Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Элиситоры и их применение в растениеводстве
.pdf
отдельные функции и в системном отклике [466]. Что касается
системина, то он вовлекается в качестве сигнала в системный
отклик на поранение и приблизительно на 4 порядка более активен, чем OGAs в опытах по индуцированию экспрессии PIs
в проростках томатов [468]. Относительно жасмонатов, и в частности JA и MeJA, следует сказать, что еще в 1980-х годах они
были охарактеризованы как ингибиторы роста корней [470], а затем было обнаружено, что JA, при обработке томатов, индуцирует системный биосинтез защитных PIs не только в поврежденных
листьях, но и в неповрежденных, а также в соседних необработанных растениях [380, 385]. Жасмонаты открылись в качестве
потенциальных элиситоров экспрессии PIs не только в томатах,
но и в других видах растений [385, 471, 472].
Механизм защитного отклика при поранении. Еще в конце
XIX века возникла идея о том, что растения активно отвечают
на повреждения своих тканей. А в 1972 году T. R. Green, C. A. Ryan
[473] на примере поврежденных листьев томатов показали, что
генерируемые в месте поранения элиситоры распространяются
по всему растению и системно индуцируют защитные отклики,
включая экспрессию PIs, в неповрежденных листьях, располо-
женных далеко от места повреждения. Таким образом, они продемонстрировали, что повреждения, возникающие на листьях
томата, приводят не только к локальной, но и к системной экспрессии генов, кодирующих PIs, и соответственно к индукции
системного накопления PIs, которые, в свою очередь, могут ингибировать активность пищеварительных ферментов насекомых
и функционировать как антипищевые агенты. В этой работе
была выдвинута идея о том, что элиситоры, генерируемые в месте механического повреждения, могут индуцировать системную
защиту против насекомых-вредителей. Так, в томатах повреждение одного листа механически или насекомыми приводит
к локальному и системному накоплению защитных PIs в течение
двух часов [466]. Многие годы существование системных защитных откликов на элиситоры при поранении демонстрировалось в различных видах растений и поэтому не удивительно, что вывод о том, что эти элиситоры могут активировать
101
локальный и системный защитный сигналинг растения, стал основополагающим для современного понимания этой проблемы
[17, 15, 268, 384].
Системный защитный отклик на поранение подразумевает
существование мобильных межклеточных сигналов, которые переносят их на большое расстояние. В последние два десятилетия
было предложено несколько кандидатов в качестве таких системных сигналов индуцированной поранением экспрессии PIs
[468, 474, 475], среди которых взятый из оксилипинов фитогормон JA, ее летучая производная MeJA, а также пептидное сигнальное соединение системин. Были проверены в качестве мобильных межклеточных сигналов системного защитного отклика
и другие индуцируемые поранением сигналы, например, взятые
из клеточных стенок олигогалактурониды (OGAs) [465]. Однако, как уже говорилось выше, их относительная неподвижность
в сосудистой системе растений свидетельствует о том, что OGAs
функционируют скорее как локальные сигналы на поранение,
хотя, вероятно, они могут также выполнять отдельные функции
и в системном отклике [466].
Что касается фитогормонов JA и MeJA, индуцирующих экспрессию PIs, то они занимают центральное место в регуляции защитных откликов растения на поранение, являясь главными компонентами мобильного сигнала на поранение [382, 408]. В целом
члены жасмонатного семейства оксилипинов, из которых берутся
JA и MeJA, играют важную роль в индуцировании защиты при
поранении не только в томатах, но и в других видах растений
[15, 471]. Заметим, что MeJA при обработке им томатов индуцирует биосинтез защитных PIs не только в обработанных растениях, но и в находящихся рядом необработанных растениях [385].
Что касается системина, то к его идентификации привел поиск
соединений из экстракта поврежденных листьев томата, которые индуцировали экспрессию PIs [180], т. е. системин, так же
как и JA, проявил способность индуцировать PIs. Клеточные повреждения при механическом повреждении растения инициируют протеолиз и высвобождение белка просистемина, а затем
и самого пептида системина, который связывается с белковым
102
системиновым PRR-рецептором SR160 и запускает защитный
сигналинг.
