فهرست مطالب

مقدمه و خلاصة موضوع....................................................................... 1

گياه، عامل بيماري و اساس ژنتيكي دفاع گياهي............................... 3

فرضية ژن در برابر ژن........................................................................ 5

جداسازي و مطالعة ژنهاي مقاومت.................................................. 10

حوزه هاي ساختماني فرآورده هاي ژنهاي مقاومت..................... 13

تكرارهاي غني از لوسيون.................................................................. 14

مكانهاي اتصال نوكلئوتيدها............................................................... 16

لوسين زيپرها....................................................................................... 18

حوزه مشابه گيرنده هاي Toll/Interleukin-I............................. 20

پروتئين هاي LRR خارج سلولي و غير NBS............................... 21

گيرنده هاي كينازي در عرض غشاء................................................ 22

شباهت بين فرآورده ژنهاي R با ساير پروتئين هاي گياهي....... 23

ژنهاي مقاومت و انتقال پيام دفاعي.................................................. 27

ژنهاي غير بيماري زا و توليد ليگاند................................................. 31

رويدادهاي پائين دست در انتقال پيام دفاعي................................. 37

خانواده ژنهاي مقاومت و ايجاد مقاومت هاي اختصاصي جديد.. 42

پروتئين هاي مرتبط با بيماري زايي................................................. 45

گروه بندي پروتئينهاي RR................................................................ 48

خانواده PR-1...................................................................................... 49

بتا – 1،3 – گلوكانازها (خانواده PR-2)......................................... 50

كيتيناز ها (خانواده هاي PR-11, PR-8, PR-4c, PR-3).......... 51

پروتئين هاي شبه تا ماشين (خانواده PR-5)................................. 52

مهار كننده هاي پروتئيناز (خانواده PR-6).................................... 53

پروكسيداز ها (خانواده PR-9)......................................................... 54

دفسين ها ، نيوتين ها، پروتئين هاي ناقل ليپيد و اكسالات اكسيدازها (خانواده هاي PR-12 ، PR-13 ، PR-14، PR-15 ، PR-16).................................................................... 55

مهندسي مقاومت به بيماري ها.......................................................... 57

فهرست منابع........................................................................................ 67

 

پروتئين هاي مرتبط با بيماريزايي

(pathigenesis related proteins )

 

مقدمه و خلاصة موضوع

در گونه هاي گياهي هزاران ژن مقاومت (R) در برابر عوامل بيماري ويروسي ، باكتريايي ، قارچي و نماتدي وجود دارد . ظهور مقاومت در بر هم كنش ميزبان و عامل بيماري مستلزم بيان ژن مقاومت (R) در ميزبان و ژن غيربيماريزا (Avr) در عامل بيماري مي باشد . باور بر اينست كه ژنهاي مقاومت گياه را قادر مي سازند كه ژنهاي غير بيماريزا را شناسايي كرده ، فرآيند انتقال پيام را آغاز نموده و واكنش دفاعي را فعال سازند . رويدادهاي انتقال پيام كه منجر به ظهور مقاومت مي شوند عبارتند از جريانهاي يوني در عرض غشاء سلولي ، توليد گونه هاي اكسيژن واكنشي ، تغيير حالت فسفوريلاسيون ، فعاليت رونويسي از سيستم هاي دفاعي گياه و مرگ سريع سلولي در موضع آلودگي ( واكنش فوق حساسيت ) . هرچند كه پاسخهاي دفاعي از سوي گياه در تقابل با عوامل بيماري ، متفاوت مي باشند ، اما خصوصيات مشتركي نيز بين آنها وجود دارد . مهمترين ويژگي ژن هاي R اين است كه اين ژنها در گونه هاي مختلف گياهي كه سبب مقاومت اختصاصي در برابر طيف وسيعي از عوامل بيماري مي شوند ، اغلب پروتئين هايي با ساختمان مشابه را رمز مي نمايند . ژنهاي R همسانه شده به چهار گروه اصلي تقسيم مي شوند . يكي از آسان ترين ، به صرفه ترين و از لحاظ زيست محيطي ايمن ترين راهاي كنترل بيماريهاي گياهي استفاده از ارقام مقاوم است و به نژاد گران بطور گسترده اي به طريقة كلاسيك از ژنهاي مقاومت در اين زمينه استفاده نموده اند . اكنون با دسترسي به ژنهاي R همسانه شده ، فرصتي براي انتقال ژنهاي R جديد به گياهان از طريق تراريختي ژنتيكي فراهم آمده است . تا زماني كه اين روشها از لحاظ قابليت اعتماد ، انعطاف پذيري و هزينه با روشهاي اصلاح نباتات كلاسيك قابل مقايسه نباشند و يا برتري نداشته باشند ، نمي توان انتظار داشت كه بطور گسترده مورد استفاده قرار گيرند . با توجه به ظرفيت قوي اين روشها در عبور از موانعي همچون تفاوت گونه اي و صف آرايي ژنهاي R به فرم دلخواه به نظر مي رسد كه تراريختي در آينده اي نزديك در برنامه هاي اصلاحي وارد شود .

