Induced Metabolic Defenses: Vertical resistance The hypersensitive response Many of the same compounds associated with hypersensitive response are associated with resistance. The primary difference here is that their production during HR is accompanied by programmed cell death…apoptosis

Local lesions – restricted HR

Induced Metabolic Defenses: Hypersensitive Reaction A type of programmed cell death – apoptosis. Invaded cells and some surrounding cells die. Characterized by: 1. recognition of pathogen avr genes by host resistance genes 2. increased ion movement across membranes 3. rapid burst of reactive oxygen species (ROS), superoxides and nitric oxide 4.phenolics, jasmonates and salicylic acid –signaling molecules 5.degradation of DNA, membranes disrupted, cell death. 6. Production of PR protein is induced, which further induces Systemic Acquired Resistance (SAR)

Induced Resistance Develops after pre-inoculation of plants w/various biotic agents or after pre-treatment with various chemical or physical agents. It is non-specific since, regardless of the agent used as the inducer resistance is increased for a variety of pathogens. Local Acquired Resistance Systemic Acquired Resistance (SAR) Infection is localized, after several days, plant is resistant to attack in other areas. Usually resistance is expressed as small local lesions or complete resistance (no symptoms).

Systemic Acquired Resistance Inducer inoculation Local acquired resistance 3 days to months, then inoculate Systemic acquired resistance SAR- long-term resistance to a range of pathogens throughout plant caused by inoculation with inducer inoculum

Induction of Systemic Acquired Resistance 1- Production of H2O2 (plus antioxidants) Hydrogen peroxide has been associated secondary induction of SAR and direct toxic activity to invading pathogens 2 - Thickening of plant cell wall Production of phenolics (lignin, tannic acid) that strengthen walls and inhibit pathogen enzymes 3- Accumulation of pathogenesis related proteins “PR-proteins” enzymes that degrade fungal cell walls: chitinases, ß-1,3 Glucanases These enzymes accumulate in vacuole of plant cell. Upon attack, they directly degrade fungal cell walls. Indirectly, their action results in the release of fungal wall components that elicit additional defense reactions Sprayed inducer (activator) that mimics salicyclic acid

Plants can have more than one type of acquired resistance Strains of bacteria living on roots Pathogens or synthetic chemicals

Plant Defense: Systemic Acquired Resistance Following HR, increased resistance throughout the plant Due to increased expression of pathogenesis-related genes Long-lasting effect Salicylic acid is required for induction

La patwhay del salicilico

La risposta sistemica acquisita La SAR è una forma di resistenza inducibile che è stimolata sistemicamente in tessuti sani di piante localmente infette La natura del segnale mobile che viaggia attraverso il floema dai siti di infezione per stabilire l’immunità sistemica è stato cercato per decadi Diverse molecole candidato sono emerse negli ultimi anni che includono Il metilsalicilato L’acido jasmonico Un fattore glicerolipidico Un gruppo di peptidi coinvolti nel cell-to-cell signaling L’amplificazione del segnale SAR va in parallelo con le risposte di difesa SA-dipendenti ed è concomitantemente finemente regolata dall’auxina

La risposta sistemica acquisita Diversi tipi di interazione pianta-patogeno risultano nella generazione e nell'emissione di segnali a lunga distanza dal sito d'infezione verso i tessuti sani e non infetti della pianta in cui la resistenza è indotta, ad es. i funghi micorrizici o dagli PGPR che inducono la resistenza nei tessuti radicali delle piante In aggiunta l'infezione delle parti aeree della pianta da parte di organismi biotrofici risulta nell'induzione sistemica di una resistenza a largo spettro e duratura nota come SAR. Questa è indotta dall'HR anche se questa non è sempre necessaria per generare un segnale di SAR a lunga distanza. Inoltre anche la resistenza basale (ad es. indotta da flg22) è capace di generare segnali che stimolano la SAR La SAR dipende anche dal light-signaling attraverso i recettori fitocromici PhyA e PhyB Mentre sicuramente la SAR sembra essere una caratteristica della SA-dependent disease pathway il segnale mobile che la diffonde è ancora elusivo

