Indução de resistência em plantas: estudos de casos e ...
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Indução de resistência em plantas: estudos de casos e modos de ação Flávio H V Medeiros, Mário Lúcio V Resende, Paul W. Pare, Ricardo Magela de Souza, Henrique M. Ferro, Fernanda C L Medeiros
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Indução de resistência em plantas: estudos de casos e modos de ação
Flávio
H V Medeiros, Mário
Lúcio
V Resende, Paul W. Pare, Ricardo Magela
de Souza, Henrique M. Ferro,
Fernanda
C L Medeiros
O fenômeno
de indução
de resistência
O que
o diferencia
de outras
respostas
de plantas
a patógenos
Moléculas
eliciadoras: da
descoberta
ao
uso
comercial
Respostas
comumente
associadas
à
indução
de resistência
Quando
se trata
de indução
de resistência
Características
ou
condições
sine qua non
Comparação
entre antibiose
e indução
de resistência
Estudos
de casos
Bacillus subtilis
UFLA285 na
indução
de resistência
do algodoeiro
Extrato
de folhas
de café
(Fitoforce) na
indução
de resistência
diversas
culturas
e patógenos
Desafios
da
indução
de resistência: from bench to field/market.
Quais
são
e como
estão
sendo
abordados?
INDUÇÃO DE RESISTÊNCIA EM PLANTAS: ESTUDOS DE CASOS E MODOS DE AÇÃO
DOENÇA É REGRA OU EXCEÇÃO?
Buchanan et al., 2000
MAMPs, DAMPs
e efetoras são reconhecidos pelos hospedeiros como sinais de perigo
Boller
& Felix, 2009
Como as plantas
enfrentam
os patógenos?
Barreiras
pré-formadasEstruturaisFísicasQuímicas
Imunidade
inataResposta
a padrões
moleculares
associados
a micróbios
Interação
gene a gene e básicaResposta
não
hospedeira
http://serc.carleton.edu/cismi/itl/intra_bio/index.html
Plant innate immunity, Nurnberger et al, 2004
Reconhece
Responde Relembra
Imunidade Inata
MAMPs associados a bactérias:
•
Cold shock protein (CSP)
•
Superoxidase dismutase (Sodm)
•
Lipopolissacarídeos (LPS)
•
Peptídeoglicano
•
Flagelina
•
Fator de elongação Tu (Ef-tu)
MAMPs associados a fungos:
•
NIP1 de Phytophora infestans
•
Beta glucana
•
Quitina
Erbs & Newman, 2009
MAMPs (PADRÕES MOLECULARES ASSOCIADOS A MICRÓBIOS)
Parede celular da maioria dos fungos fitopatogênicos contém quitina...
Receptores de quitina na plantaEm arroz CEBiP (chitin elicitor-binding protein) (Kaku et al., 2006)
Quitina deacetilada (quitosana) também é reconhecida pelo receptor (Iriti & Faoro,2009)
Fontes naturais de quitina na natureza…
Quitina
Buchanan, 2000
Moléculas lineares de duas
a 20 unidades de α-1,4-D-
ácido galacturônico
Hanh et al., 1981
A planta também reconhece suas próprias moléculas glicosídicas quando está
sendo atacada... os oligogalacturonídeos (OGAs):
Rizobactérias promotoras de crescimento de plantas –
lipopeptídeos (surfactina)Ongena et al. Anais da V Reunião Brasileira de Indução de Resistência, 57-69, 2010
Oomicetos –
Pythium oligandrum –
oligandrinaPicard et al. Plant physiology 124(1): 379–396,
2000
Ascomycota –
Trichoderma sp. –
serina protease e xilanaseHarmann et al. 2004, Nature Review of Microbiology, 2: 43–56
Eliciadores da resistência induzida, produzidos por bactérias e fungos não
(fito)patogênicos
Surfactina
HeptapeptideoAnel cíclico de lactona
Homologues C12 a C15 Homologos
C14
a C18
Fengicina
Lipodecapeptídeo,Anel interno de lactona
Moléculas eliciadoras da indução de resistência de Bacillus subtilis
Buchanan, 2000
FLS2Flagelo (flg22)
MAPKKK
MAPKK
MAPK
WRKY
CEBiP
Trandução
de sinal
Ativação de fator de transcrição TranscriçãomRNA
mRNA=>proteínas Tradução
quitina
Pecepção de sinal
OGArOGA
Atividade antimicrobiana (ex: quitinase)
Função metabólica (PAL)
Eventos de sinalizaçãoAumento das concentrações de H+
e Ca2+
no citosolExplosão oxidativa (também é
defesa)
Ativação de MAP quinasesMensageiros secundários: ácido jasmônico, etileno ou salicílico (menos comum)
Alterações da estrutura da célula –
barreiras físicasCaloseLigninasPapilas
Alterações da estrutura da célula –
barreiras químicasFitoalexinas (flavonoides, taninos, fenois e terpenos)Inibidores de proteinase (nematóides e insetos)Proteínas relacionadas à
patogênese (PRPs)
Exemplos de respostas à
exposição de plantas a MAMPs
Como saber se o controle observado é garantido pela indução de resistência?