Отклик на поранение томатов был достаточно детально изучен и стал полезной моделью для понимания событий сигналь-
ной трансдукции, ведущих от повреждения до экспрессии генов.
Считается, что как локальные, так и системные сигналы, взаимодействуя с рецепторами, вызывают серию клеточных откликов, которые на ранней стадии защитного сигналинга (upstream)
включают открытие ионных каналов и повышают содержание
цитоплазмического кальция [247]. Кроме того, может индуцироваться активность митоген-активируемых протеинкиназ (МАPK)
[476], а также могут активироваться фосфолипазы, которые высвобождают линоленовую кислоту из липидов мембран и инициируют синтез JA по октадеканоидному пути [386]. Жасмонатный
путь играет важнейшую роль в индукции поранением защитных откликов: поранение и системин активируют экспрессию
PIs через общий сигнальный путь, для которого необходима JA.
Действительно, поранение и системин активируют сигналинг
защитного отклика путем увеличения эндогенного уровня жасмонатов, включая JA, MeJA и их метаболического прекурсора
12-OPDA (12-oxo-phytodienoic acid) [477]. JA получается из линоленовой кислоты через октадеканоидный путь. В этот путь вовлечено несколько энзимов, которые катализируют биосинтез
OPDA (см., например, [242, 379, 465]). При этом гены, кодирующие эти энзимы, были обнаружены в хлоропласте, поэтому
предполагается, что начальные шаги биосинтеза JA (от линоленовой кислоты до OPDA) имеют место в хлоропласте. В отличие
от хорошо исследованных реакций биосинтеза OPDA из линоленовой кислоты, относительно мало известен процесс возникновения самой линоленовой кислоты. По аналогии с эйкозаноидным биосинтезом млекопитающих, фосфолипаза A, как предполагается, несет ответственность за выделение линоленовой
кислоты из липидов мембран. Для томатов есть прямое доказательство, поддерживающее эту гипотезу: системин активирует
фосфолипазу А2 (PLA2), которая выделяет линоленовую кислоту
из мембранных липидов в поврежденных листьях [383]. Конвер-
103
сия OPDA в JA катализируется другим энзимом – OPR (12-oxophytodienoic acid reductase) для получения OPC-8:0 (3-oxo-2(2’(Z)-pentenyl)-cyclopentane-1-octanoic acid), которое, как предполагают, подвержено трем циклам окисления, прежде чем приходят
к конечному продукту – JA. JA, в свою очередь, метаболизируется во многие другие продукты, включая MeJA, амидные конъюгаты с аминокислотами, конъюгаты с сахарами и гидроксилированными производными [15, 465].
Учитывая, что JA и системин являются основными участниками мобильного системного сигналинга [254] в ответ на механическое повреждение тканей растения, были предложены две
гипотезы относительно переносчиков такого сигнала [192, 478].
В соответствии с первой гипотезой, дальнодействующим системным сигналом индукции защитных генов в томатах, является
системин. Системин переносится через флоэму в находящиеся
на большом расстоянии неповрежденные листья растения, где
он взаимодействует с рецептором и активирует октадеканоидный путь для биосинтеза JA и, соответственно, экспрессию генов, кодирующих PIs [192]. Однако в дальнейшем было показано, что системин действует скорее на начальном этапе. Согласно
второй гипотезе, системин индуцирует в месте механического
повреждения продуцирование JA, которая и функционирует как
мобильный сигнал для экспрессии PIs в отдаленных тканях растения.
