Revista RECITEC nº 3 - Segundo Semestre/2007
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Revista RECITEC nº 3 - Segundo Semestre/2007
Indução de resistência em plantas... INDUÇÃO DE RESISTÊNCIA EM PLANTAS: O PAPEL DO OXIDO NÍTRICO INDUCTION OF RESISTANCE IN PLANTS: THE ROLE OF NITRIC OXIDE Germana Bueno Dias1 e Thaiz Batista Azevedo Rangel2 Universidade Federal do Espírito Santo Av. Fernando Ferrari, s/n Goiabeiras, Vitória - ES, 29060-970 1,2 E-mail: [email protected] e [email protected] 1 Aceito em 11 de setembro de 2007 RESUMO As plantas sofrem constantes agressões por agentes abióticos e bióticos. Entretanto, são capazes de reagir a essas agressões por meio das respostas de defesa, tais como barreiras mecânicas e químicas. As barreiras mecânicas consistem no aumento da produção e deposição de substâncias capazes de conter a penetração do patógeno. As barreiras químicas ocorrem com o aumento da síntese de compostos fenólicos e fitoalexinas e o aumento na concentração e/ou atividade das proteínas de defesa. Os mecanismos de defesa em plantas são acionados quando há interação entre molécula elicitora e proteínas de membrana das células vegetais. O óxido nítrico é uma espécie reativa de oxigênio que atua como uma molécula elicitora importante nas vias de respostas de defesa em plantas. Palavras-chave: Plantas – patógeno – elicitor. Óxido nítrico em plantas. ABSTRACT Plants suffer constant aggressions by abiotic and biotic agents. However, plants can react to aggressions through protection responses. Among these, there are mechanical and chemical barriers. The mechanical ones consist of increasing the production and deposition of substances able to restrain the pathogen invasion. Chemical barrier occurs raising the phenolic compounds and phytoalexins synthesis or the concentration and/or defense proteins activity. The defense mechanisms in plants are set in motion when occurs interaction between elicitor molecule and proteins from vegetable cells membrane. The nitric oxide is an important oxygen reactive species, acting as elicitor molecule in the protection response pathway in plants. Keywords: plant – pathogen - elicitors; Nitric oxide in plants. 1 INTRODUÇÃO outros mecanismos de defesa mais eficientes que permanecem inativos ou latentes, que são acionados ou ativados após a expo- As plantas sofrem constantes agressões por agentes sição e/ou contato com agentes de indução.(1) Ademais, ocorre abióticos e bióticos, responsáveis por doenças e, conseqüente- aumento na produção de espécies reativas de oxigênio (ROS: do mente, por perdas na produção. Entretanto, as plantas são capa- inglês Reactive Oxygen Species), tais como ânion superóxido zes de reagir às agressões por meio das respostas de defesa cujos (O2-), radical superóxido (O2•-), peróxido de hidrogênio (H2O2), mecanismos são acionados mediante a interação entre molécula radical hidroxila (HO•), oxigênio singlete (1O2), óxido nítrico elicitora e proteínas de membrana das células vegetais. (NO) e seus derivados peroxinitrito (ONOO-), íon nitrosonium A resistência natural de plantas a microorganismos pa- (NO+) e íon nitoxil (NO-) que, além de participarem como sina- togênicos é baseada na grande variedade de barreiras e de meca- lizadores de outras respostas de defesa, atuam direta ou indireta- nismos de defesa já existentes. Além desses, as plantas possuem mente sobre o patógeno, acarretando efeito tóxico.(2) Revista Capixaba de Ciência e Tecnologia, Vitória, n. 3, p.1-8, 2. sem.2007 1 Dias, G. B.; Rangel, T. B. A. Com base nas propriedades químicas do óxido nítrico, dominante na planta (R) e um gene de avirulência, dominante no pode-se dizer que ele participa de diversos processos fisiológi- patógeno (Avr), condiciona a incompatibilidade em interações cos nas plantas, como: promoção da germinação, extensão foliar, gene-a-gene. (7) crescimento de raízes, senescência, maturação (3) e fixação de Os principais tipos de resistência são: a resistência lo- nitrogênio nos nódulos das raízes. A respeito disso, sabe-se que o cal, a resistência sistêmica adquirida (RSA) e a resistência sistê- NO apresenta atividade modulatória que pode estar relacionada mica induzida (RSI). A resistência local, conhecida como reação com a regulação da atividade gênica.