 

 

گياه ، عامل بيماري و اساس ژنتيكي دفاع گياهي

عوامل بيماري در تهاجم به گياهان يكي از سه راهبرد ذيل را بر مي گزينند ، نكروتروفي[1] ، بيوتروفي[2] و يا همي بيوتروفي[3] . نكروتروفها ابتدا سلول ميزبان را مي كشند و سپس محتواي آن را متابوليزه مي كنند ، برخي از اين عوامل بيماري دامنة ميزباني گسترده اي را در بر مي گيرند و مرگ سلولي اغلب توسط سموم و يا آنزيمهايي رخ مي دهد كه سوبستراي بخصوصي را مورد هدف قرار مي دهند. Pythium و Botrytis نمونه هايي از نكروتروفهاي قارچي هستند . ساير نكروتروفها سمومي توليد مي كنند كه ميزبان گزينشي[4] دارند ، بطوريكه اين سموم فقط روي دامنة محدودي از ميزبانهاي گياهي مؤثر مي باشند . در مورد اين گروه از عوامل بيماري ، مقاومت گياهي از طريق حذف و يا تغيير تركيب مورد هدف سم و يا از طريق سم زدايي قابل حصول است . به عنوان مثال ژن Hml در ذرت سبب مقاومت به قارچ لكة برگي Cochiobolus carbonum مي شود . Hml يك آنزيم ردوكتاز را كد مي كند كه سم HC[5] حاصل از C.carbonum را خنثي مي سازد .

اوامل بيماري بيوتروف و همي بيوتروف به سلولهاي زنده حمله مي كنند و سوخت و ساز سلولي را در جهت رشد و تكثير خود تغيير مي دهند . تشكيل اشكالي به صورت جزاير سبز رنگ روي برگهاي پير در پيرامون آلودگي بيوتروفي مربوط به قارچهاي زنگ و سفيدك پودري نشان دهندة اهميت زنده نگه داشتن سلولهاي ميزبان در طي ارتباط نزديك بين عامل بيماري و گياه است . بيوتروفها تنها روي يك و يا تعداد محدودي از گونه هاي مربوط بيماري ايجاد مي نمايند . در مقابل قارچهاي همي بيوتروف از قبيل جنسهاي Phytophtora و Cilletotrichum در مراحل بعدي آلودگي ، سلولهاي پيرامون را در ميزبان مي كشند . به علت طبيعت اختصاصي عمل كردن عوامل بيماري بيوتروف و همي بيوتروف تعجب آور نيست كه تغيير كوچك در هر يك از طرفين ( ميزبان يا عامل بيماري ) سبب بر هم خوردن تعادل گردد . ناسازگاري بين عامل بيماري و ميزبان اغلب منجر به فعال شدن پاسخهاي دفاعي گياه از قبيل مرگ موضعي سلول ميزبان يا واكنش فوق حساسيت ( HR ) مي شود .

 

 