Проведенные в последние годы многочисленные биохимические и генетические исследования подтвердили то, что как си-
стемин, так и JA являются важными составляющими системного защитного отклика на поранение в томатах [15, 382]. Кроме
того, исследования на томатных мутантах, дефектных в отношении биосинтеза JA и сигналинга, показали, что JA и системин при
регулировании системного защитного отклика на поранение работают вместе на одном и том же сигнальном пути [382, 383,
475]. При этом системин требуется для запуска биосинтеза JA до
уровня, необходимого для системного отклика, но сам действует как компонент начальных этапов каскада сигналов, индуцируемых механическим повреждением [143, 240, 245, 382, 466,
104
477, 479]. Системин функционирует в месте или вблизи места
поранения, запускает повышенную выработку жасмоновой кислоты, которая, в свою очередь, действует автономно внеклеточно для продвижения системных защитных откликов. Таким образом, именно JA, а не системин, как предполагают (см. например, [382]), функционирует как системный сигнал на поранение,
а системин регулирует биосинтез JA. Наконец следует отметить,
что пока значительно меньше известно как JA и системин взаимодействуют при продвижении межклеточной коммуникации на
больших расстояниях. Важно подчеркнуть, что взаимодействие
между JA и системином, вероятно, в значительной степени зависит от того, каким способом было нанесено механическое повреждение и каков его масштаб [480].
2.3.3. Защитные отклики на атаку
травоядных насекомых
Травоядные насекомые представляют собой одну из главных
опасностей для растения в его естественном окружении. Для
борьбы против них растения обладают как конститутивными, так
и индуцируемыми механизмами защиты. К конститутивным защитным механизмам относят такие физические или химические
барьеры, как, например, шипы и колючки, или вторичные метаболиты, которые вредны или даже токсичны для насекомых.
Индуцируемые защитные отклики представлены, главным образом, протеиназными ингибиторами (PIs) [473], токсичными или
отпугивающими вторичными метаболитами [271], включая различные летучие вещества (HIPVs, herbivore-induced plant volatiles) [481], а также ускоренным ростом трихом, шипов и колючек [482]. Что касается выделяемых растением после нападения
травоядного летучих веществ, то их количество, как правило,
резко возрастает, а состав летучих смесей меняется, при этом
может повышаться привлекательность растения для естественных врагов травоядных и увеличиваться отпугивающий травоядных эффект. Таким образом, нападение насекомых ведет к индуцированию изменений в метаболизме растений, которые суще-
105
ственно дополняют конститутивные защитные отклики. Баланс
между конститутивными и индуцированными защитными откликами, вероятно, определяется энергетическими затратами каждой из них, при этом такие фитогормоны, как JA, SA и EТ играют
главные роли в регулировании индуцированных защит [17, 408].
Заметим, что многочисленные исследования, посвященные
индуцируемым защитным откликам растений против травоядных насекомых, показали, что растение способно ответить защит-
ными откликами еще до поедания их насекомым (см., например,
[483]). Дело в том, что большинство травоядных насекомых начинает атаку растения, откладывая яйца в его тканях, после
чего их жидкости при откладывании яиц могут вызвать изменения в выделяемых растением смесях летучих веществ. Растения
способны заметить откладывание яиц насекомым и ответить на
самые первые попытки личинок насекомого атаковать активированием своих защитных откликов [483, 484]. Эти отклики нацелены на избавление растения от яиц и соответственно на
предупреждение повреждений, вызванных поеданием растительных тканей личинками, которые появятся из этих яиц. Чтобы определить местоположение крошечных яиц насекомых, хищники
или паразитоиды используют индуцируемые растением в ответ
на откладывание яиц HIPVs [485], тогда как от самих яиц исходят только короткодействующие сигналы [486]. Индуцируемые
поеданием или откладыванием яиц смеси летучих веществ
HIPVs чаще всего отличаются по составу и распознаются травоядными и паразитоидами [485, 486].
