metabolity wtórne w Ochronie środowiska.doc

1. Wstęp

W ostatnich dekadach nastąpił rozwój dziedziny nauki nazwanej ekologią biochemiczną lub biochemią ekologiczną, która może przyczynić się do zmniejszenia skażenia biosfery.

Oddziaływania pomiędzy żywymi organizmami można podzielić na dwa typy.

1)             Oddziaływania z udziałem substancji stanowiących dla otrzymujących je organizmów źródło energii lub składników strukturalnych.

2)             Oddziaływania za pomocą związków chemicznych odgrywających głównie rolę nośników informacji lub regulatorów procesów ekologicznych. Związki te są wytwarzane i wydzielane przez żywe organizmy do środowiska w niewielkich ilościach, wiele z nich znanych jest biochemikom (np. antybiotyki) i zaliczanych jest do metabolitów wtórnych [42].

Głównym przedmiotem zainteresowania ekologii biochemicznej są substancje zwane metabolitami wtórnymi (lub metabolitami peryferyjnymi), które wydzielane są w znacznie mniejszych ilościach niż substancje wykorzystywane przez organizmy.

Metabolity wtórne (peryferyjne)- to substancje o różnorodnej budowie chemicznej wytwarzane podczas metabolizmu komórkowego i wydzielane przez żywe organizmy do środowiska w niewielkich ilościach, nie będące dla nich źródłem energii ani składnikiem strukturalnym, a odgrywające głównie rolę nośników informacji lub regulatorów procesów ekologicznych, w tym w oddziaływaniach pomiędzy żywymi organizmami.

Z punktu widzenia oddziaływań pomiędzy żywymi organizmami metabolity wtórne wydzielane poza komórkę (czyli egzometabolity) można podzielić na:

1)     Semiometabolity – substancje informacyjne, sygnalne, które są nośnikiem określonej informacji (np.: feromony),

2)     Allelometabolity – substancje czynne biologicznie w stosunku do obcych gatunków (np.: narzędzia walki i obrony),

3)     Autometabolity – działają na gatunki, które je wytworzyły (np. autoinhibitory).

Funkcje omawianych substancji, to:

·         obrona przed konsumentem,

·         atak na organizmy będące obiektem konsumpcji,

·         przeciwdziałanie konkurentom do określonych zasobów,

·         przywabianie,

·         regulacja oddziaływań w obrębie populacji, grupy lub rodziny,

·         dostarczanie substancji stanowiących półprodukty (np.: prekursorów hormonów o feromonów)

·         kształtowanie siedliska (środowiska życia zbiorowego) [42].

Substancje te są przedmiotem badań biochemicznych dotyczących ich struktury i metabolizmu. Działanie metabolitów wtórnych związane jest z przebiegiem reakcji enzymatycznych, które powodują aktywację tych związków. Jako przykład można wymienić substancje syntetyzowane przez rośliny i chroniące je przed działaniem grzybów chorobotwórczych (patogennych) lub fiofagów [33]. Związki te obejmują również regulatory i inhibitory wzrostu i rozwoju, a także środki wewnątrzgatunkowej i międzygatunkowej łączności biologicznej organizmów. Należą do nich feromony, kairomony, allomony, hormony, antyhormony i antyfidanty [26]. Zatem substancje metabolizmu wtórnego odgrywają znaczącą rolę w interakcjach pomiędzy zwierzętami, zwierzętami i roślinami lub pomiędzy roślinami w ich naturalnych siedliskach [11].

Stosowanie od dłuższego czasu do walki ze szkodnikami i chorobami roślin uprawnych różnego typu związków chemicznych jak np.: herbicydów czy insektycydów, ma niekorzystny wpływ na całe środowisko i człowieka. Środki te nie działające w sposób wybiórczy, a częste ich stosowanie powoduje uodpornienie się na nie szkodników czy ograniczenie liczebności organizmów pożytecznych. Zatem postęp nauk przyrodniczych, zwłaszcza rozwój ekologii biochemicznej wskazują na szerokie możliwości wykorzystania syntetycznych analogów związków chemicznych wytwarzanych przez organizmy w ochronie środowiska np.: metabolity wtórne produkowane przez owady i drzewa można stosować w ochronie lasu, gdzie szczególne znaczenie mają feromony i kairomony. Wówczas stosuje się różnego rodzaju pułapki fermonowe, które mają za zadanie np.: zwabić, odstraszyć lub zdezorientować.

