Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Элиситоры и их применение в растениеводстве
.pdf
Следует отметить, что АФК могут выполнять и отдельные
сигнальные функции [426]. Прежде всего они выступают в роли
вторичных мессенджеров в сигнальной трансдукции и контролируют реакцию СЧ [419] при абиотическом и биотическом стрессах. Сначала АФК рассматривались только как промежуточные
продукты аэробного метаболизма, но затем было установлено,
что они могут играть важные роли в комплексной сигнальной
сети клеток. При этом сеть АФК-сигналинга интегрируется со
многими другими сигнальными сетями в растении [426].
PR-белки. В процессе взаимодействия растение – элиситор
в тканях растений могут индуцироваться так называемые связанные с патогенезом белки (PR-белки, pathоgenesis-related proteins), являющиеся продуктами различных связанных с патогенезом генов (PR-генов) [26, 27, 32, 33]. PR-белки были впервые
выделены из листьев табака, как результат реакции СЧ в ответ
на заражение вирусом табачной мозаики (ВТМ) [427]. Затем PRбелки были найдены и в других видах растений. Кроме того, индукция PR-белков, как было установлено, наблюдается в ответ
на атаку и многих других патогенов и насекомых [428]. Заметим,
что PR-белки могут синтезироваться в растительной клетке конститутивно (до атаки патогенов и насекомых) и индуцироваться
в ответ на биотический и абиотический стрессы [427]. Их разделяют на семейства, принадлежность к которым определяет место
PR-белков в совокупности защитных откликов растения. Для некоторых PR-белков их функции в процессах патогенеза известны, однако для многих других PR-белков их функции пока еще
не установлены. Действительно, роль PR-белков при патогенезе
разнообразна, так как они являются одним из звеньев в механиз-
мах неспецифической устойчивости растений, реализуя, в частности, механизм защиты клеток, связанный с повышением выработки АФК [429].
Известно также, что PR-белки выполняют различные функции при образовании химических и механических барьеров, проявляя, в частности, протеазную, рибонуклеазную, 1,3-β-глюканазную, хитиназную и другие активности [428, 430]. Среди них
есть белки, которые представляют собой катализаторы стрессовых
91
фитогормонов (SA, JA, ET, ABA), являются антимикробными
компонентами, вызывают повреждения клеточных стенок и ци-
топлазмических мембран патогенов, являются ферментами, участвующими в синтезе фитоалексинов, а также соединениями,
укрепляющими клеточные стенки растения [431]. Так, индуци-
руемые патогенами пероксидазы могут ингибировать их распространение, участвуя в биосинтезе лигнина. Некоторые PR-белки являются фунгицидами, бактерицидами, а также участвуют
в формировании SAR [432]. Были также обнаружены и другие
PR-белки: ингибиторы репликации вирусов, белки, ассоциируемые с раневыми реакциями картофеля, а также низкомолекулярные белки: тионины, дефензины и некоторые другие [427].
Заметим, что такие ферменты, как хитиназы (семейство PR-3)
и β-1,3-глюканазы (семейство PR-2) могут разрушать компоненты клеточной стенки грибов и, возможно, других фитопатогенов
[431], тем самым выполняя важные функции при ингибировании
роста многих фитопатогенных грибов. Эти ферменты экспрессируются не только при атаке патогенов, но и при повреждении
или обработке элиситорами. Члены семейств PR-7, PR-8, PR-9
и PR-10 проявляют протеина зную, лизоцимную, пероксидазную
и рибонуклеазную активности соответственно. Активность других PR-белков связана с увеличением проницаемости мембран
(семейства PR-5, PR-12, PR-13, PR-14), а также с выработкой перекиси водорода (семейства PR-15 и PR-16) [428, 431].
