Kadmium által indukált élettani változások kukoricában pál magda

2.3. A kadmium indukálta védekező mechanizmusok

Az általános stresszelmélet analógiájára a nehézfémtoleranciát eredményező mechanizmusok egyik csoportját az elkerülési-stratégiát, a másikat a tolerancia-stratégiát alkalmazó növények alkotják (Hall, 2002). Az elkerülési mechanizmust a nehézfém felvételének korlátozásával − így azok kizárásával a szövetekből − valósítják meg a növények. A tolerancia mechanizmust alkalmazók a nehézfémek aminosavak, fehérjék, peptidek általi lekötésével képesek a nehézfémeket akkumulálni, tárolni és immobilizálni.

A kadmiumstresszre adott válaszreakció során a növényi sejt számos védelmi rendszert vehet igénybe.

2.3.1. Kizárási mechanizmus és immobilizáció

Az első védelmi rendszer a gyökér szintjén működik, a kizárási mechanizmus, amely megelőzheti a kadmium citoszólba jutását, magába foglalva a rizoszféra pH módosítását, fémkötő, szerves savak és fitoszideroforok kibocsátását, és a bőséges nyálka barriert a gyökércsúcson.

További védelmi mechanizmust biztosít az immobilizáció, a sejtfalban és az extracelluláris szénhidrátok segítségével. LozanoRodriguez és mtsai (1997) kukorica gyökerében azt tapasztalták, hogy a kadmium főleg a sejtfalban és a szolubilis sejtfrakcióban halmozódik fel. Irodalmi adatok szerint a kadmium általában a gyökérben marad és csak kis mennyiségben transzportálódik a hajtásba (Rauser, 1986; Szalai és mtsai, 2002).

E mechanizmusok fontossága azonban a kísérletek során alkalmazott kadmium koncentrációtól és a növényfajtól is függ.

2.3.2. A kéntartalmú vegyületek szerepe a kadmiumstressz elleni védelemben

A kizárásos és immobilizáció mechanizmusok véges kapacitása miatt a kadmium bejut a növényi sejtbe, ahol számos további védelmi mechanizmust indukál, melyek különböző anyagcsere folyamatok aktiválódásával járnak együtt.

A glutationnak központi feladata van a sejt megfelelő redox állapotának fenntartásában, így stressz körülmények között szerepe megnő. Eltérő irodalmi adatok vannak arra vonatkozóan, hogyan befolyásolja a kadmiumkezelés a cisztein, a -EC és a GSH szintjét kukoricában. A különböző eredmények az eltérő alkalmazott kadmiumkoncentrációkból illetve a kezelések különböző időtartamából adódnak (Meuwly és Rauser, 1992; Nocito és mtsai, 2002; Rüegsegger és Brunold, 1992; Drazkiewicz és mtsai, 2003; Souza és Rauser, 2003; Klejdus és mtsai, 2004; Rellán-Álvarez és mtsai, 2006). A GSH védő hatását írták le a növekedési paraméterekre és a klorofill molekulákra kukorica fiatal és öreg levélrészeiben (Drazkiewicz és Baszynski, 2005).

A GSH a megfelelő redox állapot fenntartása mellett, mint a glutation-S-transzferáz (GST) ko-szubsztrátja számos feladatot tölt. A növényekben található GSH-függő detoxifikáló enzimek közül a GST a legjelentősebb, amit jól mutat, hogy a kukoricalevélben a szolubilis fehérjék 1%-át teszik ki (Edwards és mtsai, 2000). Szerepet játszanak a normális sejt metabolizmusban, a különböző xenobiotikumok detoxifikálásában, illetve patogén támadás, és abiotikus stressz indukálta oxidatív károsodás kivédésében (Marrs, 1996). A GST-ok döntően a citoszólban expresszálódnak, ahol GSH-függő katalitikus feladataikat ellátják, valamint nem katalitikus szerepet is betöltenek, mivel különböző molekulákat (növényi hormonokat, antociánokat és flavonoidokat) megkötve azok mennyiségét, illetve vakuoláris transzporját szabályozzák (Dixon és mtsai, 2002). Az S-glutationilált metabolitok az ATP-kötő kazetta (ABC) transzporterek által jutnak a vakuolumokba (Edwards és mtsai, 2000). A GST szerepet játszik a tirozin lebontásában, továbbá az apoptózis potenciális regulátora (Edwards és mtsai, 2000).

A GST-ok heterogén, multifunkcionális családját, nagy és diverz géncsalád kódolja a növényekben, melyek a szekvencia azonosság alapján fi, tau, téta, zéta, lambda és egy újonnan felfedezett dehidroaszkorbát-reduktáz aktivitással rendelkező osztályokba sorolhatók. Két 25−27 KDa-os alegységből épülnek fel, melyek lehetnek homodimerek illetve heterodimerek (Edwards és mtsai, 2000; Moons, 2005).

A GST gének eltérő indukcióját írták le biotikus és abiotikus stresszt követően, és a stressz indukálta növényi növekedés regulátorok (jázmonsav, szalicilsav, etilén, nitrogénoxid) is eltérően aktiválja a GST gén expressziót (Moons, 2005). A stressz indukálta GST-ok szerepet játszanak az oxidatív károsodás során megjelenő citotoxikus metabolitok konjugálásában, pl. növényekben a membránokból oxidatív stresszt követő peroxidáció során felszabaduló 4-hidroxinonenal toxikus alkenált búzában a tau osztályba sorolt GST detoxifikálja. Szintén leírták egyes GST-ok GSH-függő tioltranszferáz aktivitását, mely a fehérjéket védi oxidatív károsodástól, valamint dehidro-aszkorbát-reduktáz aktivitását (Edwards és mtsai, 2000). Alumíniumkezelés hatására megemelkedett glutation-S-transzferáz aktivitást írtak le kukoricában (Cancado és mtsai, 2005). Kadmiumkezelés során szintén kukoricában megemelkedett a glutation-S-transzferáz Bronze2 gén expressziója (Marrs és Walbot, 1997).

A glutation SH-csoportja révén maga is képes a nehézfémek megkötésére, de az aktiválódott bioszintézise a kadmiumstressz során tapasztalt megnövekedett fitokelatin (PC) produkció során is fontossá válik.