Generazione e trasmissione del segnale metil salicilato L'accumulo di SA è necessario per la SAR ma soltanto nei tessuti che percepiscono il segnale sistemico ad es. le foglie di tabacco infettate con TMV possono trasmettere il segnale per la SAR nonostante la presenza di nahG, però i tessuti sani non possono riceverlo per l'attività degradativa di nahG (SH- salicilato idrossilasi) nei confronti del SA Il derivato del SA, il MeSA, non è degradato da SH e agisce come un segnale a lunga distanza capace di trasmettere la SAR L'idrolisi del MeSA a SA da parte dell'attività MeSA esterasi svolta dalla SA-binding protein 2 (SABP2) nei tessuti sistemici stimola la SAR iniziando in tal modo il loop a feedback positivo del SA

Generazione e trasmissione del segnale metil salicilato L'inibizione a feedback di SABP2 da parte del SA nei tessuti infettati assicura l'accumulo di sufficienti quantità del segnale; infatti la SAR è abolita quando i livelli di MeSA sono soppressi in questi tessuti dall'espressione di una MeSA esterasi non inibibile o attraverso il silenziamento genico L'analisi di una famiglia genica di 18 membri in At chiamata At metil esterasi 1- 18 (AtMES1-18) indica proprio che il MeSA è un segnale per la SAR molto conservato In aggiunta alla sua funzione come SAR signal, il MeSA può servire come segnale volatile che è emesso dalle piante infette e capace di indurre l'espressione genica nelle piante vicine non infette. Quindi il MeSA sembra essere uno dei principali segnali di comunicazione di difesa all'interno e tra le piante

Generazione e trasmissione del segnale lipid signaling Una mutazione che altera la lipid transfer protein DIR1 (defective in induced resistance) rende At incapace di generare/trasmettere un segnale per la SAR ma non influenza la resistenza nella parte infettata La molecola lipidica che interagisce con DIR1 è ancora sconosciuta ma le mutazioni in diversi geni che codificano per enzimi coinvolti nel metabolismo dei galattolipidi cloroplastici (FAD7, SFD1, SFD2, MGD1) aboliscono la SAR senza influenzare la resistenza basale.

Generazione e trasmissione del segnale lipid signaling Gli essudati fogliari dei mutanti dir1 riescono a recuperare il signalling di difesa sistemica in mutanti fad7 indicando che queste molecole di natura lipidica sono necessarie per la SAR Un altro potenziale SAR signal di natura lipidica è il JA, come indicato dall'accumulo di questo ormone nel floema e l'induzione sistemica di geni JA responsive

Lipid signaling La lipid-transfer protein di tabacco (LPT1) induce la resistenza alla malattia ma soltanto se si trova insieme al suo ligando, il JA. Quindi l’insieme proteina-lipide LPT1-JA o DIR1-GL sono coinvolti nel segnale a lunga distanza tipico della SAR Comunque il legame tra JA e SAR rimane poco chiaro infatti la SAR non è alterata in tutti i mutanti nella JA-pathway e inoltre il fattore glicerolipidico che induce la SAR insieme a DIR1 non è il JA e il JA stesso non è capace di restaurare un segnale difensivo attivo negli essudati dei mutanti sfd1 o fad7 Quindi due segnali associati a molecole lipidiche potrebbero lavorare in parallelo ed insieme al MeSA per regolare la SAR ma se uno di questi segnali sia un derivato del JA rimane tuttora da dimostrare Il legame del JA con il MeSA deriva dal fatto che questo ormone è capace di controllare l’espressione di geni codificanti per la SA metil transferasi, inducendone in tal modo l’accumulo Quindi oltre ad un suo putativo ruolo indipendente nella SAR, l’induzione di JA durante l’infezione incrementa la presenza del MeSA

Peptide signaling L’aspartico proteasi apoplastica CDR1 (constitutive disease resistance 1) genera un piccolo peptide che è un segnale mobile capace di indurre la SAR Il substrato di CDR1 è ancora ignoto ma si pensa che possa processare le proteine PROPEP alla loro forma attiva AtPep1-6. Propep1-4 sono regolati in modo differenziale da diversi segnali difensivi tra cui il MeSA L’Atpep receptor-like kinases si trova sulla superficie cellulare associato alla membrana e questo indicherebbe un ruolo nell’interazione cellula-cellula per queste proteine durante la risposta di difesa, anche se il loro ruolo nella SAR deve essere ancora confermato