Таким образом, растения в своих взаимодействиях с биотическим окружением, в частности с травоядными насекомыми,
не выступают в качестве пассивных жертв, а являются активными игроками, отвечая различными защитными откликами, с помощью которых могут смягчить последствия нападения, убивая
или отпугивая вредителей, оставляя их без необходимой пищи
или привлекая их естественных врагов. Такой разнообразный
комплекс защитных откликов индуцируется распознаванием элиситоров из оральных секретов травоядных, из жидкостей при
откладывании насекомыми яиц или из поврежденных клеток
106
растений. Следует сказать, что наличие большого разнообразия
защитных откликов растений отчасти связано с эволюционной
«гонкой вооружений» между растениями, развивающими новые
защитные отклики, и травоядными, совершенствующими способы получения пищи из растений. Индуцируемые защитные
отклики растений против травоядных насекомых обычно делятся
на прямые и непрямые. Действительно, растения могут защищать
себя либо напрямую, продуцируя токсины, отпугивающие вещества, а также вещества, затрудняющие перевариваемость пищи
или ограничивающие ее утилизацию (антипереваривательные
и антипищевые вещества) [487], или не напрямую, путем взаимо-
действия с другими организмами, привлекая, например, естественных врагов травоядных и тем самым повышая эффективность
поиска ими пищи [25, 324, 375]. Следует отметить, что растения
могут использовать одновременно как прямые, так и непрямые
защитные механизмы, при этом чаще всего оба способа защиты
дополняют друг друга, хотя не всегда [488].
Атака травоядного насекомого может активировать защитные
отклики как локально в месте поражения, так и системно по всему растению или даже распространяться на соседние растения.
Системные отклики могут активироваться путем переноса сигнала внутри растения через его сосудистую систему, или с помо-
щью внешнего (по воздуху) переноса индуцированных летучих
веществ (HIPVs). Получается, что индуцируемые травоядным метаболические изменения в одном растении могут также иметь
последствия для травоядных насекомых и на соседних растениях [308]. Наконец, растение способно индуцировать отклики,
которые могут системно влиять и на его последующие взаимодействия его и его соседей с травоядными, т. е., как говорят, «праймировать» растения. Защитное праймирование – своеобразная
вакцинация растения, осуществляемая с помощью первичной
предварительной обработки элиситорами (иногда входящими
в состав смесей летучих веществ HIPVs), приводящая к повышению его способности мобилизовывать клеточные защитные отклики еще до нападения травоядного, что подготавливает рас-
107
тение для более быстрого и сильного ответа на будущие атаки
вредителей [489].
Следует отметить, что наши знания процессов взаимодействия растение – травоядное до сих пор остаются достаточно огра-
ниченными. Поэтому в исследованиях таких взаимодействий
часто учитывается, например, схожесть процессов взаимодействия растение – травоядное и растение – патоген [325, 490]. Действительно, защита растения против атаки травоядных насекомых имеет некоторые общие черты с защитой против патогенов.
Например, типичными элементами индуцированных патогенами
откликов растений, которые также инициируются травоядными,
являются повышенные ионные потоки через плазмамембрану
и разрушение мембран растительных клеток [491], генерация АФК
[492], активация киназных каскадов [493]. Эти локальные отклики происходят в месте атаки. Кроме того, системно может происходить генерация фитогормонов JA, SA и ЕТ [25, 325], активация связанных с защитой PR-генов [494] и синтез определенных
вторичных метаболитов, в том числе летучих [308].
Следует иметь ввиду, что защитные отклики растения на
травоядных насекомых в большинстве случаев могут сильно отличаться от откликов, индуцируемых просто механическими
повреждениями, даже если последние умело симулируют поранение, вызванное поеданием растения травоядным [183, 301, 494].
Так, эксперименты часто показывают, что механическое повреждение, наносимое путем прокалывания дырок в листьях или их
срезания, вызывают неизвестные защитные отклики или только
поднабор тех откликов, которые могли бы наблюдаться после
атаки реального травоядного [301, 472, 495]. Дело в том, что за
специфичность откликов часто отвечают специфические элиситоры из ОС травоядных, из жидкостей при откладывании ими
яиц, а также из разрушенных клеток растений. Это позволяет
растению различать атаку насекомых, откладывание ими яиц
или просто механическое повреждение, вызванное, например,
градом или ветром [496]. Отметим, что несмотря на то, что атаки
как патогенов, так и насекомых всегда сопровождаются механическим повреждением растительных тканей, тем не менее в зависи-
108
мости от вида травоядного насекомого и способа поедания (например, высасывание (клещи) или жевание (гусеницы)) интенсивность и степень поранения могут варьироваться [183], а это,
в свою очередь, может повлиять на набор индуцируемых такими
поранениями защитных реакций. Так, во многих исследованиях,
где имитировалось поранение, вызванное нападением травоядных насекомых, использовалось простое царапание [497], продавливание [472] или прокалывание [498] листьев. Однако такое
имитирование приводило к индукции генов, соответствующих
различающимся защитным стратегиям [269, 499]. Например, часто не наблюдалась эмиссия летучих веществ, которая обязательно бы имела место в случае нападения реальных насекомых. Таким образом, понятно, что растения способны отличать механическое повреждение, вызванное режущим, колющим или другим
инструментом, от повреждения, вызванного нападением реального насекомого.