Особую группу представляют собой протеиназные ингибиторы PIs (семейство PR-6). Они, как правило, представляют собой
не содержащие углеводы белки, которые способны образовывать
комплексы с протеиназами и тем самым ингибировать каталитическую активность [33, 34]. Таким образом, основная их роль –
препятствовать питанию патогенов. Считается, что PIs обладают устойчивостью к действию самих протеиназ, хотя имеются
и исключения из этого правила. Часть PIs представляет собой
конститутивные соединения растений, другие – индуцируются
только в ответ на биотические и абиотические стрессы (de novo).
Различные клетки растений, принадлежащих к различным родам и семействам, в ответ на повреждение накапливают в целом
92
большое число PIs, причем они особенно распространены в семенах и клубнях [433]. Большие количества PIs накапливаются
при механическом повреждении надземных частей некоторых
пасленовых (томаты, табак и картофель) и действии на них травоядных насекомых [433].
Фитоалексины (ФА). Растения в процессе защиты от пато-
генов и насекомых могут индуцировать синтез de novo низкомолекулярных вторичных метаболитов с антимикробной активностью, коллективно названных фитоалексинами и являющихся
важной частью защитного комплекса растений [3, 22, 78]. ФА –
низкомолекулярные вещества различной химической природы,
синтезирущиеся в растении de novo, которые считаются анти-
биотиками широкого спектра действия и являются одной из главных составляющих индуцируемого химического барьера в защите растений [3, 22]. ФА подавляют рост патогенов, ингибируя их
развитие и дезактивируя их экзоферменты, а также рассматриваются как молекулярные маркеры устойчивости растений против заболеваний [434]. Заметим также, что образование ФА тесно
связано с реакцией СЧ, так как в результате этой реакции образуются некротизированные ткани, в клетках которых и происходит накопление ФА.
Впервые ФА были обнаружены в 1940 г. немецкими учеными К. О. Мюллером и Н. Бергером [435], которые заражали
клубни картофеля грибом Phytophthora infestans и изучали получающиеся в результате некроза ткани. Они установили, что
ткань клубней картофеля, предварительно инфицированная несовместимой расой Phytophthora infestans, индуцировала устой-
чивость к совместимой расе Phytophthora infestans. Было предположено, что ткани клубней в ответ на несовместимое взаимодействие продуцируют токсические вещества, названные ими
фитоалексинами, которые ингибируют патоген и защищают ткань
против последующего инфицирования другой совместимой расой патогена [436]. Заметим, что растение в результате стресса
может синтезировать сразу несколько ФА, что помогает ему оставаться устойчивым по отношению к разным патогенам. Кроме
того, синтез одного и того же ФА, характерного для конкретного
93
растения, может быть вызван разными патогенами. Тем не менее наблюдается определенная структурная специфичность ФА
по отношению к семействам растений. Так, изофлаваноидные ФА,
в основном, сосредоточены в растениях из семейства бобовых, но
их нет у пасленовых, и наоборот, сесквитерпеноидные ФА присущи пасленовым, но не обнаруживаются у бобовых. А фенилпропаноидные ФА продуцируются растениями из семейств бобовых, пасленовых, вьюнковых, зонтичных. При этом ФА растений близких видов по химической структуре часто близки.
К настоящему времени из различных растений (30 семейств)
выделено и охарактеризовано около 350 ФА, причем около 130
ФА – из семейства бобовых. К наиболее известным ФА можно
отнести фазеоллин из фасоли, пизатин из гороха, ришитин из
томата и клубней картофеля. К ФА могут принадлежать низкомолекулярные вещества разнообразного строения (алифатические соединения, фенолы, хиноны, гликозиды). Существуют различные системы классификации ФА [22]: по химической природе, по видам растений и другие. Так, по химической природе ФА
могут относиться к таким классам ХС, как, например, полиацетилены (вайероновая кислота), полифенолы (госсипол), изофлавоноиды (пизатин, фазеоллин, глицеоллин), терпеноиды (ришитин, капсидол), стильбены (ресвератрол) и другие. Широко известны нелетучие дитерпеноидные ФА, являющиеся важными
компонентами защиты от патогенов, например, кукурузы [437].