Vasculature-associated signaling Un ipotetica funzione del NO nella SAR è stato recentemente rafforzata in uno studio in cui il livello della S-nitrosilazione delle proteine (SNOs) era legato alla SAR stessa. Alti livelli di SNO sono indotti sia nei tessuti infetti che nei tessuti sistemici in piante in cui la SAR era indotta e la soppressione della SNO attraverso l’overespressione dell S-nitrosoglutatione reduttasi (GSNOR) comprometteva la SAR Dato che le GSNOR sono localizzate nelle cellule compagne del floema e nel parenchima dello xilema e la loro overespressione le fa accumulare nei tessuti vascolari è stato ipotizzato che possano giocare un ruolo nella diffusione sistemica del segnale per la SAR attraverso i vasi A supporto di questa ipotesi NO è indotto nel floema di Vicia faba dopo trattamento con HP o SA mentre gli essudati floematici di Cucurbita maxima trattata con HP contengono elevati livelli di proteine nitrosilate

Percezione del segnale e sua amplificazione La SAR e il signaling associato alla SA-mediated defense sono parzialmente sovrapposti dato che il loop a feedback positivo del SA è essenziale per amplificare il SAR signal nei tessuti sistemici. NPR1 è uno dei principali regolatori del signaling del SA e della SAR L’SA e l’auxina hanno un ruolo antagonistico nella resistenza alla malattia e la repressione degli auxin-related genes è stata osservata nei tessuti sistemici SAR-indotti di At. Inoltre membri della famiglia GH3 degli enzimi che formano aciladenilato/tioesteri coinvolti nella coniugazione degli AA all’auxina, sono implicati nella regolazione della resistenza basale ed R-mediata ed anche della SAR GH3.5 può coniugare sia l’SA che l’IAA ed entrambe le pathway sono upregolate nelle piante che overesprimono GH3.5 in seguito all’infezione Nei mutanti gh3.5 la SAR è parzialmente compromessa come indicato dalla soppressione dell’espressione dell PR-1 nei tessuti sistemici

Two General Categories of Defense: Structural Characteristics Biochemical/Physiological Mechanisms Defense can take the form of both the above & may differ according to age of the plant, environment, stress, etc.

Plant Defense mechanisms – 2 types A. Pre-existing B. Formed in Response to Infection

TIME-LINE OF INFECTION Outside of host Inside of host Fungal pathogen: Preinfection: Germination Germ tube search Appressorium formation Penetration peg Postinfection Haustorium formation (biotroph) Toxin formation (necrotroph) Detoxification of phytoalexins Reproduction Host: General induced Papillae Cork & lignin Systemic defenses: formation layers acquired resistance Specific recognition: Hypersensitivity Phytoalexins structural CONSTITUTIVE DEFENSES chemical

Host defenses Constitutive Induced Structural Biochemical Structural Biochemical wax pre-formed cork layer hypersensitivity cuticle inhibitors: thickness abscission layer phytoalexins phenolics shape and others gums systemic acquired activity of resistance stomata papillae anti-microbial tyloses enzymes

Pre-existing chemical defenses Fungitoxic exudates Secreted by plants on their surface, catechol, coumarins and phenolics Intercellular inhibitors Phenolics compounds like tannins Other compounds like dienes (fatty acid-like compounds Fungal enzyme inhibitors, catechin Antifungal enzymes, glucanases, chitinases

Constitutive biochemical defense Onion smudge In contrast to red and yellow onions, white onions do not contain significant quantities of certain phenolic chemicals (one is catechol). If present, these phenolics confer resistance to onion smudge disease. susceptible resistant

Induced structural defenses Abscission layer Cork layer The formation of cork or abscission layers can limit the size of lesions, and consequently the extent of damage that can be caused by a single infection

Induced structural defenses Tyloses are overgrowths of living cells that protrude via pits into xylem vessels blocking the vascular system. If they form abundantly and quickly, they can stop the spread of vascular wilt pathogens. Their formation is triggered by a ‘stress condition’.

Gums – deposition of gums (carbohydrate/prot ein) in intercellular spaces. Forms an impenetrable barrier. Pathogen is isolated and dies. Common in stone fruit.

