Biyologlar - Biyolojiye Gerçekçi Yaklaşım

PATOJENLERE KARŞI BİTKİSEL SAVUNMA MEKANİZMASI

---

Bağışıklık sistemleri olmayan bitkilerin doğada her za­man bulunan bakteri, fungus, virus ve nematodların neden olduğu hastalıklara karşı direnç göstermeleri şaşırtıcıdır. Bu bölümde, bitkilerin enfeksiyona direnç oluşturmak üzere geliştirdikleri, antimikrobiyal ajan­ların üretimi ve bir tür programlanmış hücre ölümü olan aşırı duyarlı (hipersensitif) yanıt gibi (Bkz. 16. Bö­lüm) çeşitli savunma mekanizmalarına yer verilecek­tir. Son olarak, özgün bir bitkisel bağışıklık tipi olan sistemik olarak kazanılmış direnç konusu tartışılacaktır.

Antimikrobiyal Bleşiklerin Bazıları Patojen Saldırısında Önce Sentezlenmektedir

Şimdiye kadar değinilen çeşitli gruplara ait sekonder metabolitler, in vitro koşullarda denendiklerinde, güç­lü antimikrobiyal aktivite gösterdiklerinden sağlam bitkide de patojenlere karşı savunma işlevini yüklen­dikleri varsayılmaktadır. Bunlar arasında triterpenlerin bir grubu olan saponinlerin sterolllere bağlanarak fungal zarların yapısını bozduğu düşünülmektedir.

Yulaf bitkisinin patojenlerine karşı savunmasmda saponinlerin rolünü göstermek amacıyla, John Innes Araştırma Merkezinde (Norwich, İngiltere), Anne Os­bourn laboratuarında gerçekleştirilen deneylerde ge­netik yaklaşımlardan yararlanılmıştır. Yaban tip yulaf bitkisi ile karşılaştırıldığında, düşük saponin içeren mutant hatlar fungal patojenlere karşı çok daha az direnç gösterirler. İlginç olanı, yu­laflar üzerinde büyüyen bir fungal ırkın bitkideki belli başlı saponinlerden birisini detoksifiye edebilmesidir. Oysa, saponinleri detoksifiye etme yeteneğini kaybet­miş olan bu ırkın mutantları ise artık yulafta hastalık oluşturamamakta, buna karşılık hiç saponin içerme­yen buğday üzerinde ise büyümeye devam edebil­mektedir.

Enfeksiyon Patojenlere Karşı Başka Savunucularıda Uyarır

Bazı savunma unsurları herbivor saldırısı veya mikrobiyal enfeksiyondan sonra uyarılır. Kuramsal olarak, ortamda her zaman bulunanlara göre, uyarılma so­nucu, yani herbivor zararından hemen sonra üretilen savunma öğeleri daha az bitkisel kaynak kullanımını gerektirir. Ancak etkili olabilmeleri için çok çabuk aktifleştirilmeleri gerekir. Uyarılan diğer savunma unsurları da, proteinaz inhibitörlerinde olduğu gibi, kar­maşık sinyal iletim ağları sayesinde harekete geçer. Bu mekanizmada çoğu kez jasmonik devreye girer.

Patojen bulaşmasından sonra, bitkiler istilacı mik­roorganizmalara karşı geniş spektrumlu savunucuları konuşlandırırlar. Hastalıklı bölgeyi kuşatan hücrelerin çabucak ölmesiyle, patojenin besinlerden mahrum edi­lir ve yayılması önlenir. Aşırı duyarlı yanıt (hipersensitive response) olarak isimlendirilen bu yanıt bitki­lerde görülen en yaygın savunma şeklidir. Başarılı bir aşırı duyarlı yanıtın ardından, saldırıya maruz kalan bölgedeki ölü dokunun küçük bir bölgesi izole olur ve böylece bitkinin geri kalan kısmı zarar görmez.

