Role of enzymes and toxins in disease development. Defense mechanism in plants
Role of enzymes and toxins in disease development. Defense mechanism in plants (रोग विकास में एंजाइमों और विषों की भूमिका। पौधों में रक्षा तंत्र):-
Role of Enzymes and Toxins in Disease Development (Pathogenesis) [रोग विकास (रोगजनन) में एंजाइमों और विषों की भूमिका]:- Plant pathogens (fungi, bacteria, nematodes, some viruses indirectly) produce enzymes, toxins, growth regulators, and effectors to invade, colonize, and damage plant tissues. Among these, enzymes and toxins are the most important for disease development.
[पादप रोगजनक (कवक, जीवाणु, सूत्रकृमि, कुछ विषाणु अप्रत्यक्ष रूप से) पादप ऊतकों पर आक्रमण करने, उपनिवेश स्थापित करने और उन्हें क्षति पहुँचाने के लिए एंजाइम, विष, वृद्धि नियामक और प्रभावकारक उत्पन्न करते हैं। इनमें से, एंजाइम और विष रोग विकास के लिए सबसे महत्वपूर्ण हैं।]
1. Role of Enzymes (एंजाइमों की भूमिका):- Pathogens produce various cell wall–degrading enzymes (CWDEs) to enter and colonize host tissues.
[रोगजनक पोषक ऊतकों में प्रवेश करने और उपनिवेश स्थापित करने के लिए विभिन्न कोशिका भित्ति-अपघटनकारी एंजाइम (CWDE) उत्पन्न करते हैं।]
Cell Wall–Degrading Enzymes (CWDEs) (कोशिका भित्ति-अपघटनकारी एंजाइम):- These degrade structural components of the plant cell wall (pectin, cellulose, hemicellulose, lignin).
[ये पादप कोशिका भित्ति (पेक्टिन, सेल्यूलोज, हेमीसेल्यूलोज, लिग्निन) के संरचनात्मक घटकों का अपघटन करते हैं।]
i. Pectic Enzymes (Pectinases) [पेक्टिक एंजाइम (पेक्टिनेज)]:-
> Pectin is the major component of middle lamella.
(पेक्टिन मध्य पटलिका का प्रमुख घटक है।)
> Pectinases help pathogen spread rapidly through tissue.
(पेक्टिनेज ऊतक में रोगाणुओं को तेज़ी से फैलने में मदद करते हैं।)
> Pectin methyl esterase (PME) – removes methyl groups from pectin
[पेक्टिन मिथाइल एस्टरेज (पीएमई) - पेक्टिन से मिथाइल समूहों को हटाता है।]
> Polygalacturonase (PG) – breaks pectic substances
[पॉलीगैलेक्टुरोनेज (पीजी) - पेक्टिक पदार्थों को तोड़ता है।]
> Pectatelyase (PL) – causes tissue maceration
[पेक्टेटलाइज़ (पीएल) - ऊतक गलना का कारण बनता है।]
> Pectin lyase (PNL) – cleaves pectin directly
[पेक्टिन लाइएज़ (पीएनएल) - पेक्टिन को सीधे विभाजित करता है।]
> Diseases involving pectinases: Soft rots (Erwinia/Pectobacterium), fruit rots, damping-off, wilt diseases.
[पेक्टिनेज से जुड़े रोग: मृदु सड़न (एर्विनिया/पेक्टोबैक्टीरियम), फल सड़न, अवमंदन, विल्ट रोग।]
ii. Cellulolytic Enzymes (सेल्यूलोलिटिक एंजाइम):-
> Breakdown of cellulose → loss of cell wall strength.
(सेल्यूलोज़ का विघटन → कोशिका भित्ति की शक्ति का ह्रास।)
> Cellulase, β-glucanase, cellobiohydrolase
(सेल्यूलेज़, β-ग्लूकेनेस, सेलोबायोहाइड्रोलेज़)
> Important in wood rots (Basidiomycetes), blights, leaf spots.
[लकड़ी के सड़न (बेसिडियोमाइसीट्स), ब्लाइट्स, पत्ती के धब्बों में महत्वपूर्ण।]
iii. Hemicellulases (हेमीसेल्यूलेज़):-
> Breakdown hemicellulose (xylans, mannans, etc.)
[हेमीसेल्यूलोज़ (ज़ाइलान, मैनन, आदि) का विघटन]
> Helps pathogen spread in parenchymatous tissue.
(पैरेन्काइमा ऊतक में रोगजनकों के प्रसार में सहायता करता है।)
iv. Lignin Degrading Enzymes (लिग्निन अपघटन एंजाइम):-
> Produced mostly by wood-rotting fungi.
