Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Элиситоры и их применение в растениеводстве
.pdf
отдельные соли калия индуцируют у некоторых видов растений
системную приобретенную устойчивость SAR [18, 19, 89]. Наконец, сообщалось [90, 91], что β-аминомасляная кислота (BABA,
β-aminobutyric acid) может индуцировать устойчивость целого
ряда зерновых растений против многих вызванных фитопатогенами заболеваний. Также было показано в работах [92, 93], что
синтетическое соединение пробеназол (PBZ) и его активный метаболит 1,2-бензизотиазол-1,1-диоксид индуцируют устойчивость
против широкого спектра бактериальных и грибных инфекций,
причем на протяжении длительного времени (до 70 дней).
1.3. Хитин и хитозан как экзогенные элиситоры
Хитин – широко распространенный в природе биополимер,
который является структурным материалом экзоскелета многих
ракообразных, насекомых, нематод, моллюсков, а также содер-
жится в клеточных стенках различных грибов и бактерий [94–96].
Источники хитина возобновляемы и практически не ограничены. Хитозан является частично деацетилированным производным хитина и получается различными способами как продукт
обработки хитина [94–98].
Хитин и хитозан отличаются высокой биосовместимостью
[99], легкой биодеградируемостью в природной среде [100], не
накапливаются в почве, тканях растений, животных и человека
[101, 102], обладают широким спектром биологической активно-
сти [94–96]. Великолепные сорбирующие свойства хитозана
и способность связывать тяжелые металлы, радионуклиды, очищать сточные воды, в том числе от химических загрязнителей
[95, 103], быть биодеградируемым носителем для доставки в клетки биологически активных веществ [104], образовывать пленки,
а также полиэлектролитные комплексы с другими веществами
[105], его способность удерживать влагу [95, 106] и в целом его
экологичность делают этот биополимер необычайно привлекательным и позволяют широко применять во многих далеких
друг от друга областях [94, 95, 104–109]. Более того, сейчас даже
трудно определить какую-либо сферу человеческой деятельности,
21
где бы ни применялся хитин или хитозан или их производные:
в медицине, в косметологии, в пищевой, фармацевтической и других отраслях индустрии. При этом применение хитозана, как
экологически чистого вещества, разрешено, например, в США
во всех сферах хозяйственной деятельности [102].
Особое значение имеет использование хитина и хитозана
в практике сельского хозяйства, где они могут стать разумным
дополнением традиционных пестицидов, которые зачастую нарушают экологическое равновесие в биосфере. Дело в том, что эти
биополимеры представляют собой главные составляющие клеточных стенок грибных патогенов и являются классическими
элиситорами растений (PAMPs), индуцируя защитные механизмы растений против различных биотических и абиотических
стрессов. В частности, хитозан индуцирует устойчивость растений к грибным [110, 111], вирусным [112, 113] и бактериальным
[94, 110] заболеваниям. Следует также отметить, что хитозан может
выполнять важную роль в оздоровлении сельскохозяйственных
земель, поскольку он стимулирует развитие почвенных грибов
и актиномицетов, являющихся антагонистами фитопатогенных
грибов. Под его воздействием увеличивается урожай, улучшается
его качество. Он также полезен и в других направлениях, включая применение в качестве покрытий для сохранения собранного
урожая и ограничения распространения патогенов [114].
1.3.1. Химическая структура
В «идеальном» хитине все звенья полимера представляют
собой β-1,4-связанный N-ацетилглюкозамин (рис. 1), а в «иде-
альном» хитозане все звенья полимера являются β-1,4-связанным глюкозамином (рис. 2). Но в естественных условиях хитин
содержит определенное количество аминогрупп (звеньев глюкозамина), а хитозан – ацетамидных (звеньев N-ацетилглюкозамина),
так как химическая структура последнего сильно зависит от способов и условий его получения из хитина. Поэтому при определении хитина часто говорят, что это полисахарид, состоящий
в основном из звеньев N-ацетилглюкозамина, но с некоторым
22
Рис. 1. Химическая структура хитина
Рис. 2. Химическая структура хитозана
количеством звеньев глюкозамина, а хитозан – это частично деацетилированное производное хитина, основу которого составляют звенья глюкозамина [97, 98, 103], но может присутствовать
и определенное число звеньев N-ацетилглюкозамина. Причем звенья
глюкозамина и N-ацетилглюкозамина связываются между собой
случайным образом. Иногда говорят, что xитозан является гетерополимером глюкозамина и N-ацетилглюкозамина [97, 98, 103].
