Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Элиситоры и их применение в растениеводстве
.pdf
1. Энзимы слюнных секретов различных видов гусениц (Le-
pidoptera) стали первыми идентифицированными элиситорами
насекомых, индуцирующими среди прочего эмиссию летучих
веществ. Так, из ОС некоторых гусениц были выделены специ-
фические по насекомым β-глюкозидаза (β-glucosidase) [229, 231],
глюкозооксидаза (Glucose oxidase, GOX) [229, 301, 502], щелочная фосфатаза [228, 230, 324]. β-глюкозидаза, выделенная из ОС
гусеницы бабочки капустницы (Pieris brassicae), стала первым
идентифицированным элиситором насекомых, индуцирующим
эмиссию летучих веществ (HI PVs ) [229, 503]. Эти летучие вещества притягивают паразитических ос Cotesia glomerata. Кроме
того, обработка лимской фасоли и брюссельской капусты β-глюкозидазой индуцирует выделение из поврежденных листьев
смесей летучих веществ, которые подобны смесям, эмитируемым в результате атаки соответственно двупятнистого паутинного клещика (Tetranychus urticae) и гусеницы Pieris brassicae.
Хотя брюссельская капуста, в случае, когда она заселена вредителями, выделяет такую же смесь летучих веществ, как если бы
она была просто механически повреждена, растения этой капусты в результате попадания на них β-глюкозидазы эмитируют
эти летучие вещества в гораздо бόльших количествах и более
продолжительное время. В этом случае главными, вовлеченными
в защиту HIPVs, являются летучие вещества зеленых листьев
GLVs (green leaf volatiles). Кроме того, этот элиситор индуцирует
в лимской фасоли и кукурузе выработку терпенов DMNT (4,8-диметил-1,3,7-нонатриен) и TMTT (4,8,12-триметилтридека-1,3,7,11тетраен) [503].
2. FAC-элиситоры являются наиболее известными элисито-
рами, индуцируемыми травоядными насекомыми [504]. Они часто
доминируют в наборе элиситоров, взятых из их ОС. Среди них
первым был выделен и идентифицирован волицитин (17-OH18:3-Gln или N-(17-hydroxylinolenoyl)-L-glutamine (рис. 6) – гидроксильный FAC, который был найден в ОС свекловичной гусе-
ницы Spodoptora exigua [505], индуцирующий очень быстрый
рост JA и ET при обработке им поврежденных листьев табака,
массовое количество которых гораздо больше, чем при индукции
111
только за счет механического повреждения [506], а также эмиссию
летучей смеси веществ проростками кукурузы, отличающейся
от состава смеси HIPVs, индуцируемой только механическим
повреждением [505]. Кроме того, он индуцирует накопление трипсинового PI [507]. О связывании волицитина с рецептором было
сообщено в работе [327], хотя сам рецептор не был идентифицирован на молекулярном уровне. Затем из ОС других насекомых
были выделены и идентифицированы другие FACs [498, 508].
В работе [504] был проведен скрининг FAC-элиситоров 29 видов
гусеницы Lepidoptera и в 19 из них нашли FACs. Сначала они
рассматривались как элиситоры, специфичные только для Lepi-
doptera, так как FACs синтезируются в большинстве видов этих
гусениц, но затем они были обнаружены в ОС сверчков, седлоносцев и плодовых мух (дрозофил) [301, 509].
Эффекты применения FACs из ОС травоядных, специализирующихся на табаке N. attenuata, были исследованы в работах
[493, 498, 510]. Было выявлено, что при обработке синтезированными FACs поврежденных листьев табака N. attenuata воспроизводится большинство из откликов, индуцируемых атакой самого насекомого (табачного бражника Protoparce sexta), включая
активацию MAPK-активности и индуцируемые изменения в защитных вторичных метаболитах [493, 498, 510]. FAC-элиситоры
могут запускать такие защитные отклики, как индуцирование
эмиссии HIPVs для широкого ряда растений, включая зерновые
[511], причем после обработки волицитином в дозе 10 пикомоль
на проросток эмиссия наблюдается через несколько часов. Однако не все растения отвечают на эти элиситоры [182, 512]. Отдельные FACs проявляют элиситорную активность по индуцированию HIPVs, только если ими обработать механически поврежденные места растений [497, 498].