(4) Ademais, por ser um de hipersensibilidade (RH), pode levar à morte local das células modulador da resistência a doenças, o NO desencadeia morte situadas onde o elicitor se instala. O elicitor pode ser um ativador celular hipersensitiva e ativa a expressão de diversos genes de químico, extratos de células de microorganismos ou microorga- defesa. (5) nismos vivos. (8) O NO é uma molécula lipossolúvel que se difunde por Os aspectos fisiológicos e morfológicos da RH in- meio das membranas e reage, facilmente, com ânion superóxi- cluem o aumento rápido de agentes oxidantes, perda de íons po- do, produzindo peroxinitrito (ONOO ). Entretanto, por causa de tássio e ganho de íons hidrogênio pelas células, espessamento sua meia vida relativamente longa (aproximadamente 1s), pode das paredes celulares e da cutícula, inchamento da mitocôndria difundir-se em distâncias consideráveis na célula. O ONOO- re- por causa da formação de poro de transição de permeabilida- age com os grupos de tiol das proteínas e com os radicais polin- de (PTP) precedendo a morte celular programada (9), além da saturados dos lipidos da membrana, causando sérios danos às síntese de fitoalexinas e proteínas relacionadas à defesa (PR: do estruturas celulares.(3) inglês pathogenesis related). (8) - Atualmente, grande enfoque tem sido dado à agricul- A RSA é induzida por patógenos ou por ativadores quí- tura sustentável, visando à obtenção de sistemas de fitossanidade micos que envolvem o acúmulo de proteínas relacionadas com alternativos ao uso abusivo de agrotóxicos. Nesse sentido, a in- patogênese (PRPs: do inglês pathogenesis related protein). Além dução de resistência a doenças em plantas vem gerando resulta- disso, ocorrem alterações visuais perceptíveis, como necrose da dos promissores e se firmando como alternativa ecologicamente planta que sofreu indução e é induzida por uma via salicilato-de- correta e economicamente possível. pendente. Já na RSI, não há acúmulo de PRPs, não há alterações Assim, esta revisão se baseia numa breve descrição da defesa das plantas contra diversas doenças, seguida de abordagem do reconhecimento planta-patógeno e da função dos elicitores e, por fim, a relevância do NO como indutor de resistência. visuais perceptíveis. O agente indutor é, usualmente, um nãopatógeno, sua indução não é o salicilato-dependente. (10,11) A indução de resistência já foi demonstrada em inúmeras espécies de plantas, distribuídas entre diversas famílias botânicas, tanto em dicotiledôneas quanto em monocotiledôneas (12). A re- 2 DEFESA DAS PLANTAS CONTRA AS DOENÇAS sistência induzida também se mostrou efetiva contra fungos, vírus, bactérias, insetos, ácaros e nematóides. (12, 10, 13) A seleção natural e a co-evolução induziram as plan- Os mecanismos de resistência são divididos em duas tas a selecionar uma série de mecanismos de defesa, sabendo-se categorias: pré-formados e pós-formados. Cumpre ressaltar que as defesas identificadas em plantas resistentes estão também que ambos podem ser subdivididos em estruturais e bioquí- presentes em plantas suscetíveis. A diferença entre resistência micos. Dentre os pré-formados estruturais, destacam-se a pre- e suscetibilidade pode ser o resultado de uma variação de tem- sença de cutícula, tricomas, tipo de estômatos, fibras e forma po, autonomia celular ou intensidade das respostas de defesa das dos vasos condutores. Entre os bioquímicos, encontram-se os plantas. (6) fenóis, alcalóides, lactonas insaturadas, glicosídeos fenólicos, As interações planta-patógeno são classificadas em fitotoxinas e inibidores protéicos. Nos pós-formados, também compatíveis (patógeno virulento e hospedeiro suscetível) e em chamados induzíveis, podem ser encontrados mecanismos es- incompatíveis (patógeno avirulento e hospedeiro resistente). truturais: papilas, halos, lignificação, formação de camadas Nas interações incompatíveis, o sistema de defesa da planta é de cortiça, calose, silício, tiloses em vasos, etc; e bioquími- eficientemente ativado, conduzindo à