A kadmium citoszólba jutásával, egy a kén metabolizmussal kapcsolatban álló rendszer aktiválódik, melynek eredményeként fontos komplexképző ágensek képződnek. A fitokelatinokat növényekben először Grill és mtsai (1985) izolálták Silene cucubalis sejtszuszpenziós kultúrából. A fitokelatinok struktúrája: (-Glu-Cys)_n-Gly, ahol az n a -Glu-Cys egységek ismétlődésének a száma, mely általában 2-11. Elsődleges struktúrájukat: Cd₃(PC₃)₄, amely különálló Cd(SCys)₄ egységeket tartalmaz, Strasdeit és mtsai (1991) határozták meg. A peptid SH:Cd mólarány 3,78, amely a komplex kadmiummal való telítése után 1,01-re csökken (Rauser és Meuwly, 1995). Ez utóbbi arányt írták le kukoricagyökérben is, ami azt jelenti, hogy minimális SH mennyiséggel, maximális Cd megkötésére képes a gyökérben képződött PC, míg kukoricalevélben ez az arány 3,41 – 4,73, ami a fitokelatinok túltermelésére utal (Drazkiewicz és mtsai, 2003). A szintézisükért felelős enzim a -glutamil-cisztein dipeptidil transzpeptidáz (fitokelatin szintáz: PCS), melynek szubsztrátja a glutation (Grill és mtsai, 1989). A PC szintézis első lépése, a -EC dipeptid létrehozása a GSH-ból fémion jelenlététől független, míg a második lépés fémion-függő transzpeptidáció (Clemens, 2006). Az enzim nehézfémstressztől függetlenül expresszálódik, de elsődlegesen a nehézfém jelenléte aktiválja (Cobbett, 2000).

Kukoricában in vitro enzimatikus reakcióban a három ismert fitokelatin család (PC: (-Glu-Cys)_n -Gly ; desGly-PC: (-Glu-Cys)_n , azaz a C-terminális Gly hiányzik; izo-PC(Glu): (-Glu-Cys)_n -Glu, azaz a C-terminális Gly helyett Glu) mellett, PC--Glu (N-terminális végéről hiányzik a -Glu), inter és intramolekuláris diszulfidkötést tartalmazó PC, valamint Cys-Cys motívumot tartalmazó PC rokon peptideket izoláltak (Chassaigne és mtsai, 2001).

A fitokelatinok kis molekulatömegű komplexeket (LMW) képeznek a kadmiummal. Shizosaccharomyces pombe-ből izolálták a hmt1 gént, mely által kódolt HMT1 protein képes az LMW PC-Cd komplexeket a vakuólumba transzportálni (Ortiz és mtsai, 1992, 1995). Növényi sejtekben is valószínűsítik, hogy ATP-függő ABC-transzporterek juttatják az LMW PC-Cd komplexeket a vakuólumokba, valamint feltételeznek egy a Cd vakuoláris szekvesztrációban szerepet játszó Cd²⁺/H⁺ antiport csatornát is a tonoplaszton (Clemens, 2006). Ezek a komplexek savlabilis kénnel (S^2-) és további kadmium megkötésével hozzák létre a nagy molekulatömegű (HMW) komplexeket (Cobbett, 2000), melyek stabilabbak és nagyobb az affinitásuk a kadmiumra, és többnyire hosszabb peptidekből állnak (Rauser, 2003). A vakuólumban savas pH uralkodik, így a HMW komplexek disszociálnak. A kadmium vakuoláris szerves savakkal (citrát, oxálsav, malát), és valószínűleg aminosavakkal képez komplexet, míg az apo-fitokelatinok vagy hidrolázok által lebontódnak, vagy visszajutnak a citoszólba (Sanita di Toppi és Gabrielli, 1999). A Cd²⁺ mobilizációja is megtörténhet a vakuólumból, a mikroelemek mobilizációjában szerepet játszó AtNramp3-on keresztül (Clemens, 2006).

Már egészen alacsony kadmiumkoncentráció (0,05 M), 24 óra elteltével elegendőnek bizonyult kukoricagyökérben a PC szintézis serkentéséhez. 3 M Cd hatására 2 óra elteltével 2−4 tagszámú fitokelatinok jelennek meg, 6 óra múlva pedig a PC2 helyett már a PC3 dominál (Tukendorf és Rauser, 1990). Indukált mennyiségük szorosan összefügg a kadmiumkoncentrációval és a kezelési időtartammal, de függ a levél korától is (Wójcik és Tukendorf, 1999; Drazkiewicz és mtsai, 2003). Kukoricagyökérben 1 nappal a 3 M-os kadmiumkezelést követően az LMW, míg 2 nap múlva a HMW fitokelatinok dominálnak. A gyökér alapi részében a HMW komplexek dominálnak, míg a gyökércsúcs felé haladva az LMW komplexek aránya megemelkedik (Rauser, 2003). Kukoricanövényekben a kadmium jelentős része a gyökérben akkumulálódik, és a fitokelatinok jelentőségét mutatja, hogy a gyökér kadmiumtartalom 88−89%-a LMW és HMW komplexekben fordul elő. Viszont a cinkkel kezelt kukoricanövények gyökerében a cink tartalomnak csak 4−7%-át képesek a HMW fitokelatinok megkötni. A hajtásba kevesebb kadmium transzportálódik és annak is csak 27%-a van jelen fitokelatinnal kötött formában. Ugyanakkor a hajtás nagyobb koncentrációban tartalmaz fitokelatinokat, mint a gyökér (Souza és Rauser, 2003). Ez utóbbi megállapítással ellentétes eredményt tapasztaltak Seregin és mtsai (2007), 5 napos 38 M-os Cd kezelés hatására a hajtásban 18-szor, és a gyökér csúcsi részben is többszörösen kevesebb PC akkumulálódott, mint a gyökér alapi részében. Az alapi részben PC2-PC5 halmozodott fel, míg a csúcsi részben a PC2 és PC3 akkumulálódott. A gyökér alapi rész magas PC akkumulációja ellenére a glutation-mennyisége legnagyobb mértékben a gyökér csúcsi részben csökkent és legkevésbé a hajtásban (Seregin és mtsai, 2007).

A PCS expressziójáról, és a PC bioszintézis szövetspecifitásáról keveset tudunk. Paradicsomnövényekben PCS aktivitást mértek a gyökérben és a szárban, de a levelekben és a termésben nem (Chen és mtsai, 1997), más szerzők azt tapasztalták, hogy paradicsomnövények levelében a PCS enzim csak nehézfém jelenlétében szintetizálódik (Reese és mtsai, 1992). A PC-ok bioszintézise autoregulációs kontroll alatt áll, azaz miután a reakciótermék kelátot képez a nehézfémionnal, az enzim aktiváló ion hiányában inaktívvá válik (Loeffler és mtsai, 1989).

Napjainkig ellentmondások tapasztalhatók az irodalomban a nehézfémtolerancia és a fitokelatin szintézis közötti kapcsolatot illetően (de Knecht és mtsai, 1994; Delhaize és mtsai, 1989; Arisi és mtsai, 2000). Wójcik és Tukendorf (1999) kukorica, rizs és búza kadmiumtoleranciáját hasonlította össze. A kukorica lényegesen alacsonyabb kadmium akkumulációt mutatott a másik két fajhoz képest. Mégis a legérzékenyebbnek mutatkozott a stressz során, annak ellenére, hogy a fitokelatin akkumuláció a kadmiumstresszet követően, 3-10-szer gyorsabb volt, valamint a felvett kadmiumot a képződött -Glu-Cys dipeptidek hatékonyabban detoxifikálták kukoricában a másik két vizsgált fajhoz képest. Ugyanakkor kimutatták, hogy kukorica különböző korú levélszegmenseiben a Cd-PC3 komplexnek fontos szerepe van a kadmium növekedési paraméterekre, valamint a klorofill a és b mennyiségére kifejtett gátló hatása elleni védelemben. Érdekes módon a PC2, PC4, PC5 és a totál PC tartalom fordított arányba viszonyult a növekedési paraméterekhez és a klorofillszinthez (Drazkiewicz és Baszynski, 2005).

