Plant Defenses Vasakorn Bullangpoti, Ph.D. Email: fscivkb@ku.ac.th

1. Animal –Plant Interactions Plant Defenses Vasakorn Bullangpoti, Ph.D. Email: fscivkb@ku.ac.th

3. Topics • Why plant have to defences itself • Type of plant defences • Mechanical defences • Biochemical defences

4. WHY? • Plant defense against herbivory or host-plant resistance (HPR) includes a range of adaptations evolved by plants that improve their survival and reproduction by reducing the impact of herbivores.

5. Strategies To escape or avoid herbivores in time or in place (for example by growing in a location where plants are not easily found or accessed by herbivores or by repelling herbivores chemically (also termed non-preference or antixenosis)). To tolerates herbivores, by diverting the herbivore to eat non-essential parts of the plant Developing an enhanced ability to recover from the damage caused by herbivory. Some plants encourage the presence of natural enemies of herbivores, which in turn protect the plant from herbivores. confrontation; the use of chemical or mechanical defenses, such as toxins that kill herbivores or reduce plant digestibility (also called antibiosis)

6. Defense type • Mechanical defense • Mimicry and camouflage • Indirect defenses • Leaf shedding and color • Chemical defense

7. Plant’s surface; resins, lignins, silica, and wax cover the epidermisofterrestrial plants Mechanical defense

10. Both lignin and cellulose are found in the rigid cell walls of the xylem cells (those that conduct water) in the primitive plant, Selaginella. Source: www.nsf.gov

11. Pathway of lignin biosynthesis in angiosperm trees.Wood is a composite of fibrous cellulose embedded in short-chain polysaccharides and polyphenolic lignin. During pulping, lignin is chemically degraded, with an unavoidable removal of a majority of the hemicelluloses, to release cellulose fibers from wood for papermaking. When expression of the gene encoding CAD is downregulated in hybrid poplar trees, lignin becomes more chemically reactive and transgenic wood can be pulped with fewer chemicals. In contrast, suppression of COMT gene expression renders lignin more chemically resistant, requiring more pulping chemicals. But the field performances of both transgenic types are similar to those of wild-type poplars. Source: www.nature.com

12. Suberin

13. plant defense in action - latex kills monarch.jpg

14. The thorns on the stem of this raspberry plant, serve as a mechanical defense against herbivory. Mechanical defense

15. Spine Mechanical defense

16. THORN SPINE Thorn is modified from stem Spine is modified from leave

17. Trichome Mechanical defense Granular Trichrome

18. occur in response to touch, are used as a defense in some plants Thigmonasty Mimosa pudica in normal and touched state

19. The Fly Orchid (Ophrys insectifera). Mimicry and camouflage

20. Fake Heliconius eggs www.uts.cc.utexas.edu

21. Indirect defense Acacia collinsii in Guanacaste, Costa Rica. @ wikimedia.com

22. Chemical defense Principle of Phytochemistry

23. Introduction to the biosynthesis of secondary plant metabolites • Primary and secondary metabolites

25. รูปที่ 1 การสร้างสารประกอบปฐมภูมิและสารประกอบทุติยภูมิ

26. ตารางข้อเปรียบเทียบระหว่างสารประกอบปฐมภูมิ (primary metabolites) และสารประกอบทุติยภูมิ (secondary metabolites)

27. Classification of secondary metabolites • กระบวนการสร้างสารประกอบทุติยภูมิ อาจเรียกว่า วิถีชีวสังเคราะห์ (biosynthetic pathway)ซึ่งหากศึกษาโดยละเอียดจะพบว่าสารแต่ละชนิดจะมีวิถีชีวสังเคราะห์แตกต่างกันไป

28. รูปวิถีชีวสังเคราะห์หลักสำหรับสารประกอบทุติยภูมิรูปวิถีชีวสังเคราะห์หลักสำหรับสารประกอบทุติยภูมิ acetogenin หรือ polyketide

29. ตารางType of secondary metabolites • โดยการพิจารณาจาก key intermediate สามารถจัดกลุ่มของ secondary metabolites ดังตาราง