resistência. Entretanto, é cos: produção de fitoalexinas, proteínas-RP, glicoproteínas tardiamente ativado ou não ativado em interações compatíveis, ricas em hidroxiprolina, inibidores de proteases, peroxidases, condicionando a doença. A presença de um gene de resistência, entre outros. (14) 2 Revista Capixaba de Ciência e Tecnologia, Vitória, n. 3, p.1-8, 2. sem.2007 Indução de resistência em plantas... Embora a indução de resistência tenha grande potencial fitossanitário, não deve ser encarada como uma solução re- exemplo de como um simples gene vegetal pode determinar resistência raça-específica. (17) dentora para todos os problemas, porque várias etapas envolvi- As respostas de defesa são iniciadas por meio da per- das na ativação de mecanismos de indução de resistência ainda cepção do estresse, seguido do desencadeamento de uma cascata não são bem definidas. Alguns pesquisadores dizem que o uso de de eventos moleculares e finalizadas em vários níveis de respos- indutores de resistência para dado patógeno pode estar associado tas fisiológicas e metabólicas e podem tornar a planta resistente ao efeito indutor de suscetibilidade a pragas e a animais herbí- ao estresse. (21, 22) voros. (15,16) O reconhecimento do patógeno ou de um elicitor é O tratamento de plantas com moléculas elicitoras pode importante para a maioria dos casos de resistência específica e levar não apenas a uma resposta de resistência, como também a para casos de indução de resistência. Em determinadas relações uma expressão sincronizada de diversos mecanismos de defesa, incompatíveis e na indução de resistência com certos elicitores, culminando com o que é chamado de indução de resistência. O não há a etapa de reconhecimento para se ter o estabelecimento fenômeno de indução de resistência é caracterizado pela trans- de respostas de defesa. (23) formação de uma relação originalmente compatível entre planta e patógeno numa relação incompatível. (11) 3 RECONHECIMENTO PLANTA-PATÓGENO 4 ELICITORES O elicitor é definido como uma molécula presente em um organismo ou mesmo moléculas produzidas pela própria O reconhecimento do patógeno pela planta e a sub- planta que têm como função gerar respostas de defesa. Os eli- seqüente expressão de resistência ou susceptibilidade ocorrem citores podem ser moléculas de fungos, bactérias e vírus.(24) somente quando os genes de resistência e avirulência/virulência Dessa forma, os termos de indutor e elicitor podem ser usados estão combinados especificamente nos organismos em interação, como sinônimos. fazendo que o desenvolvimento de doenças seja exceção e não Os elicitores, em sua maioria, são constituídos de pro- regra. Esse padrão de relação entre patógeno-hospedeiro tem teínas e carboidratos presentes nas células dos fitopatógenos. sido observado entre fungos, bactérias, vírus, nematóides e seus (25) Diversos carboidratos e proteínas de atividade elicitora hospedeiros. (17) foram isolados da parede celular fúngica. Durante a interação A atração específica deve ser enfatizada porque a ade- fungo-planta, ocorre a síntese de elicitores que ficam armazena- são resulta do encaixe perfeito entre o ligante e o receptor, que dos em suas paredes celulares. (26) O uso de um mesmo elicitor se encontram na superfície das estruturas envolvidas. A comple- é capaz de conferir proteção a diversos tipos de patógenos. (27) mentaridade entre ligantes (adesinas) e receptores é tão específi- Alguns estudos comprovaram a indução de respostas ca quanto a interação enzima-substrato ou a interação antígeno- de defesa em plantas por elicitores.