Mivel a fitokelatinok glutationból szintetizálódnak, a PC szintézissel párhúzamosan a GSH szint csökken (Tukendorf és Rauser, 1990; Rauser, 1987). A fitokelatinok szintézise energiaigényes folyamat, a kadmiumnak kitett sejteknek helyre kell tehát állítaniuk a glutationszintet. A PC szintézis költsége a gyökérnövekedés csökkenése (Meuwly és Rauser, 1992). Továbbá számos tanulmány szerint a fitokelatinok csak tranziensen jelennek meg, és nem ismertek a hosszúidejű nehézfém akkumulációt lehetővé tevő ligandok.

Összegezve megállapíthatjuk, hogy a fitokelatinok a nehézfém detoxifikáció fő komponensei, de valószínűleg nem felelősek a kadmiumtoleranciáért, habár a nehézfémstressz hasznos, korai figyelmeztető jelei. Feltételezhetjük továbbá, hogy a fitokelatinok nemcsak egy nehézfém detoxifikációs rendszert képviselnek, hanem alacsony koncentráció esetén a celluláris homeosztázis kulcs molekulái, szükségesek a fémek megfelelő apoenzimeikhez szállításában (Thumann és mtsai, 1991). A fitokelatin szintáz konstitutív jelenléte tovább erősíti a fitokelatinok sokkal általánosabb szerepét.

2.3.3. A kadmium indukálta oxidatív stressz kivédése

A normális sejt működés során, illetve stressz körülmények között keletkező aktív oxigénformákat egy több tagból álló antioxidáns rendszer ártalmatlanít. Az antioxidáns védekezőrendszert enzimatikus és nem-enzimatikus komponensekre különíthetjük el. A nem-enzimatikus rendszert antioxidáns tulajdonságú vegyületek alkotják, melyek lehetnek vízoldhatók, ezek között kiemelt fontosságú a glutation és az aszkorbinsav, illetve lipidoldhatók, mint például az -tokoferol, vagy a -karotin. Az enzimatikus elemek közül az aszkorbát-peroxidáz (APX) és a glutation-reduktáz (GR) az előbbi vegyületek reakcióit, regenerációját katalizálva vesz részt a reaktív oxigénformák eliminálásában. Kivételt képez a szuperoxid-dizmutáz és a kataláz (KAT) enzim, melyek reakciójában nem vesz részt antioxidáns vegyület (Dat és mtsai, 2000).

Nehézfémstressz során az antioxidáns enzim aktivitásoknak mind indukcióját mind gátlását számos növényfajban, különböző szövetekben leírták, (Iannelli és mtsai, 2002; Hassan és mtsai, 2005; Singh és mtsai, 2004; Tiryakioglu és mtsai, 2006), így bizonyított, hogy az antioxidáns rendszer a nehézfémstressz érzékeny szenzora.

Számos irodalmi adat bizonyítja, hogy nehézfémstressz során nő az antioxidáns aktivitás (Baccouch és mtsai, 1998, 2001; Zacchini és mtsai, 2003). Bizonyos nehézfém koncentráció felett viszont az antioxidáns enzimek gátlását tapasztalták (Gallego és mtsai, 1996; Hegedűs és mtsai, 2001; Srivastava és mtsai, 2004; Ekmekci és mtsai, 2008). Kukoricalevélben is különbözőképpen befolyásolja a kadmiumkezelés a gvajakol-peroxidáz (POD), GR, APX és KAT aktivitásokat (Lagriffoul és mtsai, 1998; Kong és mtsai, 1999; Krantev és mtsai, 2006; Yannarelli és mtsai, 2007; Ekmekci és mtsai, 2008; Kumar és mtsai, 2008).

A reaktív oxigénformák sejtkárosító hatásuk mellett, alacsony koncentrációban, szerepet játszhatnak a védekező mechanizmusok jelátviteli folyamataiban (Grant és Loake, 2000; Shao és mtsai, 2008). Számos jelátviteli útban mutatták ki reaktív oxigénformák szerepét (Van Breusegem és mtsai, 2001; Neill és mtsai, 2002). A hidrogén-peroxid különböző stresszhatások következtében aktiválódó jelátviteli utak közös komponense, így szerepe lehet a kereszttolerancia kialakulásában (Pastori és Foyer, 2002). A sejtekben a reaktív oxigénformák mennyiségét összetett antioxidáns védekező mechanizmusok szabályozzák. Ezek egyrészt megakadályozzák a reaktív oxigénformák nagy mennyiségű felhalmozódását, másrészt lehetővé teszik kis koncentrációváltozások finom szabályozását, érzékelését.

Az alábbiakban az általunk tanulmányozott antioxidáns enzimek működését, sejten belüli elhelyezkedését és szerepüket foglaljuk össze.

2.3.3.1. Kataláz

A kataláz a hidrogén-peroxid közömbösítését végzi dizmutációval az alábbi reakció alapján.

2 H₂O₂ ® 2 H₂O + O₂

A H₂O₂ koncentrációtól függően azonban a kataláz enzimnek kétféle lehetséges működése van (Deisseroth és Dounce, 1970). Magas H₂O₂ koncentráció mellett a fent leírt reakció gyorsabb, ún. katalatikus módon működik. Ennek során mind a donor, mind pedig az akceptor szerepét a H₂O₂ tölti be, így a kataláz egyszerre két molekula H₂O₂-t képes közömbösíteni, és ehhez nem igényel redukáló erőt.

Alacsony hidrogénperoxid koncentráció (< 10^-6 M) mellett viszont, az ún. peroxidatikus út működik, ahol különböző vegyületek (etanol, aszkorbát, RH₂) tölthetik be a hidrogén-donor szerepét az alábbi reakció szerint:

RH₂ + H₂O₂ ® R + 2 H₂O

A kataláz széles körben elterjedt enzim, mely aerob baktériumoktól kezdve a magasabbrendű növényekig és állatokig minden élőlényben előfordul. A kataláz 4 alegységből felépülő hem-tartalmú enzim. Kukoricában 3, egymástól független gént találtak, melyek biokémiailag különböző kataláz enzimeket kódolnak (KAT1, KAT2 és KAT3). A KAT1 és KAT2 izoenzimek a glioxiszómákban vagy peroxiszómákban, míg a KAT3 fehérjék a mitokondriumokban találhatók. A KAT1 és KAT2 izoenzimek előfordulnak homotetramerként, de ahol mindkét gén expresszálódik, heterotetramereket is alkothatnak alegységeik. A KAT3 in vivo csak homotetramer lehet, mert térben elkülönül a másik két izoformától. A háromféle izoenzim közül a KAT3 biokémiai tulajdonságai térnek el leginkább a többitől. Egyrészt nagyobb peroxidatikus aktivitással bír, mint a KAT1 vagy a KAT2. Másik jelentős különbség, hogy különféle gátlószerekkel szemben (aminotriazol, cianid, stb.) ellenállóbbnak bizonyul a KAT3.