(मुख्यतः लकड़ी सड़न पैदा करने वाले कवकों द्वारा उत्पादित।)
> Ligninase, laccase, peroxidase
(लिग्निनेज़, लैकेज़, परोक्सीडेज)
v. Cutinases (क्यूटिनेज़):-
> Produced by fungal pathogens at the surface → degrade cuticle.
(सतह पर कवक रोगजनकों द्वारा उत्पादित → क्यूटिकल का अपघटन।)
> Examples: Botrytis, Fusarium, Alternaria etc.
(उदाहरण: बोट्राइटिस, फ्यूजेरियम, अल्टरनेरिया आदि।)
vi. Proteases & Lipases (प्रोटीएज़ और लाइपेज़):- Interfere with membrane proteins and lipids, help in penetration, nutrient acquisition.
(झिल्ली प्रोटीन और लिपिड में हस्तक्षेप करते हैं, प्रवेश और पोषक तत्व अधिग्रहण में सहायता करते हैं।)
How enzymes help in disease development?
(एंजाइम रोग के विकास में कैसे मदद करते हैं?)
i. Penetration of plant’s cuticle/cell wall
(पौधे की क्यूटिकल/कोशिका भित्ति में प्रवेश)
ii. Colonization of tissue by breaking structural barriers
(संरचनात्मक अवरोधों को तोड़कर ऊतकों का उपनिवेशण)
iii. Softening and maceration of tissues (soft rot)
[ऊतकों का नरम और गलना (नरम सड़न)]
iv. Wilting due to degradation of pit membranes
(गर्त की झिल्लियों के क्षरण के कारण मुरझाना)
v. Nutrient release from decayed tissues
(सड़े हुए ऊतकों से पोषक तत्वों का निकलना)
vi. Facilitating spread within the plant
(पौधे के भीतर प्रसार को सुगम बनाना)
2. Role of Toxins (विषों की भूमिका):- Toxins are metabolic products of pathogens that directly damage host cells or interfere with metabolism. Toxins are of two types:-
(विष रोगजनकों के उपापचयी उत्पाद होते हैं जो सीधे परपोषी कोशिकाओं को नुकसान पहुँचाते हैं या चयापचय में बाधा डालते हैं। विष दो प्रकार के होते हैं:-)
a. Host-Specific Toxins (HSTs / Race-specific toxins) [मेजबान-विशिष्ट विष (एचएसटी / जाति-विशिष्ट विष)]:-
> Toxic only to certain genotypes/varieties of host plants.
(केवल परपोषी पौधों के कुछ जीनोटाइप/किस्मों के लिए विषैले।)
> Essential for disease development (pathogen cannot cause disease without them).
[रोग के विकास के लिए आवश्यक (रोगज़नक़ इनके बिना रोग उत्पन्न नहीं कर सकता)।]
Examples (उदाहरण):-
i. Victorin (HV toxin) [विक्टोरिन (HV विष)]:- produced by Helminthosporium victoriae
(हेल्मिन्थोस्पोरियम विक्टोरिया द्वारा उत्पन्न)
Disease (रोग):- Victoria blight of oats
(जई का विक्टोरिया ब्लाइट)
ii. T-toxin (टी-विष):- produced by Helminthosporium maydis race T
(हेल्मिन्थोस्पोरियम मेडिस प्रजाति टी द्वारा उत्पन्न)
Disease (रोग):- Southern corn leaf blight (Texas cytoplasm susceptible)
[दक्षिणी मक्का पत्ती ब्लाइट (टेक्सास कोशिकाद्रव्य अतिसंवेदनशील)]
iii. HC-toxin (HC-विष):- Helminthosporium carbonum
(हेल्मिन्थोस्पोरियम कार्बोनम)
iv. AK-toxin (AK-विष):- Alternaria kikuchiana
(अल्टरनेरिया किकुचियाना)
Disease (रोग):- Black spot of pear
(नाशपाती का काला धब्बा)
v. AM-toxin (एएम-विष):- Alternaria mali – Apple blotch
(अल्टरनेरिया माली - सेब का धब्बा)
Role of HSTs (HST की भूमिका):-
> Kill specific host cells
(विशिष्ट मेज़बान कोशिकाओं को नष्ट करना)
> Determine host susceptibility
(मेज़बान की संवेदनशीलता का निर्धारण करना)
> Induce electrolyte leakage
(इलेक्ट्रोलाइट रिसाव को प्रेरित करना)
> Cause membrane dysfunction
(झिल्ली की शिथिलता का कारण बनना)
> Lead to necrosis, chlorosis, leaf spots
(परिगलन, हरित हीनता, पत्ती के धब्बे का कारण बनना)
b. Non–Host Specific Toxins (NHSTs / General toxins) [गैर-पोषी विशिष्ट विष (एनएचएसटी/सामान्य विष)]:- Affect many plant species, not essential for disease, but increase its severity.