(28,29, 30, 31). A respeito anticorpo. O produto dessa interação ativa uma complexa cascata disso, Stein, Klomparenns e Hammerschimidit (31) observaram de transdução de sinais que é mobilizada no processo de reco- que plantas de pepino inoculadas com Colletotrichum lagena- nhecimento entre patógeno e hospedeiro. (18) rium apresentaram acúmulo de compostos fenólicos. Em 1994, Os mecanismos que medeiam a interação gene-a-gene Oliveira (32) detectou a indução da formação de lignina e o au- não são conhecidos, nem é claro como o reconhecimento do patóge- mento da atividade da peroxidase em bracatinga (Mimosa sca- no desencadeia a expressão dos genes de defesa. Existem exemplos brella) por um fungo não patogênico. de que os genes de avirulência sintetizam compostos extracelulares Existem vários tipos de elicitores, cujo grau de especifici- que elicitam especificamente a expressão da resposta de defesa nas dade depende de sua fonte. Elicitores produzidos por genes Avr são plantas que contenham o gene de resistência correspondente. A res- os mais específicos, exemplo disso é a proteína AVR 9 produzida peito disso, Johal e Briggs (19) e Yoder e Turgeon (20) clonaram e por Cladosporium fulvum (Sin. Fulvia fulvum), capaz de induzir di- caracterizaram o gene de resistência HM1, gene de milho que de- versas respostas de defesa em variedades de tomate que contêm o termina resistência a linhagens do fungo Cochliobolus (Helminthos- gene de resistência Cf9. Raças virulentas não produzem elicitores porium) carbonum raça 1 que produz a toxina HC. A descoberta de ou os elicitores produzidos não são reconhecidos por causa da au- que o HM1 codifica uma redutase que inativa a toxina HC subsidiou sência do gene de resistência no hospedeiro. (33) Revista Capixaba de Ciência e Tecnologia, Vitória, n. 3, p.1-8, 2. sem.2007 3 Dias, G. B.; Rangel, T. B. A. Há, ainda, elicitores menos específicos como as elici- são de genes relacionados com a biossíntese de fitoalexinas em tinas, que são proteínas extracelulares produzidas por diferentes soja (Glycine max), fumo (Nicotiana tabacum) e batata (Sola- espécies fitopatogênicas de Phytophthora, capazes de induzir num tuberosum). (40, 41) respostas de defesa em várias plantas.(25) As harpinas também são elicitores protéicos produzidos por bactérias apenas quando há expressão de um gene hrp e são capazes de induzir respostas de defesa, como a reação de hipersensibilidade, em plantas não hospedeiras desse patógeno. Por causa das propriedades de indução de resistência, vários indutores têm sido usados comercialmente, entre os quais uma harpina produzida por Erwinia amylovora que recebeu o nome de “Messenger”. (34) Há elicitores que possuem uma parte protéica e uma porção glicosilada e muitos deles não necessitam de toda a sua estrutura para serem ativos, pois parte dos elicitores protéicos não possui atividade enzimática e, quando submetidos ao calor, não perdem sua atividade elicitora. (35, 36) Algumas glicoproteínas necessitam apenas de uma das porções para induzirem respostas de defesa. (35,37) Schaffrath, Scheinpfflug e Reisseneret (38) isolaram do micélio de Pyricularia grisea um elicitor glicoprotéico e observaram que ele necessita apenas da parte glicosilada para apresentar atividade que, quando foi submetida ao tratamento com tripsina, seu poder de elicitação foi aumentado. Vale ressaltar que a alteração da estrutura de alguns elicitores, por meio da retirada de ramificações ou outros grupamentos, pode manter intacta sua atividade, aumentála ou diminuí-la. (25) Existem também diversos carboidratos que possuem ação elicitora. Alguns como glucanos, mananos e oligômeros formados por N-acetilglicosamina já foram isolados da parede celular fúngica (26). Enzimas vegetais, como as quitinases e ß-1,3 glicanases, atuam degradando a parede celular do patógeno e, conseqüentemente, liberam esses compostos, os quais ativam o sistema de defesa da planta (39). Porém, existem carboidratos que possuem ação supressora, ou seja, algumas glicanas isoladas do micélio de raças mais virulentas de Phytophthora infestans suprimem as respostas de defesa. (24) Outros compostos diferentes de carboidratos e proteínas também já foram descritos por participarem em cascatas de sinalização de respostas de defesa, como o ácido salicílico (AS) e os jasmonatos (já), que são substâncias importantes nas vias de sinalização de respostas de defesa em plantas. (15) Cumpre ressaltar que, além dos elicitores citados, se 5 O ‘NO’ COMO INDUTOR O óxido nítrico é uma molécula sinalizadora fundamental tanto para as plantas quanto para os mamíferos. Trata-se de uma molécula capaz de exercer influência sobre vários processos, como germinação, florescimento em plantas (42, 43), lignificação da parede celular (44), morte celular (45), sinalização durante injúria, entre outros. (46) Pedroso, Magalhaes e Durzan (47) observaram a indução de resposta de hipersensibilidade em Kalanchoe daigremontiana e Taxus brevifolia pelo NO. O aumento nos níveis de atividade da enzima óxido nítrico sintase (NOS) conferiu resistência em plantas de tabaco transgênicas ao vírus do mosaico do tabaco (41) e a Raustonia solanacearum.