Inną alternatywą zastosowania metabolitów wtórnych jest metoda oparta na możliwości bardzo efektywnego regulowania liczebności populacji stawonogów i ich aktywności troficznej. Poprzez wykorzystanie różnego typu związków wytwarzanych przez organizmy można ograniczyć zastosowanie pestycydów w gospodarce rolnej i leśnej. W związku z tym dąży się do wprowadzania i udoskonalania metod nie chemicznych lecz bardziej ekologicznych w walce ze szkodnikami.

3. Podstawowe pojęcia używane w pracy

Allelopatia - rodzaj roślinnej obronny przy użyciu broni jaką jest chemia, dotyczy chemicznej rywalizacji pomiędzy roślinami i zjawisko to można uważać za jedną z faz ekologii chemicznej, dotyczącą oddziaływania z środowisku naturalnym jednej rośliny wyższej na drugą, obejmuje zarówno wpływy  szkodliwe jaki i korzystne [4].

Biomarkery - to mierzalne zmiany biochemiczne lub fizjologiczne zachodzące w organizmach w odpowiedzi na działanie toksycznych czynników. Dostarczają one informacji o ekspozycji organizmu na czynniki chemiczne i mogą być wykorzystywane do oceny środowiska [18].

Biocenoza - względnie trwały, naturalny lub sztuczny zespół populacji roślinnych i zwierzęcych, żyjących we wspólnym biotopie i powiązanych licznymi zależnościami [4].

Biosfera - trójwymiarowy obszar kuli ziemskiej, w którym występują istoty żywe [36].

Chityna - wielocukier zbliżony budową do celulozy: składnik pancerza, głównie stawonogów oraz błon komórkowych grzybów i bakterii [4].

Cykl Krebsa (cykl kwasów trójkarboksylowych) - cykl reakcji enzymatycznych przekształcających metabolity do CO2 i przenoszących elektrony na NAD+ i inne nośniki [23].

Destruenci - są to organizmy odżywiające się martwą materią organiczną, budują z niej substancje organiczne własnych ciał, a przy tym część podłoża rozkładają do prostych związków organicznych czyli powodują destrukcje substancji organicznej.

Entomofagi - pasożyty, parazytoidy i drapieżce wpływające na liczebność populacji owadów [4].

Fitofagi - zwierzęta roślinożerne, często szkodniki odżywiające się żywymi częściami roślin np.: liśćmi [4].

Fotosynteza - synteza związków organicznych z nieorganicznych przy wykorzystaniu energii promieniowania świetlnego i w obecności barwników fotosyntetycznych [44].

Herbicydy - substancje stosowane do walki z chwastami.

Inhibitor - substancja, której obecność w układzie zmniejsza szybkość reakcji [4].

Insektycydy - (łac. insecta- owad, caedo- niszczę, zabijam) środki owadobójcze oparte na żywych organizmach [4].

Inhibitor wzrostu - substancja hamująca proces podziału lub wzrost  elongacyjny (wydłużający) komórek: hamowanie wzrostu roślin może być wywołane przez substancje naturalne lub syntetyczne [4].

Konsumenci - w ekologii: zwierzęta, które uczestniczą w łańcuchu pokarmowym odżywiają się bezpośrednio (roślinożercy) lub pośrednio (drapieżce i pasożyty) biomasą wytworzoną przez producentów [4].

Kutikula (nabłonek, oskórek) - 1) bot. najbardziej zewnętrzna warstewka komórek skórki liści, łodyg, owoców, zbudowana z celulozy, wosku i kutyny. 2) zool. Warstwa ochronna o różnej budowie, pokrywająca ciało wielu bezkręgowców i niższych strunowców, będąca wytworem naskórka: u wielu zwierząt tak znacznie grubieje, że tworzy zewnętrzną pokrywę ciała (np.: pancerz chitynowy owadów) o specyficznej budowie (włoski, kloce, wyrostki, gruczoły skórne) [4].

Metamorfoza - przeobrażenie, gruntowna przebudowa całego organizmu owada, od postaci larwalnej do dorosłego osobnika [5].

Mikoryza - współżycie rośliny naczyniowej, głównie jej korzeni, z grzybem [36].

Mutagen - substancja lub czynnik powodujący zmiany genetyczne w żywych komórkach [4].

Mutacja - każda trwała zmiana sekwencji nukleotydów DNA genomu [23].

Metageneza - jest to rozwój, w którym zmienia się postać i sposób rozrodu [5].

Okres karencji - czas, który powinien upłynąć od dnia zastosowania środka ochrony roślin do dnia zbioru roślin lub produktów roślinnych przeznaczonych do konsumpcji [4].