Структурно FACs представляют собой конъюгаты, состоящие из жирнокислотной и аминокислотной частей, где жирнокислотная часть чаще всего представлена линоленовой кислотой
(C18:3 с тремя изолированными двойными связями), линолевой
кислотой (C18:2 с двумя изолированными двойными связями)
и их производными [491, 498, 505, 513], а аминокислотная часть
112
Рис. 6. Химические структуры волицитина, N-линоленоил-L-глутамина
и 17-гидроксилиноленовой кислоты
представляет собой глутамин (Gln) или глутаминовую кислоту
(Glu) [491, 514] (рис. 6). Заметим, что источником жирнокислотной
части является растение, тогда как аминокислотной части – насекомое [514, 515].
3. Бручины были выделены из жидкостей при откладывании
яиц такими насекомыми, как зерновка четырехпятнистая (Callo-
sobruchus maculatus), зерновка гороховая (Bruchus pisorium) и не-
которыми другими. Эти активные в фемтомолярных дозах элиситоры стали первыми элиситорами жуков [483, 516]. Бручины –
длинноцепочечные α,ω-диолы, моно- или диэтерифицированные
3-гидроксипропионовой кислотой по одному или обоим кислородам и имеющие углеродные скелеты С22 или С24 (см. рис. 7).
Они, не вызывая эмиссию летучих веществ, индуцируют деление клеток в месте откладывания яиц, что ведет к неопластическому росту тканей под отложенными яйцами (образование неоплазм или каллусов), например, гороха огородного Pisum sativum
и некоторых других бобовых [516]. Неконтролируемый рост клеток приподнимает яйца над поверхностью растения, что препят-
113
Рис. 7. Химические структуры бручинов А, В, С, D: а, б, в, г: бручин а: (7)-9-
docosene-1, 22-diol,1-(3-hydroxypropanoate)ester; бручин б: (7)-9-docosene-1,
22-diol bis-(3-hydroxypropanoate)ester; бручин в: (7)-9-tetracosene-1,24-diol bis(3-hydroxypropanoate)ester; бручин г: (7)-7,15-tetracosadiene-1, 24-diol bis-(3-
hydroxypropanoate)ester
ствует вновь появившимся личинкам проникнуть внутрь горо-
хового стручка. Кроме того, это приподнятие улучшает видимость яиц или личинок для естественных врагов насекомого,
повышая вероятность их уничтожения плотоядными или паразитоидами, и, наконец, яйца становятся более уязвимыми к высушиванию [516]. Вообще, защитные реакции, ассоциируемые с
откладыванием яиц, могут быть более сложными, чем только
неопластический рост клеток растения. Например, было показано, что бручины могут индуцировать экспрессию защитных генов и накапливать фитоалексины [517].
Вместе с тем было выявлено, что откладывание на капусте (Bras-
sica oleracea) яиц самкой Pieri brassicae индуцирует через 3 дня
114
Рис. 8. Химическая структура 2-фенилацетонитрила (benzyl
cyanide)
эмиссию смеси летучих веществ, которые привлекают их естественного врага – паразитических ос Trichogramma brassicae,
причем в этом случае элиситором этой эмиссии оказался 2-фенилацетонитрил [483] (рис. 8).
4) Каэлиферины были обнаружены в начале 1990-х годов при
работе над выделением и идентифицированием волицитина. Было
установлено, что индукция эмиссии HIPVs в проростках кукурузы вызывается их поеданием не только гусеницей Lepidoptera,
но и саранчой Schistocerca americana (Orthoptera, прямокрылые).
Более того, найдено, что главным элиситором, взятым из ОС саранчи, является не волицитин (FAC-элиситор), а каэлиферин [73].
Действительно, из ОС саранчи этого вида был выделен ранее не
идентифицированный класс элиситоров, названный каэлиферинами, которые способны индуцировать выработку HIPVs в кукурузе, однако точный механизм их действия пока неизвестен.
Анализ ОС, собранных из некоторых других видов Orthoptera,
показал, что каэлиферины возможно присутствуют у большинства, если не у всех видов кузнечиков подотряда Caelifera (прямокрылые короткоусые), но не у сверчков или кузнечиков подотряда Ensifera (прямокрылые длинноусые) [513]. Наименьшая
активная доза каэлиферинов составляет приблизительно 100 пикомоль на проросток кукурузы [73].
Ядром их структуры является насыщенная или мононенасыщенная жирнокислотная цепь из 15–20 углеродов, сульфатированная на одном или обоих концах (рис. 9).
В ОС доминируют аналоги с жирнокислотной цепью С16.