Bu yanıt çoğu kez reaktif oksijen türlerinin üreti­miyle sürdürülür. Enfeksiyonlu bölgenin çevresindeki hücrelerde, süperoksit anyonu (02*-), hidrojen perok­sit (H202) ve hidroksil radikali (.OH) gibi moleküler oksijenin indirgenmesiyle oluşan toksik bileşiklerde bir üretim patlaması yaşanır. Plazma zarında bulunan bir NADPH-bağımlı okdidazın, sonradan hidroksil radikali (.OH) ve hidrojen perokside (H202) dönüşen süperoksit anyonunu (02*-) ürettiği düşünül­mektedir.

Hidroksil radikali aktif oksijen türlerinin en güçlü oksidanıdır ve bir dizi organik molekülle radikal zin­cir tepkimeleri başlatabilir. Bu tepkimeler, lipid peroksidasyonu, enzim inaktivasyonu ve nükleik asit par­çalanmasına neden olur. Aşırı duyarlı tepkinin parçası olan aktif oksijen türleri hücre ölümüne katkıda bulunabilir veya doğrudan patojenin ölümüne yol açabilir.

Bakteri ya da fungus istilasına karşı birçok bitki lignin veya kalloz sentezleyerek yanıt verir. Bu polimerlerin, patojenleri bitkinin geri ka­lan kısmından ayıran ve yayılmalarını engel olan fi­ziksel engeller olarak görev yaptıkları düşünülmek­tedir. Buna ilişkin diğer yanıt hücre çeperi proteinlerindeki değişikliktir. Patojen saldırısından sonra hücre çeperindeki prolince zengin belli proteinler hidrojen peroksidin aracılık ettiği tepkimeyle okdidatif olarak çapraz bağlı hale geçerler. Bu işlem, enfeksiyon bölgesinin etrafındaki hücrelerin çeperlerini güçlendirerek, mikrobiyal sindirime karşı dirençleri­nin artmasını sağlar.

Patojenin hücre çeperlerine saldıran hidrolitik en­zimlerin üretimi, enfeksiyona karşı verilen diğer bir savunma yanıtıdır. Fungal saldırı glukanaz, kitinaz ve diğer hidrolazları uyarır. Bir N-asetilglukozamin polimeri olan kitin fungal hücre çeperinin başlıca bi­leşenidir. Bu hidrolitik enzimler, patojen enfeksiyonu ile çok yakın ilişkili bir protein grubuna aittir ve bu nedenle patojenle ilişkili proteinler (PR-proteinleri) olarak adlandırılırlar.

Fitoaleksinler. Bakteriyal ya da fungal saldırılara karşı bitkilerin en çok araştırılan yanıtı belki de fitoaleksin- lerin sentezidir. Fitoaleksinler enfeksiyon bölgesi et­rafında biriken, güçlü antimikrobiyal akdviteleri olan farklı bir sekonder metabolitler grubudur.

Fitoaleksin üretiminin, çoğu bitkide patojenik mikroorganizmalara karşı geliştirilen yaygın bir di­renç mekanizmasıdır. Ancak, farklı bitki familyaları fitoaleksinler olarak farklı sekonder ürünlere yer ve­rirler. Örneğin, baklagil bitkiler için izoflavonoitler genel fitoaleksinlerdir. Patates, tütün ve domates gibi patlıcangillerde ise fitoaleksinler olarak çeşitli seski terpenler üretilir.

Genel olarak, bitkilerde fitoaleksinler enfeksiyon­dan önce saptanamazlar. Yeni biyosentetik yolların et­kin hale getirilmesinden dolayı, mikrobiyal saldırının ardından hızlı bir şekilde sentezlenirler. Kontrol nok­tası genelde gen transkripsiyonunun başlangıcıdır. Böylelikle, bitkilerin fitoaleksin sentezinde gereksinim duyulan her hangi bir enzimatik donanımı depolamadıkları görülmektedir. Bunun yerine, mikrobiyal sal­dırıdan hemen sonra yazılım (transkripsiyon), uygun mRNA’ ya çeviri (translasyonu) ve enzimlerin de novo (yeniden) sentezi başlar.