Qual a importância de se saber o mecanismos de ação predominante?
SUSTENTABILIDADE
Diferentes modos de ação: mesmo patossistema (Xathomonas axonopodis pv. malvacearum e Bacillus sp.)
Antibiose: sideroforos, ácido cianídrico e redução de pH
Arya & Parashar, 2002
Indução de resistência: POX, PAL, lignina, …
Ishida et al., 2008
Tratamento deve ser feito 7d antes da inoculação
Tratamento resulta em efeito 2d antes da inoculação
Não há
dose resposta
Há
maior controle com o aumento da dose
Macha angular do algodoeiro (Xanthomonas axonopodis pv. malvacearum)
CARACTERÍSTICAS DAS RESPOSTAS DE INDUÇÃO DE RESISTÊNCIA
Separação física entre indudor e sítio de infecção
Não apresenta atividade direta contra o patógeno
Necessidade de um tempo entre a aplicação do produto e a resposta
de defesa
Não há
efeito dose resposta (até
atingir “plateau”)
Inespecificidade da proteção
MODO DE AÇÃO: indução de resistência e a separação física
Patógeno Indutor
Split root system
nematóides, fungos e bactérias (soil-borne)
I-plates (placas bipartidas)
Zhang et al. (2007)
Bakker et al. (2010)
Atividades específicas de três famílias de lipopeptídeos de Bacillus spp.
Poderosos biossurfactantes
Antiviral
Antibacteriana
Baixa fungitoxicidade
Grande atividade antifúngica (leveduras e fungos filamentosas)
Baixa atividade antibacteriana
Baixa atividade antiviral
Surfactina Iturina
Fortemente antifúngico (fungos filamentosos )
Fengicina
Antibiose
ISR
Marc Ongena, 2010
Antibiose
ISR
Planta P. putida WCS358
P. fluorescens WCS417
P. fluorescens WCS374
Arabidopsis + + -Feijão + + ndRabanete - + +Arroz - - +Tomate + + nd
INDUÇÃO DE RESISTÊNCIA E A DEPENDÊNCIA DE HOSPEDEIROEspécie cultivada
Peter Bakker, 2010
Dias após aplicação de ASM
ASM
Expr
essã
o re
lativ
a de
PR1
(tra
t/te
st)
ASMHerman et al. Physiological and Molecular Plant Pathology 71 (2007) 192–200
Xanthomonas vesicatoriaXanthomonas vesicatoria
INDUÇÃO DE RESISTÊNCIA E A DEPENDÊNCIA DE HOSPEDEIROMesma espécie cultivada –
diferentes cultivares
HÁ
NECESSIDADE DE DOSE MÍNIMA PARA SE TER INDUÇÃO DE RESISTÊNCIA?
Phytopathology 98(2):196-204
4 g a.i.
Tomato spotted wilt virus symptoms
Phytotoxic effect of ASM
corn lettuce bean tomato cucumber soy
2,6. 106 2,8. 107 1,8. 107 2,3. 107 nd nd
A RESPOSTA DE COLONIZAÇÃO E INDUÇÃO DE RESISTÊNCIA É
CULTIVAR DEPENDENTE
Produção de metabólitos
colonização
Marc Ongena, 2010
ESTUDOS DE CASOS ENVOLVENDO A INDUÇÃO DE RESISTÊNCIA
Seleção de rizobactéria e avaliação da induçãoExtrato de planta para indução de resistência
Controle do tombamento de algodão pelo tratamento de sementes com Bacillus spp.
xx
BrazilianBrazilian’’s savana plateaus savana plateau
>3 years conventional cotton >3 years conventional cotton croppingcropping
~700m altitude~700m altitude
~1500 mm rainfall~1500 mm rainfall
DampingDamping--off presentoff present
ScreningScrening……..