(ये कई पादप प्रजातियों को प्रभावित करते हैं, रोग के लिए आवश्यक नहीं होते, लेकिन इनकी गंभीरता को बढ़ा देते हैं।)
Examples (उदाहरण):-
> Fusaric acid – Fusarium species
(फ्यूसैरिक अम्ल - फ्यूसैरियम प्रजाति)
> Tabtoxin – Pseudomonas syringae
(टैबटॉक्सिन - स्यूडोमोनास सिरिंजे)
> Syringomycin, syringopeptin – P. syringae
(सिरिंगोमाइसिन, सिरिंगोपेप्टिन - पी. सिरिंजे)
> Aflatoxins – Aspergillus flavus (mainly food toxin)
[एफ्लाटॉक्सिन - एस्परजिलस फ्लेवस (मुख्यतः खाद्य विष)]
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> Ochratoxin – storage fungi
(ओक्रैटॉक्सिन - भंडारण कवक)
Role of NHSTs (NHST की भूमिका):-
> Inhibit chlorophyll synthesis → chlorosis
(क्लोरोफिल संश्लेषण को बाधित करना → क्लोरोसिस)
> Inhibit protein synthesis
(प्रोटीन संश्लेषण को बाधित करना)
> Disturb membrane functions
(झिल्ली के कार्यों में बाधा डालना)
> Act as virulence factors
(विषाणु कारक के रूप में कार्य करना)
> Cause leaf spot, blight, canker
(पत्ती के धब्बे, झुलसा, कैंकर का कारण बनना)
Defense Mechanism in Plants (पौधों में रक्षा तंत्र):- Plant defense is two-tiered:
(पौधों की रक्षा दो-स्तरीय होती है:)
1. Preformed (Constitutive) Defenses [पूर्वनिर्मित (संरचनात्मक) सुरक्षा]:- Always present.
(हमेशा मौजूद।)
a. Structural / Physical Defenses (संरचनात्मक/भौतिक सुरक्षा):-
i. Cuticle – waxy layer prevents pathogen entry
(क्यूटिकल - मोमी परत रोगाणुओं के प्रवेश को रोकती है)
ii. Cell wall – cellulose, hemicellulose, lignin give strength
(कोशिका भित्ति - सेल्यूलोज़, हेमीसेल्यूलोज़, लिग्निन शक्ति प्रदान करते हैं)
iii. Epidermal thickness
(बाह्यत्वचीय मोटाई)
iv. Stomatal structure – sunken/covered stomata
(रंध्र संरचना - धँसा/ढका हुआ रंध्र)
v. Trichomes, thorns – mechanical barriers
(ट्राइकोम, काँटे - यांत्रिक अवरोध)
vi. Tyloses – formed in xylem to block pathogen spread
(टाइलोज़ - रोगाणुओं के प्रसार को रोकने के लिए जाइलम में बनते हैं)
vii. Suberin, callose deposition – blocks movement
(सुबेरिन, कैलोज़ जमाव - गति को अवरुद्ध करता है)
b. Biochemical (Preformed) Defenses (जैव रासायनिक (पूर्वनिर्मित) प्रतिरक्षाएँ):-
i. Antimicrobial compounds (phytoanticipins) [रोगाणुरोधी यौगिक (फाइटोएंटीसिपिन)]:-
> Saponins (α-tomatine)
[सैपोनिन (α-टोमैटिन)]
> Cyanogenic glycosides
(सायनोजेनिक ग्लाइकोसाइड)
> Glucosinolates
(ग्लूकोसाइनोलेट्स)
ii. Phenolic compounds (फेनोलिक यौगिक):- tannins, lignin precursors
(टैनिन, लिग्निन पूर्ववर्ती)
> These are produced irrespective of infection.
(ये संक्रमण की परवाह किए बिना उत्पन्न होते हैं।)
2. Induced Defenses (Activated after pathogen attack) (प्रेरित प्रतिरक्षा (रोगज़नक़ के हमले के बाद सक्रिय)):-
a. Structural Defenses (संरचनात्मक प्रतिरक्षा):-
i. Papilla formation (पैपिला निर्माण):- Deposition of callose, lignin, silica beneath infection site.
(संक्रमण स्थल के नीचे कैलोज़, लिग्निन, सिलिका का जमाव।)
ii. Hypersensitive Response (HR) (अतिसंवेदनशील प्रतिक्रिया):- Rapid local cell death kills pathogen locally (important against biotrophs).