A kataláz gének expressziója változik az egyedfejlődés során, illetve a különböző szövetekben, illetve sejttípusokban is eltérő lehet (Scandalios és mtsai, 1997). A Cat2 kataláz mutáns kukoricanövényeken végzett kísérletek során megállapították, hogy a kukoricalevélben a KAT1 és a KAT3 izoenzim a mezofill sejtekben fordul elő, a KAT2 pedig a hüvelyparenchima sejtek peroxiszómaiban (Tsaftaris és mtsai, 1983).

A hidrogénperoxid lebontásban a kataláznak elsődleges szerepe van. A katalázhiányos transzgenikus dohánynövények érzékenyebbnek bizonyultak a parakvát-, só- és ózonstresszre, viszont az alacsony hőmérséklettel szemben nem mutattak nagyobb érzékenységet (Willekens és mtsai, 1997).

2.3.3.2. Az aszkorbát-glutation ciklus

A kloroplasztiszokban nincs katalázaktivitás, így az ott keletkező H₂O₂-ot az ún. aszkorbát-glutation ciklus semlegesíti (1. ábra). E rendszer enzimei és szubsztrátjai más sejtkompartmentekben is megtalálhatók (Klapheck és mtsai, 1990).

1. ábra. Az aszkorbát-glutation ciklus. AsA – aszkorbinsav, APX – aszkorbát-peroxidáz, DHA – dehidroaszkorbát, DHAR – dehidroaszkorbát-reduktáz, GR – glutation-reduktáz, GSH – redukált glutation, GSSG – oxidált glutation, MDA – monodehidroaszkorbát, MDAR – monodehidroaszkorbát-reduktáz (Mittler, 2002, alapján).
A ciklus két legtöbbet tanulmányozott enzime az aszkorbát-peroxidáz és a glutation-reduktáz.
Aszkorbát-peroxidáz
Az aszkorbát-peroxidáz egy vastartalmú protein, mely erősen specifikus az aszkorbinsavra, mint elektrondonorra, míg más peroxidáz enzimek, mint pl. a gvajakol-peroxidázok, többféle vegyületet is használhatnak elektrondonorként. Az aszkorbát-peroxidáz a következő reakciót katalizálja:

2 aszkorbinsav + H₂O₂ ® 2 dehidroaszkorbinsav + 2 H₂O

Az enzimnek két izoenzimjét tudták kimutatni teában (Chen és Asada, 1989), spenótban (Nakano és Asada, 1987; Tanaka és mtsai, 1991) és borsóban (Mittler és Zilinskas, 1991). Kukoricában az aszkorbát-peroxidáz döntően a hüvelyparenchima sejtekben lokalizálódik (Doulis és mtsai, 1997).
Glutation-reduktáz
A glutation-reduktáz NADPH-függő heterotetramer enzim, mely a következő reakciót katalizálja:

GSSG + NADPH + H⁺ ® 2 GSH + NADP⁺

Növényekben a glutation-reduktáz aktivitás nagy része a kloroplasztiszokban mutatható ki (Bielawska és Joy, 1986), de azonosították a mitokondriumban, és a citoszólban is (Foyer és mtsai, 1991). Kukoricában a glutation-reduktáz enzim, az aszkorbát-peroxidázzal szemben, szinte kizárólag csak a mezofill sejtekben lokalizálódik (Doulis és mtsai, 1997). Stresszhatásra általában növekedés tapasztalható az enzim aktivitásában, melynek szerepe lehet a tolerancia kialakulásában (Foyer és mtsai, 1991; 1997; Kocsy és mtsai, 2001). A glutation-reduktáznak fontos szerepe van a dehidroaszkorbinsav-aszkorbinsav átalakulásban és szerepe nem egyszerűen a hidrogén-peroxid detoxifikációjában rejlik, hanem a redukált és oxidált glutation (GSH:GSSG) arányának finom szabályozásával részt vesz a sejt redox állapotának kialakításában, a védekezőfolyamatok beindításában (Foyer és mtsai, 1991).

2.3.4. Szalicilsav

2.3.4.1. A szalicilsav élettani szerepe

Az utóbbi időben egyre több információ van arra vonatkozóan, hogy a szalicilsavnak (SA) is szerepe lehet a stressz elleni védelemben, nemcsak biotikus, hanem abiotikus stresszek esetében is.

A növényekben a szalicilsav legnagyobb mennyiségben hőtermelő növények virágzásakor, illetve patogén fertőzés után mutatható ki (Raskin, 1992). Általában néhány mg/g friss tömeg mennyiségben szabad, illetve glikozilált, metilált, glükóz-észter, valamint aminosav konjugátum formában is előfordulhat (Lee és mtsai, 1995).

A szalicilsav egyik jól ismert hatása a hőtermelés indukciója termogén növényekben. Lamarck már 1778-ban leírta Arum fajok esetében, hogy a hőtermelés elsősorban az illatanyagok könnyebb kibocsátását teszi lehetővé. A virágzás egyes periódusaiban a virág hőmérséklete akár 12°C-kal is megemelkedhet. A Sauromatum guttatum S. fajban mutatták ki, hogy a hőtermelés indukciójáért felelős ún. kalorigén anyag a szalicilsav (Raskin és mtsai, 1987). A termogenezis indukciójában a szalicilsav hatására megemelkedő alternatív oxidáz expresszió játszik szerepet (Rhoads és McIntosh, 1992).

A szalicilsav szerepét bizonyították a biotikus stressztolerancia jelátviteli folyamatában, a hiperszenzitív reakció kialakításában. Dohány mozaik vírussal fertőzött dohánylevelekben a nekrotikus lézióban és annak környékén lokálisan megnő az endogén szalicilsav szint (Enyedi és mtsai, 1992). Exogén szalicilsav hatására dohányban (Malamy és mtsai, 1990; Yalpani és mtsai, 1991), és rizsben (Rakwal és mtsai, 2001) a patogenezissel kapcsolatba hozható fehérjék szintetizálódnak. Számos bizonyíték szól amellett, hogy szalicilsav szükséges a szisztemikus szerzett rezisztencia kialakításához is. Uborkanövényekben a szerzett rezisztencia kialakulásakor megnő az endogén szalicilsav szint (Métraux és mtsai, 1990). Ezzel szemben a szalicilsav felhalmozásra képtelen NahG transzgenikus dohánynövények, melyek a bakteriális (Pseudomonas putida) eredetű szalicilát-hidroxiláz enzim génjét (NahG) hordozzák, képtelenek a szisztemikus szerzett rezisztencia kialakítására, mivel a szalicilát-hidroxiláz enzim a szalicilsavat katekollá alakítja és így szalicilsav akkumuláció nem történik (Gaffney és mtsai, 1993). Patogén fertőzést követően a szalicilsav 2-O--D-glükozil-szalicilsavvá alakul az UDP-glükozil-transzferáz enzim katalizálta reakcióban és vakuólumokba transzportálódik, egy könnyen mobilizálható szalicilsav raktárat képezve (Dean és mtsai, 2005). Szintén patogén fertőzést követően írták le, hogy a növényekben normál körülmények között hiányzó metil-szalicilsav (Me-SA) mennyisége, melyet a szalicilsav karboxil-metil-transzferáz enzim szintetizál, drasztikusan megemelkedik (Huang és mtsai, 2003).