Biyolojik aktivite testlerinde, fitoaleksinlerin pa­tojene olan toksisite derişimleri saptanmış olsa da, bu bileşiklerin sağlam bitkide savunucu önemi tam olarak bilinmemektedir. Genetik yapısı değiştirilmiş bitkileri ve patojenleri ile yapılan son araştırmalar, fitoaleksinin in vivo işlevine dair doğrudan ilk kanıtları sağlamaktadır. Örneğin, bir fenilpropanoit fitoleksin, resveratrolün biyosentezinden sorumlu gen ile transforme edilen tütün fungal patojene karşı; kontrol bit­kilere (transforme olmamış) göre çok daha dirençli hale gelir. Bunun aksine, Triptofan türevli fitoleksin, kamaleksin, yetersizliği olan Arabidopsis mutandan, yaban tiple karşılaştırıldığında, fun­gal patojenine karşı daha duyarlıdır. Diğer deneylerde ise, fitoaleksin parçalayan enzimleri kodlayan genlerle transforme edilen patojenlerin, normalde kendilerine karşı dirençli olan bitkileri de enfekte edebildikleri gösterilmiştir.

Bazı Bitkiler Patojenlerden Salınan Özgün Bileşikleri Tanımaktadırlar

Bir türün bireyleri arasında bile mikroplara karşı di­rençte çoğu kez önemli farklılıklar görülür. Bu farklı­lıklar çoğunlukla bitkinin verdiği yanıtın hızı ve şiddettinde yatar. Dirençli bitkiler duyarlı oranlara göre patojenlerine daha çabuk ve daha güçlü yanıt verirler. Bu nedenle bitkilerin patojenlerin varlığını nasıl algı­ladıkları ve savunma sistemlerini nasıl başlattıklarının bilinmesi önemlidir.

Araştırıcılar, son birkaç yıl içinde, funguslara, bak­terilere ve nematodlara karşı savunmada iş gören ve R genleri olarak bilinen 20 çeşit bitkisel direnç geni izole etmişlerdir. Pek çok R geninin, patojen kaynaklı özgün molekülleri tanıyan ve onlara bağlanan protein reseptörlerini kodlayan düşünülmekte­dir. Bu bağlanma patojenin varlığı hakkında bit­kiyi uyarır. Aralarında prote­inler, peptitler, steroller ve patojen hücre çeperi, dış zar veya bir salgılama işlemi sonucu ortaya çıkan polisakkarit fragmentlerin bulunduğu, bitki tarafından tanınan bu özgün patojen mole­küllere elisitörler adı verilir.

R geni ürünlerinin hemen tümü lösince zengin proteinlerdir. Bu proteinlerin amino asit dizinde normal ölçütlerden farklı, tekrarlanan örgün bölge bulunur. Bu gibi örgün bölgeler elisitör bağlama ve patojeni tanıma ile ilgili olabilirler. Ayrıca R geni ürünü, patojene karşı çeşitli savunma bi­çimlerini etkin hale getiren sinyal yollarını başlatabil­mektedir. Bazı R genleri, ATP veya GTP’yi bağlayan bir nükleotid-bağlama bölgesini, diğerleri ise protein kinaz örgün bölgesini kodlar. R geni ürünleri hücrede birden fazla bölgeye dağılır. Bazıla­rı, elisitörlerin hemen saptanabilmesi için hücre zarı dışında bulunurken; diğerleri, ya hücre içine enjekte edilen patojen moleküllerini ya da patojen enfeksiyo­nunu gösteren diğer metabolik değişiklikleri sapta­mak üzere sitoplazmada yer alır. Çoğu kez genomda gen kümeleri halinde bulunan R genleri bitkilerdeki en büyük gen ailelerinden birisidir. R gen kümelerin­de görülen bu yapılanmalar, kromozomlar arasındaki değiş-tokuşun teşvikiyle bir R geni çeşitliliğinin mey­dana gelmesine katkıda bulunabilir.