30. Function of secondary metabolites in plants ปัจจุบันมนุษย์มีความเข้าใจเกี่ยวกับบทบาทของสารประกอบทุติยภูมิที่มีต่อพืชมากขึ้น โดยเข้าใจว่าพืชสร้างสารเหล่านี้เพื่อต่อสนองต่อสิ่งแวดล้อมจากการพิจารณาข้อสังเกตต่อไปนี้ 1.      สารประกอบทุติยภูมิมีหลายกลุ่มแต่ละกลุ่มจะจำเพาะกับพืชชนิดใดชนิดหนึ่งในระดับใดก็ได้ เช่น family, genus, species ดังนั้นการสะสมสารประกอบทุติยภูมิย่อมไม่ใช่เกิดจาการสร้างหรือสะสมโดยบังเอิญ 2.      สารประกอบทุติยภูมิที่สะสมอยู่ในพืชแต่ละชนิดเป็นสารที่มีฤทธิ์ทางชีววิทยาและสารเหล่านี้มีอิทธิพลต่อการเจริญเติบโตของพืชต่างชนิดที่เจริญเติบโตอยู่ในบริเวณใกล้เคียง 3.      ปริมาณสารประกอบทุติยภูมิที่สะสมในพืชจะขึ้นกับสภาวะแวดล้อม 4.      จุลินทรีย์, แมลงและสัตว์อาศัยสารประกอบทุติยภูมิที่สะสมอยู่ในพืชเป็นตัวกำหนดว่าพืชชนิดใดเป็นแหล่งที่อยู่อาศัยหรือแหล่งอาหาร 5.      จุลินทรีย์, แมลง และสัตว์ ที่อาศัยพืชชนิดนั้น ๆ เป็นแหล่งที่อยู่อาศัย หรือแหล่งอาหารมีกระบวนการวิวัฒนาการเพื่อให้ดำรงชีวิตร่วมกับพืชเหล่านั้นได้โดยมีการพัฒนาระบบการทำลายพิษที่เกิดจากสารประกอบทุติยภูมิที่สะสมอยู่ในพืชชนิดนั้น ๆ 6.      การยับยั้งหรือขัดขวางขั้นตอนใดขั้นตอนหนึ่งในกระบวนการ secondary metabolism จะไม่มีผลยับยั้งการเจริญเติบโตของพืช แต่จะทำให้ความสามารถในการต้านทานโรคและทนต่อแมลงลดลง

31. Function of secondary metabolites in plants ดังนั้นสารประกอบทุติยภูมิจึงเป็นสารที่มีฤทธิ์ทางชีววิทยาซึ่งพืชสร้างขึ้นเพื่อที่จะสื่อสารกับสิ่งแวดล้อม มิได้สร้างขึ้นเพื่อที่จะเป็นแหล่งสะสมวัตถุดิบเพื่อใช้ในการสร้างสารประกอบปฐมภูมิ พืชสร้างสารพวก flavonoid ซึ่งเป็นสารที่มีสี สำหรับล่อแมลงและนกในการผสมเกสร สารพวกน้ำมันหอมระเหยซึ่งจะส่งกลิ่นล่อหรือไล่แมลงหรือสัตว์ต่าง ๆ ได้ สารยับยั้งการเจริญเติบโตของราหรือ แบคทีเรียได้ จึงสามารถป้องกันไม่ให้พืชเป็นโรค สารที่เป็นพิษต่อสัตว์และแมลง รวมถึงเป็นพิษต่อพืชชนิดอื่นด้วยเพื่อไม่ให้เกิดการรุกรานถิ่นที่อยู่ สารที่มีโครงสร้างทางเคมีคล้ายกับโครงสร้างทางเคมีของฮอร์โมนของแมลงเพื่อป้องกันไม่ให้ตัวอ่อนของแมลงเจริญเติบโต เป็นต้น

32. Natural component in plant materials • Carbohydrate • Lipids • Volatile oils • Alkaloids • Glycosides

35. Volatile oil

36. Volatile oils (essential oil) • Essential oils are stored in special cells, ducts, or glandular hairs that are distributed among the roots, leaves, bark, stems, and flowers of the plant. • Essential oils protect the plant from insects and other herbivores, from bacteria, molds, fungi, and other microorganisms, and also helps to heal inflicted wounds.  These unique characteristics make essential oils highly beneficial to humankind.

38. Alcohol volatile oil Geraniol Citronellol Menthol <alpha>-terpineol • C10 H20 O

39. Hydrocarbon volatile oil Main: Hydrocarbon Terpene Dicyclic monoterpene: pinene

40. Aldehyde volatile oil Main: aldehyde Geranial Neral citronellal

41. Ketone volatile oil Menthone Carvone pipertone Pulegone Camphor การบูร

42. oxide volatile oil

43. Volatile oil extraction method

45. Enfleurage

47. Alkaloids

48. Alkaloids

49. What is alkaloids • Any of various organic compounds, normally with bases and usually containing at least one nitrogen atom in a heterocyclic ring, occurring chiefly in many vascular plants and some fungi.