Legújabb eredmények szerint a szalicilsav felhalmozódása az adott szövetben feltétele a szisztemikus szerzett rezisztencia kialakulásának, de nem a szalicilsav az a transzportált szignálmolekula, amely a fertőzés helyéről a távolabbi szövetekbe szállítódik, hanem a Me-SA. Kimutatták ugyanis, hogy a szalicilsavat Me-SA-vá alakító SA metil-transzferáz enzim működése az elsődlegesen fertőzött levelekben, illetve a Me-SA-t szalicilsavvá alakító metil-szalicilsav-észteráz enzim aktivitásának megléte az elsődleges fertőzési helytől távolabbi szövetekben elengedhetetlen feltétele a szisztemikus szerzett rezisztencia kialakulásának (Park és mtsai, 2007).

A szalicilsav az anyagcsere folyamatokat is befolyásolja. Hatással van a gyökér ion felvételére és transzportjára (Harper és Balke, 1981; Drazic és mtsai, 2006). Szalicilsavról és más rokon vegyületekről kimutatták, hogy képesek az abszcizinsav indukálta sztómazáródást meggátolni (Ray és mtsai, 1986). Búzában az exogén szalicilsav csökkentette a klorofilltartalmat, míg a karotinoid- és xantofilltartalom megemelkedett (Moharekar és mtsai, 2003). A szalicilsav a fotoszintézist is befolyásolja, árpában szalicilsavas kezelés a RUBISCO enzim aktivitását csökkentette, míg a PEPC enzim aktivitását megemelte (Pancheva és mtsai, 1996). Búzanövényeket szalicilsavval 7 napig kezelve azt tapasztalták, hogy alacsony, 0,05 mM koncentrációban a szalicilsav elősegíti a fotoszintézist, míg nagyobb mennyiségben (0,5 − 1 mM koncentráció mellett) gátolja azt. Ez a gátlás elsősorban az PSI elektrontranszportjának gátlásából és a citokróm f mennyiségének csökkentéséből adódik. Árpában 100 M − 1 mM szalicilsavas kezelés csökkentette a levél- és gyökérnövekedését, a klorofill- és fehérjetartalmat (Pancheva és mtsai, 1996), míg Brassica juncea növényekben a 0,01 mM koncentrációjú szalicilsavas kezelés megnövelte a száraz tömeget, a nettó fotoszintetikus rátát, a széndioxidfixációs hatékonyságot, valamint a nitrát reduktáz és szénsavanhidráz enzimek aktivitását (Fariduddin és mtsai, 2003). Medicago sativa fiatal növényeiben a szalicilsav serkentette a hajtás- és gyökérnövekedést (Drazic és mtsai, 2006). Kukoricában kimutatták, hogy 0,01 − 0,1 mM szalicilsav hatására megnövekedett az in vivo nitrát reduktáz aktivitás (Jain és Srivastava, 1981).

A szalicilsavnak szerepe van az alternatív légzési útvonal (Elthon és mtsai, 1989) és az alternatív oxidáz enzim génexpresszió indukciójában (Rhoads és McIntosh, 1991).

Szalicilsavval kezelt borsónövényekben megnőtt a GSH aránya a GSSG-vel szemben (Srivastava és Dwivedi, 1998). A szalicilsav, illetve biológiailag aktív analógjai lipidperoxidációt okoznak dohány sejtszuszpenziós kultúrában (Anderson és mtsai, 1998). Szalicilsav kezelés Arabidopsis-ban is lipidperoxidációt okozott, valamint fehérjék oxidatív károsodásához, illetve klorofill- és karotinizomerek kialakulásához vezetett (Rao és mtsai, 1997).

A szalicilsav termogenezis indukcióban, valamint a szisztemikus szerzett rezisztencia kialakításában betöltött szerepével ellentétben, az előbbiekben felsorolt anyagcsere folyamatokra gyakorolt hatása nem mindig általánosítható, mivel azokat különböző növényfajokban és rendszerekben írták le.

2.3.4.2. A szalicilsav bioszintézise

A szalicilsav bioszintézise a sikiminsav-fenilpropanoid útvonalból indul ki. A fenilalanin először fahéjsavvá (CA) alakul a fenilalanin-ammonia-liáz katalizálta reakcióban. Majd a fahéjsavból két úton szintetizálódhat a szalicilsav. A 2 út az aromás gyűrű hidroxilációs és az oldallánc oxidációs reakciójának sorrendjében különbözik. Az egyik útvonalon a fahéjsav orto-hidroxi-fahéjsavvá (o-HCA, o-kumársav) alakul egy hidroxilációs lépés során, majd az o-HCA az oldalláncon tovább oxidálódik. A másik lehetőség, hogy a fahéjsav először benzoesavvá (BA) alakul az oldallánc oxidációja során és a hidroxiláció ezután következik (Métraux, 2002) (2. ábra).

2. ábra A szalicilsav bioszintézise. ICS − izokorizmát szintáz. (Métraux, 2002 alapján).
Az izotópos vizsgálatok azt mutatták, hogy a Primula acaulis és a Gaultheria procumbens fajokban a ¹⁴C-jelölt fenilalaninos vagy fahéjsavas kezelést követően a radioaktív szalicilsav orto-kumársavon keresztül szintetizálódott (El-Basyouni és mtsai, 1964). Ugyanezen fajokban, a radioaktív jelölés megjelent a szalicilsavban ¹⁴C-benzoesavas kezelést követően is (El-Basyouni és mtsai, 1964; Ellis és Amrhein, 1971), ami azt sugallja mindkét útvonal jelen van a növényekben. Chadha és Brown (1974) azt tapasztalta, hogy egészséges dohánynövényekben a szalicilsav a benzoesavon keresztül szintetizálódik, míg Agrobacterium tumefaciens fertőzést követően ¹⁴C-trans-fahéjsav orto-kumársavvá alakul.