Ontogeneza - cykl życiowy każdego organizmu roślinnego rozpoczyna się od pierwszego podziału, a kończy z jego śmiercią, jest to cykl rozwoju osobniczego [5].

Patogen - sprawca choroby infekcyjnej roślin, organiczny czynnik chorobotwórczy. Patogenami są np.: pasożytnicze bakterie, grzyby [4].

Parazytoidy - pasożyty, którego larwy odżywiają  się pokarmem zwierzęcym, a dorosłe owady- roślinnym [4].

Pasożytnictwo - typ oddziaływania negatywnego, w którym dochodzi do zależności między ograniczenie żywiciela a pasożyta. Pasożyt działa na szkodę żywiciela jednocześnie nie mogąc bez niego żyć [4].

Pestycydy - (ang. pest- plaga, szkodnik łac. pestis- morowe powietrze, caedo- niszczę, zabijam) toksyczne substancje chemiczne pochodzenia naturalnego lub syntetycznego, używane do zwalczania szkodliwych organizmów zwierzęcych (zoocydy), patogennów roślin i zwierząt (fungicydy i bakteriocydy) oraz chwastów (herbicydy) [4].

Populacja - ogół organizmów jednego gatunku wzajemnie na siebie oddziałujących  i zamieszkujących dany teren. [44].

Repelenty - czynniki działające odpędzająco lub odstraszająco na szkodniki. Mogą tu być bodźce pochodzenia mechanicznego, np.: świetlne czy barwne lub określone związki chemiczne, które same nie mają właściwości zabijania szkodników [4].

Saprofit - organizm uzyskujący pożywienie z martwej i rozkładającej się substancji organicznej [4].

.

Saprotrofia - to odżywianie się związkami pochodzącymi z martwej materii organicznej [4].

Spermatogenneza - proces powstawania komórek plemnikowych [5].

Substancja czynna (substancja aktywna) - aktywna część środka ochrony roślin [4].

Zoocydy - środki ochrony roślin do zwalczania szkodników.

Związki allelopatyczne lub toksyny - są to typowe niskocząsteczkowe metabolity wtórne o relatywnej budowie chemicznej, większość z nich została zidentyfikowana jako lotne terpeny lub związki fenolowe [4].

4. Oddziaływania biochemiczno-ekologiczne przy pomocy metabolitów wtórnych

4.1. Oddziaływania biochemiczno-ekologiczne z udziałem roślin niższych

4.1.1. Oddziaływania roślin niższych i wyższych

Oddziaływania roślin wyższych i niższych przyjmują wiele form. Jest to zazwyczaj atak mikroorganizmu na roślinę wyższą co prowadzi do jej choroby. Rośliny wykazują odporność na atakujące je drobnoustroje, wytwarzając różnego typu związki. Wśród tego typu oddziaływani wyróżnia się także oddziaływania korzystne. Przykładem tu może być mikoryza.

Drugi typ korzystnego współżycia odkryto badając rajgas angielski Lolium perenne. Okazało się, że dzięki obecności w organizmie rośliny, współżyjącego z nią grzyba- endofitu Lolium, roślina uzyskała odporność na działanie szkodników rolniczych fitofagów Listonotus i szkodliwego motyla Grambus [11]. Jednak w głównej mierze są to oddziaływanie niekorzystne, w których organizm atakujący wytwarza środki ataku, a organizm atakowany środki obronny. Przykładem mogą tu być biochemiczne środki ataku grzybów na roślinę. Można tu wyróżnić np.: patotoksyny, hormony wzrostu czy enzymy.

Brak barwników fotosyntetycznych zmusza grzyby do pasożytnictwa lub saprotrofii. Większość grzybów to saprofity. Związki odżywcze czerpią z opadłych liści, martwych ciał roślin i zwierząt, drewna, trocin, odchodów itp. Przy rozkładzie tych związków główna rolę odgrywają grzyby, gdyż wydzielają one enzymy o dużej aktywności np.:  amylolitycznej, pektynolitycznej,  celulolitycznej i innych (przykłady enzymów wytwarzanych przez grzyby np.: pektynazy, celulazy, lipazy, chitynazy, proteinazy) [12]. Grzyby białej zgnilizny np.: Cgriolus, Pleorotus, Panus- rozkładające ligninę i celulozę.