[तीव्र स्थानीय कोशिका मृत्यु, रोगज़नक़ को स्थानीय रूप से मार देती है (बायोट्रॉफ़्स के विरुद्ध महत्वपूर्ण)।]
iii. Cork layer formation (कॉर्क परत निर्माण):- Protects healthy tissues from infected ones.
(स्वस्थ ऊतकों को संक्रमित ऊतकों से बचाता है।)
iv. Abscission layer (विगलन परत):- Infected leaf/fruit falls off to prevent spread.
(संक्रमित पत्ती/फल का फैलाव रोकने के लिए गिर जाना।)
v. Gum & Resin formation (गोंद और राल निर्माण):- Block pathogen movement.
(रोगज़नक़ की गति को अवरुद्ध करना।)
b. Biochemical Defenses (जैव रासायनिक प्रतिरक्षा):-
i. Phytoalexins (फाइटोएलेक्सिन):- Low-molecular weight antimicrobial compounds produced after infection.
(संक्रमण के बाद उत्पन्न होने वाले कम आणविक भार वाले रोगाणुरोधी यौगिक।)
Examples (उदाहरण):-
i. Pisatin – pea
(पिसाटिन - मटर)
i. Phaseollin – beans
(फेज़ोलिन - बीन्स)
iii. Camalexin – Arabidopsis
(कैमालेक्सिन - अरेबिडोप्सिस)
iv. Orstilins – rice
(ऑर्स्टिलिन - चावल)
Functions (कार्य):-
> Inhibit pathogen enzymes
(रोगजनक एंजाइमों को रोकना)
> Prevent spore germination
(बीजाणु अंकुरण को रोकना)
> Kill pathogen cells
(रोगजनक कोशिकाओं को नष्ट करना)
ii. Pathogenesis-Related (PR) Proteins [रोगजनन-संबंधी (PR) प्रोटीन]:- Proteins induced during pathogenesis.
(रोगजनन के दौरान प्रेरित प्रोटीन।)
Types (प्रकार):-
i. Chitinases – degrade fungal cell wall
(काइटिनेज़ - कवक कोशिका भित्ति को नष्ट करते हैं)
ii. β-1,3-glucanases – degrade glucans
(β-1,3-ग्लूकेनेस - ग्लूकेन को नष्ट करते हैं)
iii. Proteinase inhibitors
(प्रोटीनेज़ अवरोधक)
iv. Thaumatin-like proteins
(थौमैटिन-सदृश प्रोटीन)
v. Peroxidases
(परोक्सीडेज़)
vi. Ribonucleases
(राइबोन्यूक्लिऐज़)
iii. Reactive Oxygen Species (ROS) Burst [प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजाति (ROS) विस्फोट]:- Hydrogen peroxide, superoxide produced at infection site.
(संक्रमण स्थल पर उत्पादित हाइड्रोजन पेरोक्साइड, सुपरऑक्साइड।)
Functions (कार्य):-
i. Kill pathogens
(रोगजनकों को मारना)
ii. Strengthen cell wall (via oxidative cross-linking)
[कोशिका भित्ति को मजबूत करना (ऑक्सीडेटिव क्रॉस-लिंकिंग के माध्यम से)]
iii. Signal other defense responses
(अन्य रक्षा प्रतिक्रियाओं का संकेत देना)
iv. Systemic Acquired Resistance (SAR) (प्रणालीगत उपार्जित प्रतिरोध):- Long-lasting resistance throughout plant.
(पूरे पौधे में दीर्घकालिक प्रतिरोध।)
i. Induced by salicylic acid
(सैलिसिलिक अम्ल द्वारा प्रेरित)
ii. Effective against biotrophs
(जैवपोषियों के विरुद्ध प्रभावी)
iii. Involves PR proteins
(PR प्रोटीन शामिल हैं)
v. Induced Systemic Resistance (ISR) (प्रेरित प्रणालीगत प्रतिरोध):-
> Triggered by beneficial microbes (PGPR).
[लाभकारी सूक्ष्मजीवों (PGPR) द्वारा प्रेरित।]
> Mediated by jasmonic acid and ethylene
(जैस्मोनिक अम्ल और एथिलीन द्वारा मध्यस्थता)
> Effective mainly against necrotrophs
(मुख्य रूप से नेक्रोट्रॉफ़्स के विरुद्ध प्रभावी)
vi. Role of Hormones in Plant Defense (पादप रक्षा में हार्मोन की भूमिका):-
i. Salicylic acid (SA) – biotrophic pathogens & SAR
(सैलिसिलिक अम्ल (SA) - जैवपोषी रोगजनक और SAR)
ii. Ethylene (ET) – synergistic with JA
[एथिलीन (ET) - JA के साथ सहक्रियात्मक]
iii. Antagonism between SA ↔ JA/ET pathways
(SA ↔ JA/ET मार्गों के बीच विरोध)