترل شوند.

در تحقیق بسیار اخیر ، اثربخشی 6T. harzianum TrوPseu 14domonas sp. Ps بر اثربخشی مقاومت القایی در خیار و آرابیدوپسیس بررسی شد.

هر دو عوامل کنترل بیولوژیکی از ریزوسفر خیار جدا شد و به عنوان یک کاربرد واحد موردآزمایش قرار گرفتند. و همچنین برای بررسی اثر مقاومت القایی خیار در برابرF. oxysporum

1. sp. radi cis cucumerinum در آرابیدوپسیس در برابر .B. cinerea، ترکیب 6Tr و 14Ps باعث ایجاد سطح قابل توجهی از مقاومت القایی در این گیاهان شد.

با بیان اولیه مجموعه ای از ژن های مرتبط با دفاع در هنگام آلوده سازی با فوزاریوم درآرابیدوپسیس هر دو 14Ps و 6Tr باعث ایجاد ISR در برابر B. cinerea شدند، اما ترکیب آنها افزایش مقاومت در گیاه را نشان نداد.

این نتایج نشان می دهد که در آرابیدوپسیس 14Ps و 6Tr هر دو همان مسیر سیگنالینگ رافعال می کنند و بنابراین ترکیب آنها اثر افزایشی ندارد.

نتیجه گیری

گیاهان با تعداد بی شماری از پاتوژن های میکروبی یا همزیست تعامل دارند. در چند سال گذشته، پیشرفت قابل توجهی در درک ایمنی فعال توسط قارچ های مفید تلقیح شده مثل تریکودرما با گیاه داشته ایم که منجر به بهبود مقاومت هم به صورت موضعی و هم به صورتسیستمیک شده است.

ارتباط و کلونیزاسیون ریشه های گیاه با تریکودرما می توانند پاسخ های دفاعی را القا کنند و از گیاهان در برابر پاتوژن های گیاهی محافظت کنند. این پاسخ ها ممکن است توسط تحریک کننده های قارچی که شامل تجمع هورمون هایی مانند سالیسیلیک اسید،جاسمونیک اسید یا اتیلن در گیاه است، فعال شوند.

در اولین مراحل تعامل با گیاهان، MAMPs ها از تریکودرما ممکن است توسط گیرنده ها درکشوند و مسیرهای سیگنالینگ و پاسخ های دفاعی میزبان را فعال کنند.

دو محرک ISR  خاص ترشح شده توسط 8-29T. virens Gv گزارش شده است. پپتیدها با فعالیت ضد میکروبی به نام پپتایبول دارای اثرات ISR بوده و سیستم دفاعی در برگ های خیار را فعال می کنند. یکی دیگر از گیرنده های ISR پروتئین کوچک خارج سلولی بنام 1Sm است که بیان ژن آن در گیاهان پنبه گزارش شده است.

مطالعات بیشتر با استفاده از تجزیه و تحلیل ژنتیکی معکوس، نشان می دهد که بیان 1SM برایتحریکISR  در گیاهان ذرت و حفاظت در برابر پاتوژن برگیC. graminicola ضروری است.

منبع:

Contreras-Cornejo, H. A., Macías-Rodríguez, L., López-Bucio, J. S., & López-Bucio, J. (2014). Enhanced plant immunity using Trichoderma. In Biotechnology and biology of Trichoderma (pp. 495-504). Elsevier.