Dominująca rolę spośród enzymów produkowanych przez grzyby entomopatogenne odgrywają proteinazy. Całkowita degradacja białek kutikuli owadziej wymaga działania licznych endo- i egzoproteazy. Tego typu enzymy wytwarzane są przez grzyba Metarhizium anisopliae [7]. Produkuje on endoproteinazy, metyloproteinazę, trypsynopodobne proteinazy serynowe i egzoproteinazy [27]. W penetracji kutikuli owadziej istotną rolę odgrywają także enzymy chitynolityczne. Również podstawowym czynnikiem w procesie infekcji i porażenia owada przez grzyby z rodzaju Zoophthora są enzymy produkowane przez ten grzyb, takie jak proteazy czy lipazy [46].

Hormony wzrostu są substancjami wytwarzanymi przez niektóre grzyby, zmieniają metabolizm i stymulują szybki wzrost wydłużeniowy traw. Roślina ulega osłabieniu i staje się bardziej podatna i dostępna dla grzybów saprofitowych [33]. Przykładem takiego patogenna jest grzyb Gilberella. Jedną z najgroźniejszych patotoksyn, która wywołuje w krajowych ekosystemach katastrofalne następstwa, jest wytwarzana przez grzyb Ceratocystis ulmi. To mieszanina glikoprotein i małocząsteczkowych substancji fenolowych.

Atakowana roślina wytwarza chemiczne środki obrony. Wyróżniamy tu dwie grupy substancji zapewniających odporność roślinie na działanie grzyba chorobotwórczego.

Pierwszą z nich są to związki przedzakaźne (preinfekcyjne), które stale obecne w roślinie wyższej niezależnie od tego czy została ona zaatakowana. W tej grupie wyróżniamy dwie grupy substancji.

Prohibityny- metabolity ograniczające lub całkowicie hamujące rozwój mikroorganizmów.

Inhibityny- metabolity, których stężenie wzrasta po infekcji, wtedy wykazują działanie toksyczne [33].

Przykładów tych związków jest dużo. Zaliczamy do nich min: terpenoidy, chinony, związki fenolowe wyizolowane w zdrewniałych tkankach drzew liściastych. Jedną z grup związków szczególnie związana z odpornością na infekcje grzybowe są hydroksystilbeny. Należy do nich pinosylwina występująca w rodzaju Pinus . Innym przykładem związków przedzakaźnych, zapewniających odporność na choroby w roślinie niedrzewiastej, jest antrakoza cebuli. Antocyjaniny pochodne cyjanidyny są potencjalnie toksyczne dla grzybów, Występują też inne związki oprócz fenoli, które mogą oddziaływać jak proinhibityny. Do takich związków należą glikozydy triterpenów pięcicyklicznych, których przedstawicielem jest awenacyna A1. Inny przykładem niefenolowej proinhibityny jest alkaloid berberyna. Wiele roślin po infekcji przez mikroorganizmy zaczyna prowadzić akumulację metabolitów, które osiągają poziom zapewniający odpowiedni potencjał toksyczny. Są to związki aromatyczne szczególnie pochodne kumaryn. Jednym z przykładów są dwa związki fenolowe- skopolina i kwas chlorogenowy, gromadzone są w bulwie przez ziemniaka w wyniku zakażenia go grzybem Phytophthora infestans. Kumaryny i kwasy fenolowe znane są z dużej toksyczności w stosunku do licznych mikroorganizmów. Wzrost skopoliny, skopoletyny, kwasu chlorogenowego występuje też w innych roślinach np.: tytoniu (Nicotiana tabacum) i w batatach (Ipomoea batatus).  Również kwasy fenolowe uznawane są za inhibitory kiełkowania nasion [10].

Druga grupą chemicznych środków obrony roślin są związki pozakaźne (postinfekcyjne), które pojawiają się w roślinie po zakażeniu, w zdrowej i nie zaatakowanej roślinie nie występują. Dzielimy je na:

Postinhibityny- metabolity powstałe z istniejących nieaktywnych związków przez ich hydrolizę lub utlenienie, powstają związki toksyczne

Fitoaleksyny- metabolity syntetyzowane po inwazji przez derepresje genów lub aktywacje utajonego układu enzymatycznego [33].

W roślinach występuje wiele związków nieaktywnych, z których po inwazji patogena uwalniane są na drodze hydrolizy enzymatycznej lub utlenienia aktywne toksyny. Jednym z przykładów są glikozydy cyjanogenne, które podczas hydrolizy za pomocą odpowiedniej b-glukozydazy uwalniają toksyczny kwas pruski. HCN chroni roślinę przed dalszą inwazją patogena. Przykładem jest uwalnianie cyjanku w liściach komornicy (Lotus corniculatus) w wyniku ataku jej przez Stemphylium loti....