Нелетучие терпеноиды распространены во всем растительном
царстве и составляют главные классы ФА у многих растений,
а также играют прямые защитные функции посредством своих
антимикробных свойств. Например, сесквитерпеноидные ФА, такие как госсипол, капсидол, ришитин, индуцируются в хлопке
и пасленовых [438]. Процесс выделения и идентификации новых
ФА продолжается. Так, сравнительно недавно в одном из наиболее широко распространенном зерновом растении, кукурузе, выявлено новое семейство (4 ХС) нелетучих терпеноидных ФА, названных зеалексинами, являющимися кислыми сесквитерпеноидами [434, 437]. Кроме того, были идентифицированы такие
дитерпеноидные ФА, как кауралексины (kauralexins) [434, 437].
94
Механическое укрепление стенок. Одним из наиболее важ-
ных защитных откликов растительных клеток на биотический
стресс является механическое укрепление клеточной стенки за
счет индуцирования выработки и отложения таких веществ, как
каллоза (линейный полисахарид β-1,3-глюкан), лигнин (лигнификация, одревеснение), суберин (суберинизация, опробковение
коры) или кутин (кутинизация, кутин – разновидность воска,
образованная низкомолекулярными жирными кислотами) и других веществ. Защитное действие каллозы и лигнина основано на
повышении прочности растительных тканей, а кутина и суберина – на предотвращении диффузии воды и растворенных в ней
веществ, а также газов. Таким образом, значительно усложняется
преодоление механических барьеров в виде клеток, стенки которых пропитаны этими соединениями. Действительно, уже при-
мерно через полчаса после распознавания рецепторами мембраны
элиситоров патогенного гриба в растительных клетках обнаруживается каллоза [439]. Затем образуются утолщения клеточной
стенки растения, а на более поздних этапах патогенеза проявляется лигнификация – повышенная выработка лигнина, сложного полимера фенольной природы, получающегося в результате
поликонденсации нескольких коричных спиртов (паракумаро-
вого, кониферилового и синапового, рис. 5). Соотношение этих
коричных спиртов различается у разных видов растений. Поэтому
в смысле химической структуры лигнин – понятие достаточно
условное, так как трудно найти два одинаковых по химическому
составу лигнина. Тем более, что индуцированный патогеном
лигнин часто отличается по составу от лигнина здоровых тканей.
Таким образом, лигнин у растений представляет собой некий
аналог хитина у членистоногих.
Кратко остановимся на химической природе некоторых элиситоров, характерных для таких фитопатогенов, как бактерии,
грибы и оомицеты, вирусы, нематоды (об элиситорах травоядных насекомых речь пойдет ниже в подразделе 2.3.3). Что касается
бактерий, то растения могут защищаться против большинства
потенциально патогенных бактерий. Классическими примерами
бактериальных PAMPs являются такие белки, как флагеллин
95
Рис. 5. Основные структуры мономеров, составляющих биополимер лигнин
(паракумаровый (а), синаповый (б), конифериловый (в) спирты)
и фактор элонгации Tu (FE-Nu), о которых речь шла выше. Помимо этих элиситоров бактериальных фитопатогенов следует
отметить еще и отдельные липосахариды грамотрицательных
бактерий и пептидогликаны [39, 61, 75, 76, 352, 440]. К ним часто
относят также бактериальный белок холодового шока и его отдельные пептидные фрагменты, индуцирующие в наномолярных концентрациях защитные отклики в пасленовых [200]. Кроме
того, растением табака распознаются субмикромолярные концентрации бактериальной супероксиддисмутазы, идентифицированной как главный белок в секретоме Xanthomonas campestris
pv. campestris и E. coli [441]. Наконец, некоторые элиситоры ри-
зобактерий, как и микромолярные количества сидерофора псевдобактина (pseudobactin), в случае обработки ими корней, могут
индуцировать ISR [75, 442].