فرضية ژن در برابر ژن

در گونه هاي گياهي هزاران ژن مقاومت (R) در برابر عوامل بيماري ويروسي ، باكتريايي ، قارچي و نماتدي وجود دارد . هرچند كه پاسخهاي دفاعي از سوي گياه در تقابل با عوامل بيماري ، متفاوت مي باشند ، اما خصوصيات مشتركي نيز بين آنها وجود دارد كه مهمترين آنها اين است كه عمل ژنهاي R به ژنوتيپ عامل بيماري بستگي دارد . عوامل بيماري بطور بالقوه داراي توانايي ايجاد پيامهاي گوناگون مي باشند كه به نحوي مشابه توليد آنتي ژنها توسط عوامل بيماري پستانداران مي باشد . برخي از اين پيامها توسط بعضي از گياهان شناسايي مي شوند . اگر ژن مربوط به بيماري در عامل بيماري پيامي را ايجاد كند كه منجر به القاء يك پاسخ دفاعي قوي از سوي ژن R در گياه گردد در آن صورت به آن ژن غير بيماريزا[6] (Avr) گويند . اما بايد توجه داشت كه در صورت عدم وجود ژن R در ميزبان ، ژن Avr سبب ايجاد بيماري خواهد شد . عمل اختصاصي ژنهاي R در ميزبان در برابر ژنهاي Avr در عامل بيماري نخستين بار توسط فلور كشف شد و متعاقب آن واژه مقاومت ژن در برابر ژن[7] مطرح گرديد . فلور پيشنهاد كرد در گياه ژني وجود دارد كه در هنگام مواجه با عامل بيماري ، پاسخ دفاعي را القاء مي نمايد . اگر اين ژن غايب و يا غير فعال باشد ، گياه نسبت به تهاجم عامل بيماري حساس خواهد بود . اما ، ژنهاي مقاومت فقط در برابر انواع مشخصي از نژادهاي عامل بيماري مؤثر مي باشند . بنابراين عامل بيماري بايستي داراي ژني باشند كه محصول آن به طور مستقيم و يا غير مستقيم با فرآوردة ژن مقاومت گياهي بر هم كنش نشان دهد كه اين ژنها در عامل بيماري به عنوان ژنهاي غير بيماريزا (Avr) ناميده شدند ، زيرا وجود آنها مانع توسعة عامل بيماري در حضور ژن مقاومت مي شود . از اين رو گياهي كه داراي يك ژن مقاومت مخصوص باشد فقط در برابر نژادي از عامل بيماري مقاومت نشان مي دهد كه واجد ژن معيني باشد كه فرآوردة آن باعث بر هم كنش پاسخ دفاعي شود . اگر عامل بيماري فاقد ژن غير بيماريزايي مناسب باشد ، آنگاه هيچ گونه پاسخ دفاعي در گياه رخ نخواهد داد و حتي علي رغم حضور ژنهاي مقاومت بالقوه ، عامل بيماري گسترش خواهد يافت . مفاهيم ژن مقاومت در گياه و ژن غير بيماريزايي در عامل بيماري و در نتيجة پاسخ مقاومت ، اساس فرضية ژن در برابر ژن را تشكيل مي دهد . فرضية ژن در برابر ژن مكانيسمي را پيشنهاد مي نمايد كه فرآوردة ژن مقاومت در گياه از طريق بر هم كنش با فرآوردة ژن غير بيماريزا به حضور آن پي مي برد . به علاوه ژن مقاومت بايد داراي توانايي انتقال پيام[8] ناشي از مكانيسم شناسايي به سيستم دفاعي گياه باشد كه اين امر احتمالاً از طريق يك مكانيسم پيام رساني صورت گرفته و منجر به بيان ژنهايي مي شود كه مانع رشد و گسترش عامل بيماري در بافتهاي آلوده مي شود .

مدل ژن در برابر ژن براي اكثر عوامل بيماري بيوتروف از جمله قارچها ، ويروسها ، باكتريها و نماتد ها صدق مي كند . اعتقاد بر اين است كه خاستگاه هر گونه گياهي جايي است كه در آن بيشترين تنوع ژنتيكي موجود بوده و از اين رو گياهان همراه با عوامل بيماري تكامل پيدا كرده اند . بر اين اساس برنامه هاي اصلاحي مي تواند به سمت شناسايي ژرم پلاسم مقاوم در خويشاوندان وحشي گونه هاي زراعي سوق پيدا نمايد . به غير از مدل فلور ، چندين مدل ژن در برابر ژن ارائه گرديده است و با ايجاد لاين هاي ايزوژن مقاوم و حساس مي توان تفاوت هاي آزمايشي ناشي از تغيير زمينة ژنتيكي را به حداقل رساند . با استفاده از اين گونه بر هم كنشها اولين ژنهاي R و Avr و Arabidopsis thaliana جداسازي شد . اين گياه در طي سالهاي گذشته به عنوان يك سيستم مدل به نحو گسترده اي براي مطالعه بر هم كنش گياه – عامل بيماري مورد استفاده قرار گرفته است .

هنگامي كه يك ژن Avr و يك ژن R مختص به آن تظاهر مي يابند پاسخ دفاعي قوي در گياه القاء مي شود . وجه مشخصه اكثر بر هم كنش هاي ژن در برابر ژن، ظهور پاسخ فوق حساسيت (HR) است كه در آن سلولهاي واقع در مجاورت عامل بيماري دچار مرگ برنامه ريزي شده[9] مي شوند . اين واكنش به عنوان بخشي از پاسخ دفاعي كلي محسوب مي شود . ويژگي هاي ديگر پاسخ مقاومت عبارتند از توليد متابوليك هاي ضد ميكروبي ( تحت عنوان فيتوآلكسين ها[10] ) ، توليد آنزيم هايي كه مي توانند براي عامل بيماري مضر ( باشد مانند كيتينازها[11] و گلوكانازها[12] ) و تقويت ديواره سلولي گياهي در ناحية آلوده شده . علاوه بر اين پاسخهايي نيز بروز مي يابند كه گمان مي رود در انتقال پيام دفاعي نقش دارند كه از آن جمله مي توان به جريان Ca²⁺ و ساير جريان هاي يوني ، تغيير فسفوريلاسيون پروتئينها ، توليد گونه هاي اكسيژن واكنشي[13] از قبيل سوپراكسيداز و توليد و يا آزاد سازي اسيد ساليسيليك[14] اشاره نمود .