Элиситоры травоядных. Чтобы успешно противостоять тра-
воядным насекомым, растения должны быть способны уметь
эффективно распознавать сигналы их присутствия, т. е. распознавать не только свое механическое повреждение, но и взятые из ОС
(отрыжка или слюна травоядных насекомых) насекомых и из
жидкостей при откладывании ими яиц индуцированные травоядными экзогенные элиситоры HAMPs и эндогенные элиситоры
растений DAMPs. По аналогии с PAMPs или MAMPs, как уже
говорилось в первой главе, взятые у травоядных элиситоры были
названы HAMPs, индуцируемые насекомыми летучие вещества –
HIPVs, а взятые из растений эндогенные элиситоры – DAMPs.
Заметим, что HAMPs и DAMPs могут индуцировать защиты
растений в концентрациях от пикомолярных до фемтомолярных
[182, 237]. Интересно, что хотя отклики на травоядных известны
для очень широкого набора растений, элиситоры, индуцирующие защитные реакции в процессе таких взаимодействий, были
идентифицированы только для отдельных взаимодействий растение – насекомое, т. е. они вероятно специфичны по насекомым
[17, 268, 271, 496]. Действительно, специфичность защитных откликов растений часто определяется специфичностью соответст-
109
вующих элиситоров и, в частности, композиции HAMPs и DAMPs
могут играть ключевую роль в проведении специфических откликов растений при его взаимодействиях с насекомыми [500].
Молекулярные механизмы, вовлекаемые в распознавание этих
элиситоров, остаются в основном неизвестными. До сих пор известен только мембранный рецептор, вовлеченный в распознавание такого FAC-элиситора, как волицитин [327]. Вопрос, как
растения распознают элиситоры животных, не относящихся к насекомым, например, элиситоры клещей и нематод, также остается
открытым [190]. Тем не менее за последние два десятилетия произошел значительный прогресс в нашем понимании отдельных
механизмов действия элиситоров насекомых (см., например,
[183, 501]).
До настоящего времени было идентифицировано 5 классов
элиситоров, вовлеченных во взаимодействия растение – травоядное насекомое [190] и индуцирующих в ходе таких взаимодействий различные защитные отклики, в том числе эмиссию летучих веществ. Сначала был выделен класс элиситоров слюнных
энзимов, а затем четыре неэнзиматических класса элиситоров.
А именно: 1) некоторые слюнные энзимы, в частности, β-глюкозидаза (β-glucosidase) из ОС гусеницы Pieris brassicae, которая
может индуцировать выделение HIPVs, привлекающих к растениям паразитических ос [229]; 2) FAC-элиситоры, такие как волицитин и химически близкие ему аналоги из ОС насекомых
[327, 498]; 3) бручины (bruchins) из жидкостей при откладывании яиц некоторыми насекомыми [483]; 4) каэлиферины (caelife-
rins) из ОС саранчи (Schistocerca americana), которые индуцируют выработку HIPVs в кукурузе [73]; 5) несколько групп эндогенных пептидных элиситоров растений (DAMPs), возникающих
в результате разрушения растительных клеток в процессе поедания растений насекомыми [177].
При распознавании растительными клетками перечисленных групп элиситоров запускаются разнообразные специфические защитные отклики, в том числе эмиссия HIPVs. Остано-
вимся чуть подробнее на каждом классе перечисленных выше
элиситоров.
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]