Что касается грибов и оомицетов, то в целом картина защитного сигналинга растения в процессе их атаки напоминает таковую при бактериальном инфицировании [443]. Среди элиситоров
этих патогенов наиболее известны такие PAMPs, как оомицетные
96
глюканы и фунгальный хитин, происходящие из клеточных стенок этих патогенов. Главными составными блоками клеточных
стенок грибных и оомицетных патогенов являются пептидогликаны, которые действуют как РAMPs в арабидопсисе и некоторых других растениях [60, 61], распознавание которых может
проводиться рецепторным LysM-доменом [444]. В качестве элиситоров оомицетов обычно представляют арахидоновую жирную кислоту, которая характерна для оомицетов и отсутствует
в растениях, действуя в миллимолярных концентрациях, как РАМР
в картофеле [6]. Кроме того, превосходным элиситором, применяемым в пикомолярных концентрациях при обработке томатов [81], является эргостерол – главный стерин аскомицетов
и базидиомицетов. Он может также использоваться для индуцирования защитных откликов в табаке [82] и винограде [445].
Наконец, следует упомянуть и экстракты дрожжей, часто использующиеся в качестве универсального элиситора [6]. Их главными элиситорными составляющими являются фрагменты гликопептидов.
Перспективными элиситорами для повышения устойчивости растений к вирусам являются различные полисахариды: хитозан [112], 1,3 или 1,6-β-D-глюканы из грибов [446] и бурых водорослей [447], 1,3- или 1,4-β-D-глюкан из лишайника Cetraria
islandica [448], каррагинан из красной водоросли Tichocarpus
crinitus [449], фукоидан из водоросли Fucus evanescens [450]. От-
метим, что сообщалось о сотнях имеющихся в природе R-генов
для фитовирусов [451]. Защитный отклик, который инициируется
после распознавания специфического вируса, как правило, является стереотипным и уже достаточно хорошо охарактеризован
[373, 427]. Однако исследования показали, что противовирусный
защитный сигналинг не всегда следует по стереотипному пути
[452]. Это было проиллюстрировано на примере индуцированной
устойчивости к вирусам, основанной на РНК-молчании (RNA-silencing). Действительно, важнейшей разработкой 1990-х было обнаружение посттранскрипционного молчания (подавление экспрессии) генов (PTGS, post-transcriptional gene silencing) или, как назвали это явление позже, РНК-интерференции (RNAi) в качестве
97
защитного отклика, регулирующего уровень накопления вирусов
[453]. Таким образом, растение для борьбы с вирусной инфекцией
может применить этот механизм [454] для прямой деградации
инвазивных РНК через генерирование коротких интерферирующих РНК (siRNAs, short-interfering RNAs) [455] и для регуляции
экспрессии генов путем генерирования микро-РНК (miR NAs) [456].
Поэтому PTGS – это индуцируемый вирусами механизм деградации РНК, который является важным клеточным механизмом для
защиты против чужих нуклеиновых кислот, включая вирусы.
Этот механизм был объектом многих обзоров (см., например,
[453, 457]).
Что касается нематод, то они, как известно, ежегодно вызывают во всем мире миллиардные потери, паразитируя на корнях
многих видов растений. Среди паразитических нематод наиболее разрушительными для растений считаются галловые (Melo-
idogyne spp.) и цистообразующие (Heterodera and Globodera spp.)
[458]. Именно поэтому в последние годы исследованию методов
защиты растений от нематод, основанных на индуцировании
иммунных откликов растений, уделяют повышенный интерес
(см., например, [459, 460]). Так, из-за достаточно высокой стои-
мости и токсичности для окружающей среды применяемых для
контроля нематод нематоцидов, использование индуцированной
устойчивости растения рассматривается как возможная экологически чистая альтернатива. Устойчивость к нематодам ассоциируется, в основном, со смертью клеток растения вблизи или
в месте их кормления, а также с индуцированием выработки ФА
и изменением состава растительных стеринов в неблагоприятном для нематод направлении [461]. Продолжительность и локализация защитного отклика зависит от конкретного R-гена
и вида нематоды. Заметим, что эффекторы нематод, соответствующие R-генам растений, пока не были идентифицированы [462].