Cellular Defense Structures - changes in the cell wall - wall appositions/papillae Response to attempted invasion very fast. Composed of: a. Callose b. Cellulose c. Lignin – very resistant

- encasement – hyphae or haustoria are surrounded by thickened cell wall

Plants respond immediately to a pathogen’s attempt to get inside : Wound plug (papillae) formation as a result of needle injury: http://bugs.bio.usyd.edu.au/learning/resources/PlantPathology/infection/movie/ penetration.html

Necrotic structural defense response Hypersensitive response is a structural response (also a biochemical response) a. Host is penetrated; pathogen contacts protoplast b. Nucleus migrates to site, disintegrates, cell membranes are disrupted, host cell dies. c. Cell browns and pathogen dies Important defense against obligate parasites, nematodes, some bacteria, some facultative saprobic fungi Usually, pathogen is dependent on living tissue; thus disease is limited.

Necrotic structural defense response

Cell re-modelling after fungal invasion Myosina XI modula le risposte della cellula ospite e la resistenza alla penetrazione di patogeni fungini Il rimodellamento del citoscheletro di actina è pensato per contribuire alla creazione di barriere efficaci alla periferia delle cellule vegetali contro l'ingresso dei funghi PENETRAZIONE 1 (PEN1) nelle papille apoplastiche, contribuisce all’attenuazione della resistenza alla penetrazione.

Induced Metabolic Defenses Stimulated by elicitors 1. PAMP 2. DAMP 1. Phytoalexins – are toxic substances produced only after stimulation by pathogenic microorganisms, chemical or mechanical injury such as insect feeding. Most inhibit growth of fungi, but some are active against bacteria and nematodes. Phaseollin, pisatin, glyceollin, gossypol, capsidiol

Induced biochemical defenses Phytoalexins: antibiotics synthesized by and accumulated in plant host cells near those cells that have been attacked by pathogens Synthesized in healthy cells near an infection site – i.e., local induction Synthesis occurs all host cultivars but the rate (speed) of synthesis can vary among cultivars – an HR typically induces synthesis in nearby cells Most plants produce several phytoalexins (e.g., over 20 have been isolated from potato) Enzymes to detoxify phytoalexins have been observed in some fungal pathogens

Phytoalexin molecules Several hundred have been isolated and characterized from at least 15 plant families

Induced Metabolic Defenses: Horizontal resistance 2. Increase Phenols Many different phenolic chemicals accumulate in cells and kill pathogens 3.Oxidize phenols to quinones: more toxic to microbes 4. Substrates resisting enzymes of the pathogen. Pectin is susceptible to enzymatic decay, but is more resistant if complexed with divalent cations (Ca or Mg)

Induced Metabolic Defenses: Horizontal resistance 5. Fungitoxic Cyanide-derivatives. HCN incorporated in wall linked by sugar molecule; when pathogen degrades wall release sulfur compounds and cyanide. Respiratory toxin. 6. Detoxification of Pathogen Toxins Fungal toxins that kill plant cells can be metabolized by enzymes produced by host 7. PR proteins – pathogenesis-related proteins Usually an antimicrobial enzyme: chitinases, beta-glucanases, proteinases, lysozymes

Le PR proteins Le proteine relative alla patogenesi (PR) sono proteine tossiche per il patogeno prodotte in grande quantita quando la pianta viene attaccata Si trovano sia a livello intra che intercellulare a livello di parete vegetale I diversi gruppi di PRP sono stati classificati in base alla funzione svolta, alle relazioni sierologiche, alle sequenze AA, al MW e ad altre proprieta’ Le PRP possono esssere o estremamente acide o basiche e quindi facilmente solubili e reattive Si conoscono almeno 14 classi di PRP, tra queste le PR1, (antioomiceti e antifungine), le PR2 (b-1,3-glucanasi), le PR3 (chitinasi), le PR4 (antifungine), le PR6 (inibitori di proteasi), le defensine, le thionine, I lisozimi, le proteine simili all’osmotina, le LOX, le proteine ricche in cys, le proteinasi, le chitosanasi e le perossidasi Ci sono molte isoforme di ciascuna PRP nelle varie piante I composti segnali che attivano la produzione e l’attivazione di PRP sono l’SA, l’ET, le xilanasi, la sistemina, il JA

Hypersensitive Reaction/ Programmed Cell Death In response to signals, evidence suggests that infected cells produce large quantities of extra-cellular superoxide and hydrogen peroxide which may 1/ damage the pathogen 2/ strengthen the cell walls Oxidative 3/ trigger/cause host cell death Burst Evidence is accumulating that host cell also undergo changes in gene expression which lead to cell death Programmed Cell Death