Yalpani és mtsai (1993) dohány mozaik vírussal fertőzött dohány levelében azt tapasztalták, hogy ¹⁴C-fahéjsavas kezelést követően ¹⁴C-jelölt o-kumársav nem jelent meg, azaz a szalicilsav a fenilalaninból a benzoesavon keresztül szintetizálódik. Szintén dohányban mutatták ki, hogy a szalicilsav a benzoesavból szintetizálódik, de közvetlen prekurzora nem a szabad benzoesav, sokkal inkább annak konjugált, glikozidos formája (Chong és mtsai, 2001). Uborkában, paradicsomban és rizsben is igazolást nyert, hogy a szalicilsav a fahéjsavból a benzoesavon keresztül szintetizálódik (Sticher és mtsai, 1997). Nem szabad figyelmen kívül hagynunk azonban azt a tényt, hogy ezen tanulmányok a patogén-indukált szalicilsav szintézist vizsgálták.

A legújabb kutatási eredmények szerint a szalicilsav abiotikus stresszek során is a benzoesavból szintetizálódik a benzoesav-2-hidroxiláz enzim katalizálta reakcióban. Igy borsóban hőakklimatizáció során a szabad szalicilsav-szint pozitív korrelációban van a megnövekedett benzoesav-2-hidroxiláz aktivitással (Pan és mtsai, 2006). Rizsben sóstressz, alacsony hőmérséklet és H₂O₂ kezelés hatására is indukálódott a benzoesav-2-hidroxiláz és megemelkedett a szalicilsav-tartalom. Ugyanakkor a NaCl-dal nem kezelt rizsnövenyekben a szalicilsav-tartalmat nem befolyásolta a benzoesav-2-hidroxiláz gátló unikonazol, ami azt feltételezi, hogy stresszmentes állapotban a szalicilsav nem a benzoesav-2-hidroxiláz segítségével szintetizálódik (Sawada és mtsai, 2006).

Baktériumokban mutatták ki először a szalicilsav szintézis egy harmadik módját, majd Arabidopsis kloroplasztiszban is azonosították a szintézisért felelős izokorizmát-szintázt kódoló gént (ICS1). Az is bizonyítást nyert, hogy az ICS1 patogén fertőzés után lokálisan és szisztémásan is aktiválódik, és az ICS által szintetizált szalicilsav szükséges a szisztemikus szerzett rezisztencia kialakulásához (Wildermuth és mtsai, 2001). Felmerül a kérdés, ha a fahéjsavból illetve az izokorizmátból kiinduló szalicilsav szintézis egy adott növényfajban fordul elő, mindkét útvonal specifikusan stimulálódik, vagy a fahéjsavas útvonal csak egy alap szalicilsav-szintet produkál a nem fertőzött növényben. Ez utóbbi feltevést támasztja alá, hogy Nicotiana benthamiana növényekben az izokorizmát gén (NbICS) vírus-indukált expressziójának gátlása erőteljesen csökkentette a szalicilsav akkumulációt ózon, illetve patogén stresszt követően. A fennmaradó szalicilsav-szint valószínűleg a fenilalanin-benzoesav útvonalon keresztül szintetizálódik és nem képes kompenzálni a génszupresszióból adódó szalicilsav hiányt (Catinot és mtsai, 2008).

2.3.4.3. A szalicilsav hatása különböző abiotikus stresszek során

A szalicilsav abiotikus stresszfolyamatokban betöltött szerepét számos stressz során több növényfajban is tanulmányozták, és nemcsak a külsőleg adott szalicilsav hatását vizsgálva, hanem szalicilsav felhalmozására képtelen NahG transzgenikus növényeket előállítva is (Gaffney és mtsai, 1993).

Dohányban, uborkában és árpában is a szalicilsav csökkentette a paraquat okozta oxidatív stresszt (Strobel és Kuc, 1995; Ananieva és mtsai, 2002).

Búzamagok acetilszalicilsavas kezelése (Hamada, 1998), illetve paradicsom- és babnövények szalicilsavas és acetilszalicilsavas előkezelése javította a növények ellenállóságát szárazságstresszel szemben (Senaratna és mtsai, 2000). Kukoricában viszont, annak ellenére, hogy az 1 napig tartó 500 M szalicilsav előkezelés megnövelte a növények poliamintartalmát, mégsem javított azok szárazságtűrésén (Németh és mtsai, 2002).

Egy napig alkalmazott 500 M-os szalicilsav kezelés megnöveli a fiatal kukoricanövények hidegtűrését (Janda és mtsai, 1999). Kukoricában, rizsben és uborkában a szalicilsavas kezelés csak a hajtásban indukált hidegtoleranciát, a gyökérben nem (Kang és Saltveit, 2002).

Dohányban azt tapasztalták, hogy kis koncentrációban (10 M) megnövelte a növények hőtűrését a szalicilsav, míg a magasabb koncentrációnak (100 M) nem volt védőhatása (Dat és mtsai, 2000). Mustár- (Dat és mtsai, 1998b), burgonya- (Lopez-Delgado és mtsai, 1998) és borsónövények (Pan és mtsai, 2006) esetében is kimutatták, hogy a szalicilsavas kezelés növelte a növények hőtűrését. Szalicilsavkezelés csökkentette a hőstressz által okozott oxidatív károsodást Arabidopsis növényekben, és a NahG transzgénikus Arabidopsis növények érzékenyebbek a magas hőmérséklet okozta oxidatív károsodásra, mint a normál szalicilsav szinttel rendelkező nem transzformált növények (Larkindale és Knight, 2002).

Az ózonstressz elleni védelemben is kimutatták a szalicilsav szerepét Arabidopsis thaliana növényekben, mivel a NahG transzgénikus növények érzékenyebbek voltak az ózon károsító hatására. Az ózon-indukált mRNS-ek egy részének szintézise szalicilsav függő, közülük csak néhány jelent meg a transzgenikus növényekben. Az ózonhatásnak kitett növények fokozott ellenállóságot mutattak virulens Pseudomonas syringae törzsekkel szemben. Az eredmények azt mutatják, hogy az ózon- és a patogén-indukált rezisztencia kialakulása átfed, és mindkettő szalicilsavfüggő (Sharma és mtsai, 1996). Más szerzők kimutatták, hogy nemcsak a szalicilsav hiánya, de a túlzott felhalmozódása is emelkedett ózonérzékenységhez vezethet (Rao és Davis, 1999). A szalicilsavat felhalmozó Cvi-0 Arabidopsis genotípus ózonszenzitív, mivel az ózonstressz során a nagy mennyiségű szalicilsav oxidatív folyamatokat indít el, mely a hiperszenzitív reakcióhoz hasonló sejtelhaláshoz vezet.

Ugyancsak a szalicilsav reaktív oxigénformák kialakulását elősegítő hatását bizonyították sóstressz során. Mivel a NahG transzgénikus Arabidopsis növények esetén, a vad típusú növényektől eltérően, NaCl vagy mannitol kezelés hatására nem jelentek meg kiterjedt nekrotikus léziók a hajtáson (Borsani és mtsai, 2001). Kukoricanövényekben a 0,1, 0,5 és 1 mM szalicilsavas kezelés csökkentette a sóstressz indukálta membránpermeábilitást, lipidperoxidációt, csökkentette a Na⁺ és Cl⁺ akkumulációt, de megemelte a H₂O₂ és UV-abszorbeáló anyagok mennyiségét (Gunes és mtsai, 2007).