Основные элиситоры, индуцирующие защитные отклики против нематод, по химической природе чаще всего относятся к липидам. В частности ими являются арахидоновая и эйкозапентаеновая кислоты [460].
98
2.3.2. Защитные отклики на механическое
повреждение
Одним из наиболее часто встречающихся видов стрессового
воздействия на растения является их механическое повреждение.
Оно неминуемо происходит в случае различных неблагоприятных условий (ветер, град, атаки травоядных или патогенов). Кроме того, многие патогены проникают в растительную ткань через поврежденные места и, следовательно, поранение приводит
не только к нарушениям целостности тканей растения, но и увеличивает риск их заражения патогенными микроорганизмами.
Однако повреждение растений не остается незамеченным, так
как эволюция создала механизмы самозащиты, с помощью которых растения могут справиться с последствиями поранения. На
раневой стресс растения отвечают различными защитными реакциями, включая активацию экспрессии защитных генов и кодируемых ими белков (чаще всего протеиназные ингибиторы PI s),
вовлеченных в заживление ран, сдерживание травоядных и другие связанные с защитой процессы.
Защитные отклики растений на поранение и синтез соответствующих защитных белков регулируются сложной сетью пу-
тей сигнальной трансдукции, которая связывает выработку сигналов, продуцируемых в месте поранения и ассоциируемых
с повреждением, с соответствующими изменениями в метаболизме, т. е. с активацией экспрессии защитных генов и другими
клеточными процессами. Таким образом, в ответ на поранение
растения включают свою иммунную систему c целью восстановления нарушенной целостности, а также противодействия
росту и размножению возможных вредителей. В частности, на
пораженном участке может образовываться новая перидерма,
являющаяся не только механическим, но и химическим барьером
на пути инфекции, поскольку в зоне повреждения накапливаются антибиотические вещества различной химической природы,
которые могут блокировать проникновение инфекции. Заметим,
что защитные отклики на механические повреждения различного
характера могут достаточно сильно различаться [15, 252], так
99
как если мелкие травоядные (тля, трипсы и другие) обычно наносят механические повреждения ограниченному количеству клеток путем прокалывания и высасывания, то более крупные жующие насекомые, млекопитающие или неблагоприятные природные явления приводят к гораздо бỏльшим потерям растительной
ткани. Следует также сказать, что есть исследования, показывающие, что механические повреждения могут достаточно хорошо
симулировать атаку некоторых травоядных (хотя это далеко не
всегда удается), вызывая близкие защитные отклики [463]. Изучение механизмов ответа на поранение является важным звеном
в разработке методов защиты растений и этой теме посвящено
немало работ (см., например, [464, 465]).
Элиситоры механических повреждений растений. Инду-
цирование поранением PIs в томатах и других пасленовых широко используется в качестве модельной системы для изучения
механизма защитного отклика. В частности, было установлено,
что генерируемые в ответ на повреждение элиситоры запускают
внутриклеточную выработку жасмонатов, которые, в свою очередь, активируют экспрессию защитных генов [466]. Была разработана также относительно простая методика биоиспытаний
для идентификации элиситоров, вовлеченных в экспрессию индуцированных повреждением PIs. При этом проростки растений
томатов обрабатываются элиситорами через надрезы на стеблях,
после чего измеряется уровень накопления PIs в тканях листа
[467]. Использование этой методики привело к обнаружению
и идентификации элиситоров, включая взятые из клеточных стенок олигогалактурониды (OGAs), обогащенный пролином олигопептид системин [180], и различные жасмонаты [15]. Продуцирование OGAs в ответ на поранение вовлекает в процесс полигалактуроназы, чья экспрессия в томатных листах индуцируется
поранением [469]. Относительная неподвижность OGAs в сосудистой системе растения говорит о том, что эти соединения
функционируют в основном как элиситоры на поранение, вызывающие локальные ответные отклики. Однако так как полигалактуроназная активность в ответ на поранение индуцируется
и локально и системно, то, вероятно, OGAs могут также выполнять
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]