Ensaios de campo (2007/08 e 2008/09)GerminaçãoTombamento de pós-emergênciaPeso seco de parte aéreaProdutividade
Requer tempo para exercer algum benefício…
Como você pode prever o efeito do indutor de resistência em plantas (cultivadas)?
A evolução do custo do sequenciamento…
I will not think of sequencing very soon!!!
Sequencing: a valuable information (low cost, high profit)
In the 90s… In 2010…
$$$$equencing…my recipe to succeed
Genome sequence
Blast to known sequences
Transcriptomics
Metabolomics
We will know what is known!!!
Proteomics
Sucrose (phosphate)
Sucrose (phosphate) synthase
Glucose + fructose
Piruvate
Bifunctional aldolase
Ketoacyl CoALipid synthesis (sterol)
Ketoacyl CoA synthase
Lipid catabolism
Oxidative decarboxylase?
Electron transport chain (cytochromes)
Citric acid cycle
ENERGY GENERATION
Malate dehydrogenase
Oxaloacetate
Malate
Aspartate/Asparatine metabolism
PEP carboxylase
PhosphoenolpyruvateAsparagine
Glutamic acid
Proline synthesis
phenylalanine
Phenylpropanoid pathway
ANAPLEUROTIC REACTIONS
P5CS
Cellulose synthase
Cellulose
Gene classes Response Ratio (treated/control)
Gene numbers
Defense (12.1%)Anti-oxidants/scavengers glutathione-S-transferase, peroxidase,
dehydroascorbate redutase, MATE efflux family protein, thioredoxin, purple acid phosphatase, cytochrome P450
0.54-2.34 (93% UP) 15
PR-protein Thaumatin-like protein, resistance induced protein 13, uncharacterized resistance protein, major cherry allergen, Endo-beta-acetylglucosaminidase
1.51-2.06 (100% UP) 5
Jasmonic acid biosynthesis Lipoxygenase*, allene oxide cyclase 1.51-1.60 (100% UP) 2Phenylpropanoid-pathway Phenylalanine ammonia-lyase, caffeic acid O-
methyltransferease, 2-hydroxyisoflavone reductase, cinnamoyl CoA reductase, dihydroflavonol 4 reductase
1.64-2.50 (100% UP) 6
Osmorregulation Pyrroline-5-carboxylate synthetase, aquaporin 0.59-1.65 (50% UP) 2Cell wall modulators (3.6%)reinforcement Transferase, UDP glycosyl transferase 88B1,, callose synthase,
Lipid transfer protein, Glycosyl transferase, cellulose synthase0.48-1.2 (67% UP) 6
loosening xyloglucan endoglycosyl/hydrolase 0.37-0.58 3Stress-related (2.4%) Heat shock protein, alcohol dehydrogenase, chaperone
protein DNAJ-related0.55-1.81 6
Proline content in stems 13 days after sowing
4 days without water 4 days after inoculation
Photosynthesis
8 days without water
24h after rewatering
17 days after sowing
19 days after sowing
Desafios a serem superados no uso “comercial”
da indução de resistência…
Custo metabólico (erro na dose para mais/menos)
Interferência de sinais (o caso da soja x ferrugem x indutor)
Manejo de uso do produto (tempo resposta, intervalo de aplicação, dose,
compatibilidade)
Determinação de frações ativas e controle de qualidade
Formulação
Scale up
da produção e custo do produto
COMPARAÇÃO PTI e ETI
Característica PTI (Indução de resistência)
ETI (Resistência gene a gene)
Tempo de resposta lento Rápido
Intensidade da resposta + +++
Genes ativados PRs, fitoalexinas, PAL Semelhantes +HR
O tempo de resposta à
molécula eliciadora…INDUÇÃO DE RESISTÊNCIA VS RESISTENCIA GENE A GENE
Kamoun, 2006
Patógenos podem superar a defesa mediada por indutores de resistência
Conclusões -
o que levar para casa?
Moléculas eliciadoras : quais são? –
Derivadas de microrganismos (em geral),
especificamente por ele produzidas ou derivada de outras fontes (planta,
artrópodos, etc.).
Quebra de paradigmas nas condições sine qua non do indutor de resistência
Abordagens que avaliem efeitos globais do uso de um indutor amparam acerca
de efeitos deletérios e podem apontar novas potencialidades de uso
Desafios a serem superados no uso de indutores de resistência
AgradecimentoProf. Paul Pare, Texas Tech University
Agências de fomento às pesquisas
Controle biológico de doenças de plantasUniversidade Federal de [email protected]
Dúvidas?