Они делятся на каэлиферины А и каэлиферины В, которые могу т имет ь (А16:1, В16:1) или не иметь (А16:0, В16:0) двойную
115
Рис. 9. Химические структуры каэлиферина А16:1 и каэлиферина В16:1
связь между атомами С6 и С7 жирнокислотного скелета. При
этом каэлиферины А имеют сульфатированные участки как на
α-, так и на ω-углеродах жирнокислотной цепи, тогда как молекулы каэлиферинов В содержат один сульфатированный участок
на α-углероде и конечный глицин на ω-углероде. Каэлиферины
могут индуцировать эмиссию HIPVs на проростках кукурузы,
при этом каэлиферин А16:1 ((E)-2, 16-disulfjxy-6-hexadecenoic acid)
является наиболее распространенным и имеет самую высокую
активность индуцирования эмиссии HIPVs. Каэлиферины А16:0
и В16:0 – значительно менее активны, как и другие соединения
в этом семействе, включая каэлиферин А17:0 и А18:0.
5. Несколько гру п п эндогенных элиси т оров растен и й (DA M Ps)
были выделены и идентифицированы из ОС некоторых насекомых. Действительно, растения являются источником происхождения различных семейств функционально близких пептидных
элиситоров, которые могут служить, в частности, для усиления
защитного отклика против атак насекомых или патогенов через
116
активацию октадеканоидного сигнального пути [177, 232, 234].
Эти пептиды берутся из бόльших по размеру прекурсорных
белков и выделяются во внеклеточное пространство для взаимодействия с рецепторами мембран с пока еще неизвестным
механизмом. Они представляют собой фрагменты белков разрушенных клеток растений или расщепленных после переваривания внутри насекомого растительных белков [177, 182 ,
190, 237]. Более подробный материал о пептидных DAMPs изложен в разделе 1.4.
Механизмы защитных откликов. В целом устойчивость
растений к атакам насекомых исследована значительно меньше,
чем устойчивость к патогенам. Однако следует сказать, что взаимоотношения растений с членистоногими, как и с патогенами,
сформировались в ходе их длительной коэволюции. В ответ на
существенные повреждения у растений развиваются разнообразные морфологические, физиологические и биохимические средства защиты. Насекомые, в свою очередь, стремятся преодолеть
иммунные барьеры, приспособиться к ним, происходит своеобразная «гонка вооружений» между растениями и травоядными насекомыми [399]. Однако наше понимание лежащих в основе вовлеченных в нее механизмов относительно ограничено по
сравнению с механизмами, вовлеченными в подобную «гонку вооружений» между растениями и патогенами [399].
Наряду со значительной общностью основных событий в процессе защитных откликов при атаке патогенов и насекомых, по
отношению к насекомым у растений существует определенная
специфика, некоторые особые формы и механизмы резистентности. Кроме того, отклики растения на атаку травоядного насекомого часто отличаются от откликов на механическое повреждение, умело симулирующее поранение, вызванное поеданием растения травоядным [183, 301, 494]. Дело в том, что за специфичность
откликов часто ответственны специфические для насекомых
элиситоры, найденные в оральных секретах и в жидкостях при
откладывании яиц, о которых речь шла выше. Это позволяет
растению различать атаку насекомых, патогенов и просто механическое повреждение.
117
Заметим, что для отдельных взаимодействий растение – травоядное, в частности между растением табака Nicotiana attenuate
и поедающей его личинкой Manduca sexta, механизмы, ответственные за индукцию, например, эмиссии HIPVs, достаточно детально изучены (см., например, [493, 510, 513]). Тем не менее следует сказать, что в отличие от элиситоров фитопатогенов (PAMPs),
механизмы распознавания и действия элиситоров насекомых
(HAMPs) и эндогенных элиситоров растений (DAMPs) в пода-
вляющем большинстве взаимодействий пока еще предстоит
определить.
К настоящему времени известно, что после распознавания
сигналов присутствия своих врагов происходит трансдукция сигнала и растение преобразовывает эти сигналы в соответствующие защитные отклики. К ранним событиям во взаимодействии
растение – насекомое, происходящим тотчас же после нанесения
травоядным повреждений, относят изменения в трансмембранном потенциале, изменения ионных потоков и внутриклеточной
концентрации Са2+, генерирование АФК. Индуцированные протеинкиназы (МАРК) и JA определяются в растениях через несколько минут, а примерно через 1–2 ч следует активация связанных с защитой генов [17, 25, 325]. Эти отклики проводятся
соответствующей сигнальной сетью [12, 301, 493], причем JA,
SA и ЕТ являются ключевыми сигналами, регулирующими защитные отклики поврежденных травоядными растений [17, 25,
408], но помимо них могут вовлекаться и другие фитогормоны,
такие как ауксин [518] и абсцизовая кислота [519]. Специфичность защитных откликов растения против травоядных обеспечивается взаимодействием упомянутых сигнальных путей, запускаемых как механическим повреждением, так и специфическими по травоядному элиситорами [25]. JA-путь индуцируется,
как правило, в ответ на поранение или повреждение тканей растения насекомым во время еды, а также некротрофными патогенами [520]. SA-путь активируется главным образом биотрофными патогенами, но также в ответ на поедание растений тлей
и паутинным клещиком [521]. EТ в основном индуцируется растением после атаки насекомых, при этом, как предполагается,
118
он действует синергично с JA, сокращая выработку конститутивных защитных соединений и повышая продуцирование JA
и летучих веществ.