(46) Foi observado também que a inibição da produção de óxido nítrico compromete as respostas de defesa de Arabidopsis ao ataque de Pseudomonas syringae. Tais resultados apontam para um papel sinalizador do NO no processo de defesa em plantas. (41) Diversos estudos comprovaram que enzimas do tipo óxido nítrico sintase (NOS) de mamíferos estão envolvidas na síntese de NO durante a resposta de defesa de plantas. Pesquisas mostram também a ação do NO sobre aconitase, enzima do ciclo de Krebs em plantas. Essa ação causa grande liberação de ferro livre, importante na defesa contra patógenos (40, 41, 46, 48). Navarre et al. (49) examinaram o efeito do NO sobre aconitase em tabaco (Nicotiana tabacum). A descoberta de que o NO inibe a acotinase sugere uma grande variedade de mecanismos pelos quais o NO pode mediar a resistência a doenças ou a outros processos fisiológicos. Tais evidências mostram que o NO é uma molécula sinalizadora em plantas. Recentemente, pesquisas mostraram que a eliciação de cotilédones de soja com oligossacarídeos de parede celular do fungo Diaporthe phaseolorum meridionalis, agente causador da doença cancro da haste em soja, induziu a produção de fitoalexinas via ativação de uma enzima do tipo NOS dependente de cálcio (48). A atividade máxima da enzima precedeu o acúmulo das substâncias antimicrobianas e inibidores da NOS de mamíferos comprometeram a resposta dos cotilédones. destaca o NO. Ele se caracteriza por ser uma espécie reativa de Esses resultados sugeriram que uma enzima com ativi- oxigênio importante nas vias de respostas de defesa em plantas. dade conversora de L-arginina em L-citrulina é ativada durante Recentemente, o NO foi caracterizado como indutor da expres- a interação soja-D. phaseolorum, ocasionando um aumento na 4 Revista Capixaba de Ciência e Tecnologia, Vitória, n. 3, p.1-8, 2. sem.2007 Indução de resistência em plantas... produção de NO que sinaliza a ativação da enzima fenilalanina variante da proteína P do complexo glicina descarboxilase, não amônia liase (PAL), uma enzima que participa da via de síntese apresentando, assim, homologia com a NOS de mamíferos. Ape- de fitoalexinas com atividade antimicrobiana.(40) Assim, esses sar de ser dependente de cálcio, a enzima isolada foi denominada resultados apontam o NO como uma importante molécula ativa- NOS induzida (iNOS) por estar presente praticamente apenas em dora da via dos fenilpropanóides para a produção de compostos folhas de fumo infectadas com o vírus TMV.(55) antimicrobianos. Adicionalmente, Guo, Okamoto e Crawford (56) iden- Igualmente relevante, o NO apresenta importante papel tificaram um gene de A. thaliana (AtNOS1) que codifica uma como sinalizador da resposta de hipersensibilidade (RH) em plan- proteína com atividade conversora de L-arginina em L-citrulina tas durante uma interação incompatível. Um efeito sinérgico entre e NO. AtNOS1 é uma proteína homóloga àquela responsável o NO e espécies reativas de oxigênio mostrou potencializar a RH pela síntese de NO em Helix pomatia. Uma linhagem mutan- em vegetais.(5) Ainda a respeito disso, Clarke el al. (50) mostraram te isogênica deficiente para esse gene foi isolada e apresentou que apenas o NO é capaz de induzir morte em culturas de células de considerável redução da produção de NO. Esses autores obser- A. thaliana de maneira similar à observada na tentativa de infecção varam aumento da produção desse radical em plantas selvagens dessas células com uma bactéria avirulenta. tratadas com ácido abscísico (ABA), mas não naquelas mutantes Apesar de o NO ter-se mostrado polivalente no con- deficientes no gene AtNOS1, sugerindo o envolvimento dessa trole e indução de muitos processos que