Két rizsfajta esetében (Oryza sativa L. cvs Ratna és IR 36) nehézfémstressz (Pb és Hg 10 M koncentrációban) során, 100 és 200 M koncentrációban alkalmazva, a szalicilsav javította a növénykék csírázási képességét és a növekedését, csökkentette az elektrolit kiáramlást és az MDA tartalmat, továbbá a nehézfémek antioxidáns enzimekre gyakorolt hatását is visszafordította (Mishra és Choudhuri, 1997; 1999). Árpamagok áztatása, illetve a növénykék 500 M szalicilsavval történő előkezelése megakadályozta a 25 μM kadmium által kiváltott lipidperoxidációt, és megnövelte a hajtás és gyökér frisstömeget. Ez a védőhatás azonban nem az antioxidáns kapacitás növekedésének köszönhető. Az antioxidáns enzimek aktivitása a kadmiumstressz során megnőtt, míg a szalicilsavval előkezelt növényekben ez a növekedés elmaradt. A szalicilsavas előkezelés pozitív hatására két hipotetikus magyarázatot találtak, megemelheti a gyökérben a fitokelatin koncentrációt, illetve ABC-transzporterek expresszióját stimulálhatja (Metwally és mtsai, 2003). 20 M alumíniumot tartalmazó tápközegben a Cassia tora L. gyökerében, 5 M szalicilsavas kezelés megemelte a citrát effluxot, habár magasabb koncentrációban (20 M felett) gátolta azt. Emellett a szalicilsav csökkentette az alumínium gyökérnövekedést gátló hatását és a gyökér alumíniumtartalmát (Yang és mtsai, 2003). Szójában ugyancsak a szalicilsav (0,1 − 100 M koncentrációban) védőhatásáról számoltak be kadmiumstressz során (Drazic és Mihailovic, 2005). A 10 M szalicilsavas kezelés a csírázás kezdetén stimulálta a kadmium akkumulációt Medicago sativa növénykékben, és nem volt képes csökkenteni a kadmiumkezelés okozta hajtás- és gyökérnövekedés gátlást (Drazic és mtsai, 2006). Kukoricában az 1 napos szalicilsavkezelés (500 M-os koncentrációban) egy nappal a kadmiumkezelés (500 M) előtt, illetve azzal párhuzamosan alkalmazva csökkentette annak klorofill-a fluoreszcencia indukciós paraméterre gyakorolt hatását, valamint a kadmiumtartalmat. A szalicilsavas kezelés önmagában is, de a kadmiummal együtt alkalmazva még kifejezettebben csökkentette a gyökér életképességet. Tehát a szalicilsav gátolta ugyan a kadmium felvételt, de elősegítette annak károsító hatását (Szalai és mtsai, 2005). Ellenben ugyancsak kukoricában mutatták ki, hogy a magok 500 M-os szalicilsavban 6 órán keresztül történt áztatása védelmet nyújtott a 10, 15 és 25 M Cd kezelés hatásaival szemben. Így csökkentette a kadmium növekedésgátló, klorofilltartalom csökkentő hatását, a RUBISCO és PEPC enzimekre gyakorolt gátló hatását, valamint csökkentette a kadmiumkezelés során tapasztalt prolinprodukciót, lipidperoxidációt és az elektrolit kiáramlást (Krantev és mtsai, 2008).

Szintén a szalicilsav szerepét támasztja alá a különböző stresszek elleni tolerancia kialakulásának jelátviteli folyamatában, hogy számos abiotikus stressz szalicilsav felhalmozódást indukál. Mustárnövények hőakklimatizációja során (Dat és mtsai, 1998b), dohányban UV-fény és ózonkezelés (Yalpani és mtsai, 1994), rizsben sóstressz (Sawada és mtsai, 2006) során szalicilsav akkumulálódott. Szárazságstressz során az endogén szalicilsavtartalom megemelkedett, majd a stressz hatás megszűntével csökkent Phillyrea angustifolia növények levelében (Munné-Bosch és Penuelas, 2003). Árpában kadmiumkezelés (Metwally és mtsai, 2003), Cassia tora L. gyökerében alumíniumkezelés (Yang és mtsai, 2003), borsó gyökérben kadmiumkezelés (Rodriguez-Serrano és mtsai, 2006) hatására is szalicilsav felhalmozódásról számoltak be. Arabidopsis thaliana esetében 500 M-os kadmiumkezelés több mint háromszorosára emelte endogén szalicilsavtartalmat, de a NahG transzformáns Arabidopsis vonalakkal összehasonlítva megállapították, hogy a vad típusú vonalakban a felhalmozódott szalicilsav felerősítette a kadmium indukálta oxidatív stressz tüneteit (Zawoznik és mtsai, 2007).

Összegezve megállapíthatjuk, hogy a külsőleg adott szalicilsavnak különböző abiotikus stresszek ellen védő hatása van. Alacsony koncentrációban (5 − 500 M) alkalmazva a szalicilsav átmeneti oxidatív stresszt okoz a növénynek, és ez, mint egy edzési folyamat, a növény antioxidatív kapacitását megnöveli (Knörzer és mtsai, 1999), illetve stabilizáló anyagok, pl. poliaminok szintézisét indukálja (Németh és mtsai, 2002). Magasabb koncentrációban alkalmazva azonban, a szalicilsav olyan mértékű oxidatív stresszt okoz, mely a hiperszenzitív reakcióhoz hasonló sejtelhaláshoz vezet. A NahG transzformáns növények számos esetben érzékenyebbnek bizonyultak abiotikus stresszekkel szemben, mint a vad típusú növények, ami arra utal, hogy az akklimatizációs folyamathoz szalicilsav szükséges. Abban az esetben viszont, mikor a vadtípusú növények nekrotikus léziók kialakulásával reagáltak az abiotikus stresszre, a NahG gén szempontjából mutáns növények ellenállóbbak voltak, mivel ezekben szalicilsav hiányában nem alakultak ki a nekrotikus léziók.

2.3.4.4.. A szalicilsav hatásmechanizmusa

Felmerül a kérdés vajon a szalicilsav hogyan fejti ki hatását: (a) negatív szerepet játszik, és a gyökérben sejthalált indukálva csökkenti a felvett nehézfém mennyiségét, hasonlóan a patogén indukálta nekrotikus foltokhoz, vagy (b) pozitív szerepet játszik és védő hatást fejt ki a nehézfémstressz során. Rizsnövényekben 50 M-os kadmiumkezelés során azt tapasztalták, hogy a 10 M-os szalicilsavas előkezelés nem okozott a kadmiummal kezelt gyökerekben további sejthalált, valamint az SA előkezelés gátolta a kataláz aktivitást, megnövelve ezzel a H₂O₂ szintet. Valószínűleg ez a megemelkedett H₂O₂ szint készíti fel a rizsnövényt a kadmium indukálta oxidatív stresszre adott hatékonyabb válaszra. Így pl. a szalicilsav indukálta H₂O₂-nak szerepe lehet a szalicilsavval előkezelt rizs gyökerekben a GSH és nem-fehérje típusú tiolok szintézisének fokozásában (Guo és mtsai, 2009).