Bitki hastalıkları üzerine yapılan araştırmalar, bit­kilerle patojen soyları arasındaki konukçu ilişkilerinin karmaşık modellerini ortaya çıkarmıştır. Genelde bitki türleri belli patojen soylarının saldırısına duyarlı iken diğerlerine dirençlidirler. Bu özgünlüğü, konukçu R genlerinin ürünleri ile, özgün elisitörleri kodladığına inanılan, patojenin avr (avirulans) genleri arasında­ki etkileşimin belirlediği düşünülmektedir. Bugünkü düşünceye olan direncin başarılı olabilmesi için, pato­jenin avr geni ürünü bir elisitörün, R geni ürünü olan konukçu bitki reseptörü tarafından hemen tanınması­nı gerektirmektedir. Adına rağmen, avr genlerinin en­feksiyonun ilerlemesini sağlayan etmenleri kodladığı görülmektedir.

Elisitörlerle Temas Bir Sinyal İletim Dizisini Uyarmaktadır

Patojen elisitörlerinin bir R geni tarafından tanınma­sından sonraki birkaç dakika içerisinde, sonunda sa­vunma yanıtlarının verilmesine yol açan karmaşık sin­yal yolları harekete geçirilir. Plazma zarının iyon geçirgenliğinde görülen geçici değişiklik basamaklar halindeki bu işlemler ilk bileşenidir. R ge­ninin aktifleşmesi Ca2+ ve H+ iyonlarının hücre içine, K+ ve Cl- iyonlarının ise hücre dışına akışını uyarır. Ca2+ iyonlarının hücre içine akışı doğrudan savunmada iş görebilen oksidatif patlamayı ki daha önce bahsedildi- etkinleştirdiği gibi diğer savunma reaksiyonları için de sinyal ola­bilir. Patojence uyarılan sinyal iletim yollarının diğer bileşenleri arasında nitrik oksit, mitojenle aktive edi­len protein (MAP) kinazlar, kalsiyuma bağlı protein kinazlar, jasmonik asit ve salisilik asit sayılabilir.

Patojenle Bir Kez Karşılaşma Sonraki Saldırılara Karşı Direnci Artırabilmektedir

Bitki, bir bölgesinde oluşan patojen enfeksiyonundan kurtulduğunda, diğer bölgelerinde sonraki saldırıla­ra karşı direnç artışı sağlar ve çeşitli patojen türlerine karşı bir koruma yeteneği kazanır. Sistemik kazanıl­mış direnç (systemic acquired resistance-SAR) adı verilen bu olgu, ilk saldırıdan sonraki birkaç günlük süreçte gelişir. Sistemik kazanıl­mış direnç, kitinazlar ve diğer hidrolitik enzimler de dahil, daha önce bahsedilen belli başlı savunma bile­şiklerinin düzeylerinde görülen bu artışın sonucu ola­rak gelişir.

SAR’ ın uyarma mekanizması henüz bilinmemek­le beraber, salisilik asit’in endojen (içsel) sinyallerden biri olma olasılığı vardır. Salisilik asit, benzoik asit türevidir.

Saldırı başlangıcı ardından, enfeksiyon bölgesinde sa­lisilik asit düzeyinde çarpıcı bir artış görülür ve kendi­si gezici bir sinyal olmamasına karşın, bitkinin diğer kısımlarında SAR oluşturduğu düşünülmektedir.

Salisilik asidin yanı sıra, son araştırmalar, metil esterinin, yani metil salisilatın, bitkinin çok uzak kı­sımlarına ve hatta komşu bitkilere sinyal gönderen uçucu yapıda bir SAR uyarıcısı olduğunu göstermiştir. Böylece bitkiler, hayvanlarda görülen bağışıklık sistemlerine sahip olmasalar bile, kendilerinin hastalık yapıcı mikroplardan koruyacak incelikli mekanizmalar geliştirmişlerdir.

---