بايد توجه داشت كه بسياري از پاسخ هاي بيوشيميايي فوق الذكر در غياب بر هم كنش ژن در برابر ژن و در بر هم كنشي كه طي آن بيماري توسعه مي يابد ، نيز القاء ‌مي شوند . پاسخ هايي از قبيل بيان كيتيناز و بيوسنتز فيتو آلكسين ، نرخ رشد عامل بيماري را كاهش مي دهند ولي آن را متوقف نمي سازند . بر عكس ، ژنهاي R سبب فعال شدن دامنه وسيعي از پاسخ هاي دفاعي شده و در نتيجه موجب مقاومت مؤثر در برابر عامل بيماري مي شوند . اليسيتورهاي نژاد – اختصاصي[15] در اثر بيان ژنهاي Avr توليد مي شوند كه بايد بين اينها و اليسيتورهاي نژاد – غير اختصاصي[16] تمايز قائل شد . اليسيتورهاي نژاد – غير اختصاصي ، پاسخ هايي از قبيل سنتز فيتوآلكسين ها را القاء مي كنند كه بيماري را به حداقل مي رسانند ، اما اينگونه اليسيتورها در گروه متمايز و متفاوتي از اليسيتورهاي ناشي از ژنهاي Avr قرار مي گيرند كه سبب القاء‌ پاسخ دفاعي از سوي ژنهاي R مي شوند .

 

جداسازي و مطالعة ژنهاي مقاومت

سؤال اين است كه ژنهاي R چه چيزي را رمز مي كنند ؟ بيش از بيست سال پيش يك مدل اليسيتور – گيرنده براي توجيه بر هم كنش ژن مقاومت در مقابل ژن Avr مطح شد كه در آن ژنهاي Avr اليسيتورهايي را رمز مي كنند كه به عنوان ليگاند[17] براي گيرنده هايي[18] كه توسط ژنهاي R رمز مي شوند عمل مي نمايند . اين مدل در برخي حالات مي تواند معتبر باشد ولي نتوانست سبب تسهيل در امر جداسازي ژنهاي مقاومت و يا فرآورده هاي آنها شود . موفقيت در جداسازي ژنهاي مقاومت موكول شد به زماني كه تكنولوژي همسانه سازي گياهي توسعه يافت . شناسايي عناصر متحرك در ذرت در اين زمينه بسيار نويد بخش مي نمود، اما نرخ بالاي جهش خود به خودي در ژنهاي R مورد نظر مانند Rpl در ذرت باعث شد كه اين اميد عقيم گذارده شود . اما تلاش در اين زمينه مقدمات آشنايي با جهش پذيري ژنهاي R و اهميت بيولوژيكي آن در ايجاد مقاومت هاي اختصاصي جديد را بنيان نهاد .

اولين ژن R كه همسانه گرديد ، Hml در ذرت بود كه از لحاظ عمل متفاوت از گروه ژنهاي R مربوط به Avr مي باشد . Hml سبب ايجاد مقاومت در برابر نژاد شمارة 1 عامل بيماري قارچي Cochliobolus carbonum مي شود . Hml يك ردوكتاز وابسته به NADPH[19] را كد مي كند كه قادر است سم قدرتمند توليد شده توسط قارچ مزبور را خنثي نمايد . ساختمان و عمل Hml به نحوي است كه نمي توان آن را در زمره ژنهاي R قلمداد نمود زيرا نقش سم زدايي[20] Hml ، در مواردي همچون ژنهاي Avr القاء مرگ سلولي فوق حساسيت و ساير ويژگي هاي مربوط به بر هم كنش ژن در برابر ژن نمي گنجد .

با پيشرفت تكنولوزي هاي همسانه سازي موضعي[21] ( گام زني كروموزمي[22] ) و نشانمند كردن ترانسپوزون هترولوگ[23] ، جداسازي ژنهاي مقاومت امكان پذير شد و موفقيت هايي در اين زمينه بدست آمد .

[1] Necrotrophy

[2] Biotrophy

[3] Hemibiotrophy

[4] Host – selective toxin

[5] HC - toxin

[6] Avirulence

[7] Gene – for – gene relationship

[8] Signal transduction

[9] Programmed cell death

[10] Phytoalexin

[11] Chitinase

[12] Glucanase

[13] Reactive oxygen species

[14] Salicylic acid

[15] Race – specific elicitor

[16] Race non – specific elicitor

[17] Ligand

[18] Receptor

[19] NADPH-dependent reductase

[20] Toxin-degrading

[21] Positional clining

[22] Chromosome walking

[23] Heterologous transposon tagging