Травоядные насекомые в процессе своей атаки на растение
могут индуцировать как прямые [487], так и непрямые защитные механизмы [25, 324, 375], такие, например, как индуцирование связанных с патогенезом PR-белков с антимикробной активностью [522], протеиназных ингибиторов, которые воздействуют на процесс пищеварения насекомых [473], летучих веществ,
которые притягивают паразитоидов и хищников, питающихся
насекомыми-вредителями [481], а также индуцирование выработки экстрафлорального нектара, который привлекает хищных
членистоногих на зараженные насекомыми растения [523]. В работах [505, 524], в частности, показано, что защитные реакции
растения в ответ на атаку насекомого могут инициироваться частично за счет прямого механизма распознавания таких сигнальных веществ, как взятые у насекомого FAC-элиситоры. Например, кукуруза (Zea mays) и табак (Nicotiana attenuata) распозна-
ют атаку насекомых через прямое распознавание имеющихся
в ОС насекомых FAC-элиситоров. А вот в случае атаки на некоторые растения такого насекомого, как травоядная гусеница
Spodoptera frugiperda (травяная совка), главным механизмом защиты является непрямое распознавание растением опасности
через DAMPs [182, 237], хотя защитные реакции частично активируются также за счет прямого механизма распознавания растением FAC-элиситоров. Заметного прогресса в исследованиях
эндогенных элиситоров DAMPs, индуцирующих защитные отклики при атаке насекомых, удалось добиться Шмелцу с коллегами [182, 237]. Эта группа исследователей занималась, в частности, анализом биохимических реакций, происходящих в листьях
коровьего гороха (Vigna unguiculata) и нескольких других расте-
ний в процессе их поедания гусеницей Spodoptera frugiperda
(травяная совка), весьма распространенным вредителем сельскохозяйственных культур. Этой группе исследователей удалось,
прежде всего, количественно оценить индуцированные атакой
насекомого уровни выработки фитогормонов Е, JA, SA, которые
119
являются интегрированными показателями запуска защитных
механизмов растения. Кроме того, они выделили и идентифицировали эндогенные элиситоры (DAMPs), появляющиеся в процессе поедания гусеницей Spodoptera frugiperda листьев коровьего гороха (Vigna unguiculata) и некоторых других растений,
определили, что эти соединения не принадлежат к уже известным
FAC-элиситорам прямого действия, а представляют собой пептиды. Им удалось определить их cтруктурные формулы, установить источник их происхождения, исследовать влияние изменений химической структуры этих соединений на их элиситорную
активность, выяснить является ли защитный механизм растения
прямым или непрямым, предложить модель непрямого механизма распознавания гусеницы (см. раздел 1.4).
Прямые защитные отклики. Коэволюция растений и насе-
комых привела к выработке у растений способности индуцировать широкий набор соединений, которые могут напрямую воздействовать на насекомых [17] и уменьшить последствия их нападения. Некоторые из этих соединений являются прямыми
токсинами или отпугивающими веществами [525], в то время
как другие проявляют свои защитные свойства путем нарушения процесса пищеварения травоядного или ограничивают утилизацию пищи (антипереваривательные и антипищевые белки)
[487, 526]. Такие соединения растений как токсичные алкалоиды,
терпены и многие фенольные соединения экспрессируются конститутивно [527], а такие защитные белки как протеиназные ингибиторы (PIs) и фенольные оксидазы обычно не содержатся в растениях до нападения насекомых, а индуцируются этим нападением [238, 527]. Заметим, что затрудняющее переваривание пищи
действие PIs у животных было известно давно, но роль PIs в защите растений стала гораздо более очевидной, когда T. R. Green
и C. A. Rayn обнаружили, что поврежденные листья томатов
и картофеля индуцируют быстрое накопление PIs как на механическое поранение, так и на повреждение, вызванное атакой колорадского жука [473], что нарушает процесс пищеварения травоядных и тем самым защищает растения от них. Следует также
отметить, что накопилось немало информации, свидетельствую-
120
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]