ocorrem em plantas, o enzima na via de sinalização hormonal por ABA. A atividade de mecanismo molecular responsável por sua síntese ainda é con- AtNOS1 foi sensível a L-NAME, um inibidor da NOS de mamí- troverso. A análise de vários tecidos vegetais demonstrou que feros, e apresentou dependência de NADPH, calmodulina e cál- esses são capazes de produzir L-citrulina a partir de L-arginina cio. No entanto, tetrahidrobiopterina, FAD, FMN ou heme não em um processo que é dependente dos cofatores para a NOS de estimularam a atividade de ATNOS1, isso mostra que essa enzi- mamíferos e sensível a análogos da L-arginina. (40, 41, 48, 51) ma apresenta apenas algumas das propriedades descritas para a Embora muitos trabalhos apontem a ocorrência de NOS de animal. uma enzima do tipo NOS em plantas, mecanismos adicionais Recentemente, He et al.(57) mostraram que plantas de para a produção enzimática de NO são propostos, entre eles a A. thaliana deficientes na síntese de AtNOS1 florescem prema- atividade de nitrato redutase (NR, xantina oxidase (XO), ativi- turamente quando comparadas às plantas selvagens ou àquelas dade produtora de NO associada à membrana plasmática (NI- mutantes que produzem NO em quantidades aumentadas. Ini- NOR), citocromo P-450 e nitrito redutase (NiR). Vale ressaltar cialmente, essa enzima foi apontada como uma fonte de NO du- que mecanismos não-enzimáticos de produção de NO também rante a via de sinalização por ABA. Ainda, Zeidler et al. (58) podem ocorrer em plantas.(52) A respeito disso, Cooney et al. demonstraram a ocorrência de ativação da AtNOS1 em folhas (53) reportaram que dióxido de nitrogênio (NO2) pode gerar NO de A. thaliana eliciadas com lipopolissacarídeos de diferentes na presença de carotenóides, num processo mediado pela luz. bactérias gram-negativas. A ativação de AtNOS1 provocou um Além disso, a formação de NO pode provir da redução de nitrato aumento na síntese de NO que mediou a ativação da expressão (NO3-) ou nitrito (NO2-) na presença de ascorbato. De fato, ca- de vários genes relacionados à defesa, conferindo imunidade ina- madas de aleurona de cevada consumiram NO2- para a formação ta às plantas de A. thaliana. O silenciamento do gene AtNOS1 de NO a partir de condições de acidez do espaço apoplástico. causou uma dramática suscetibilidade das plantas ao patógeno Ainda que vários resultados bioquímicos e imunoló- avirulento P. syringae pv. tomato por prevenir a indução de genes gicos indicassem a existência de uma enzima do tipo NOS em de defesa tanto local quanto sistêmica. Nesse contexto, torna-se plantas, o gene ou uma proteína homóloga a NOS de mamíferos claro que as rotas para a produção de NO em plantas necessitam ainda não foi encontrado de maneira geral. Chandok et al. (54) ainda ser estabelecidas. isolaram de folhas de fumo infectadas com o vírus do mosaico do fumo (TMV) uma proteína P da glicina descarboxilase com 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS atividade NOS. A atividade dessa enzima mostrou ser dependente de Ca2+ e esta proteína apresentou várias propriedades bio- Finalmente, em razão da conscientização cada vez químicas características da NOS de mamíferos. Inicialmente, a maior da população no tocante à conservação do meio ambiente, análise molecular da proteína purificada revelou que essa é uma a utilização desenfreada de agroquímicos começa a ser repensa- Revista Capixaba de Ciência e Tecnologia, Vitória, n. 3, p.1-8, 2. sem.2007 5 Dias, G. B.; Rangel, T. B. A. da e a busca por novas medidas de proteção das plantas contra as (7) sistência sistêmica adquirida em cafeeiro contra Hemileia doenças vem sendo alvo de grande pesquisa. vastatrix. 2004. 236 f. Tese (Doutorado em Ciências) – Centro A indução de resistência pode ser visualizada como de Energia Nuclear na Agricultura, Piracicaba, 2004. ocorrência natural durante as interações hospedeiro-patógenas, necessitando apenas da interferência do homem para a possível GUZZO, S.D. Aspectos bioquímicos e moleculares da re- (8) utilização em escala comercial dela. DURRANT, W.E.; DONG, X. Systemic Acquired Resistance. 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