A szalicilsavas kezelés és az akklimatizációs folyamat közös tulajdonsága, hogy átmenetileg megemelik a hidrogénperoxid szintet (Okuda és mtsai, 1991; Chen és mtsai, 1993a). A szalicilsavkezelés nyomán megemelkedett hidrogénperoxid szintről feltételezik, hogy szerepe van a szisztemikus szerzett rezisztencia kialakulásában és a patogenezissel kapcsolatba hozható fehérjék expressziójában (Chen és mtsai, 1993b). Más kutatók viszont nem figyeltek meg szignifikáns változást a hidrogénperoxid mennyiségében a szisztemikus szerzett rezisztencia kialakulása során (Neuenschwander és mtsai, 1995).

A hidrogénperoxid szint növekedés valószínűleg a szalicilsav antioxidáns enzimekre gyakorolt hatásából ered (Klessig és mtsai, 2000; Ganesan és Thomas 2001). A legtöbb antioxidáns enzimről kimutatták, hogy a szalicilsav befolyásolja aktivitásukat. A Cu, Zn-szuperoxid-dizmutáz enzim aktivitását serkenti a szalicilsav, mely hozzájárulhat a hidrogénperoxid szint emelkedéséhez (Rao és mtsai, 1997). Ugyanakkor a POD és a GR működését is fokozza a szalicilsav in vivo, mely viszont a hidrogénperoxid felhalmozódás ellen hat (Dat és mtsai, 1998a; Janda és mtsai, 1999). A GST enzim esetében nem egyértelmű a szalicilsav hatása. Az enzim in vitro aktivitását nem-kompetitív módon gátolja a szalicilsav (Watahiki és mtsai, 1995), míg expressziójára serkentő hatású. Egyes GST gének promóter régiójában szalicilsav reszponzív elemet találtak (as-1 elem), melyet a szalicilsav, illetve az auxin és a metil-jazmonát is reaktív oxigénformákon keresztül aktivál (Garretón és mtsai, 2002). Hosszantartó szalicilsavkezelés Arabidopsisban csökkentette a KAT és az APX aktivitását, és hiperszenzitív reakcióhoz hasonló sejtelhaláshoz vezetett (Rao és mtsai, 1997). Szintén csökkentette a KAT és az APX aktivitását a szalicilsav Astragalus adsurgens Pall. kalluszkultúrában, megnövelve ezáltal a hidrogénperoxid szintet (Luo és mtsai, 2001).

A szalicilsavról bebizonyosodott, hogy képes közvetlenül a dohányból izolált kataláz enzimhez kötődni és gátolni annak működését (Chen és mtsai, 1993b; Conrath és mtsai, 1995) Számos más növényfaj esetén (pl. Arabidopsis, paradicsom, uborka) is kimutatták a szalicilsav in vitro katalázgátló hatását (Sánchez-Casas és Klessig, 1994). A szalicilsav katalázgátló hatásáról feltételezik, hogy magyarázhatja a megnövekedett hidrogénperoxid szintet, és így szerepet játszik a szisztemikus szerzett rezisztencia kialakulásában (Chen és mtsai, 1993a). Ennek ellenére még mindig kétséges a katalázgátlás jelentősége a rezisztencia indukciójában. Egyrészt, mert a szalicilsav katalázkötése nem specifikus, más vastartalmú fehérjéhez is kötődik, pl. akonitázhoz (Rüffer és mtsai, 1995). Másrészt, mivel nem minden növény esetében figyeltek meg egyértelmű gátlást és későbbi munkák különbséget találtak a kataláz izoenzimek között szalicilsav iránti érzékenységükben is. A kukorica KAT1 izoenzimének aktivitásában 2 mM szalicilsav jelentős mértékű (kb. 60%) nem-kompetitív gátlást eredményezett, míg a KAT2 esetében a gátlás kompetitív volt és gyenge (20%) (Horváth és mtsai, 2002). Továbbá a különböző kataláz izoenzimek szövetspecifikus expressziója különbséget eredményezhet a szalicilsav adott szövetben kifejtett hatásában, amennyiben a kataláz valóban szerepet játszik a szalicilsav hatásának közvetítésében.

A katalázgátlás mechanizmusát illetően feltételezik, hogy a szalicilsav, mint elektrondonor a katalázt lassabb, peroxidatív útra tereli. Alacsonyabb hidrogénperoxid szint mellett ez gátlásként jelentkezik, míg káros szintű hidrogénperoxid ellen védi az enzimet (Durner és Klessig, 1996). A katalázgátlás során azonban a szalicilsav szabadgyökké alakul, amely a továbbiakban lipidperoxidációt okozhat. Mind a katalázgátlás nyomán megemelkedett hidrogénperoxid szintről, mind a gátlás során keletkező lipidperoxidokról feltételezik, hogy részt vesznek a szalicilsav-függő rezisztencia kialakulásának jelátviteli folyamatában (Anderson és mtsai, 1998).

Astragalus adsurgens Pall. kalluszkultúrában 0,2 mM szalicilsav megnövelte az endogén hidrogénperoxid szintet. Külsőleg adott hidrogénperoxid azonban nem helyettesítette teljes mértékben a szalicilsav hatását. Dimetil-tiourea mérsékelte viszont a szalicilsav hatását a hidrogénperoxid szint csökkentése által (Luo és mtsai, 2001). Tehát a szalicilsav hatásnak csak részben a hidrogénperoxid a közvetítője. A hidrogénperoxid mellett szerepet játszhat a kataláz gátlásakor keletkező szalicilsav-szabadgyök és az általa okozott lipidperoxidáció is (Klessig és mtsai, 2000).

Nemcsak a szalicilsav hatására nő meg a reaktív oxigénformák mennyisége a sejtben, hanem bizonyítékok szólnak amellett is, hogy a reaktív oxigénformák szalicilsav felhalmozódást okoznak (León és mtsai, 1995a; Enyedi, 1999). Ez a megfigyelés vezetett egy öngerjesztő szalicilsav-hidrogénperoxid ciklus hipotéziséhez, amely ciklus a reaktív oxigénformák felhalmozódását és a sejt halálát eredményezi (Van Camp és mtsai, 1998). A nekrotikus léziók kialakulását és terjedését magyarázó modellben központi szerepet játszik ez az öngerjesztő ciklus, mely által megnő a reaktív oxigénformák mennyisége, és programozott sejthalál indukálódik (Overmyer és mtsai, 2003).