23
Заметим, что в силу специфики получения хитозана для него
характерна структурная неоднородность, т. е. образец хитозана
практически всегда представляет собой не одну, а набор молекул
с различающимися структурами [97, 98, 103], которые имеют
разные степени полимеризации (СП), молекулярные массы (ММ),
степени ацетилирования (СА – количественное соотношение ацетилированных и деацетилированных звеньев полимера), характер
расположения N-ацетилглюкозаминовых и глюкозаминовых звеньев в полимерной цепи.
Сырьевыми источниками хитина чаще всего являются отходы переработки морских продуктов (в основном крабов и креветок) и микробиологических производств [94, 95, 115], при этом
производство хитина и хитозана стало отраслью промышленности ряда индустриально развитых стран [94, 95].
Заметим, что свойства и активное использование хитозана
во многом связаны с его электростатическими особенностями
[116], зависящими от структуры его олигомеров, СП и СА. Так
как аминогруппы хитозана благодаря протонированию в кислых растворах способны приобретать положительный заряд, то
хитозан можно рассматривать как поликатион, который имеет
возможность связываться с отрицательно заряженными ком понентами таких молекул, как, например, липиды. Кроме того, наличие в структуре глюкозамина реакционноспособной аминогруппы позволяет получать множество производных хитозана,
расширяющих его свойства и соответственно сферы применения.
В целом благодаря своей химической природе хитозан может
участвовать в различных видах взаимодействий. В частности,
в связывании органических водорастворимых веществ, например
бактериальных токсинов, за счет водородных связей. Кроме того,
частично из-за гидрофобных взаимодействий, хитозан может
связывать предельные углеводороды и жиры. Растворимость олигомеров хитозана выше, чем олигомеров хитина, так как первые
имеют бόльший заряд, а степень их полимеризации, как правило,
ниже [95, 106, 110].
24
1.3.2. Элиситорная активность
Хитозан и хитин обладают элиситорной активностью (ЭА),
т. е. после их распознавания растение запускает защитные реакции, которые могут снизить последствия различных биотических
и абиотических стрессов. Так, хитозан может индуцировать у растений защитные отклики против патогенных грибов [94, 110, 111],
бактерий [110, 117], вирусов [112, 113], выступать в качестве ростостимулятора [118], а хитин снижать количество и видовой состав патогенных микроорганизмов и нематод, содержащихся
в почве [119]. Фитофтороустойчивость иммунизированных хитозаном растений картофеля является пролонгированной и распространяется как на вегетиру ющие растения, так и на клубни
во время хранения, причем остаточная индуцированная устойчивость может сохра няться и на следующий год [120]. Использование хитозана и хитина, повышая устойчивость растений к биотическим и абиотическим стрессам, увеличивает урожай многих
культур, улучшает его качество [94, 95]. Наконец, хитозан может
использоваться как материал для покрытия фруктов, овощей
и семян [121], с целью контролируемого расходования удобрений
[122] и пролонгирования жизни собранного урожая [114]. Распыление, например, хитозана на яблоках, апельсинах, клубнике,
болгарском перце и огурцах приводит к более эффективной их
защите от возбудителей различных гнилей [123]. Заметим, что
особенностью хитозана является то, что наряду с элиситорными
свойствами он обладает ростостимулирующей активностью, т. е.
является, как правило, и средством защиты растений и регулятором их роста [124]. В частности, хитозан существенно ускоряет
рост корней и стеблей таких растений, как дайкон (Raphanus
sativus L.) [125], орхидея [126], лен-долгунец [127] и некоторых
других. Кроме того, хитозан способен уменьшать испарение (растительную транспирацию) в отдельных видах растений, что приводит к заметному сокращению использования воды [128]. Наконец, хитозан обладает небольшой по сравнению с традиционными фунгицидами биоцидностью в отношении фитопатогенов,
однако в качестве фунгицидного препарата для защиты растений
он не используется [94].
25
Следует также сказать, что внесенный в почву хитин способен
снизить количество и видовой состав патогенных микроорганизмов и нематод [119, 129]. Так, опудривание семян олигомерами
хитина существенно повышает урожай моркови [130], а замачивание в растворе хитозана семян томатов индуцирует устойчивость
против нематод, способствует образованию мощной корневой
системы [119]. Установлено, что хитин, хитозан и их производные могут играть важную роль в оздоровлении сельскохозяйственных земель, так как стимулируют развитие почвенных грибов и актиномицетов, являющихся антагонистами патогенных
грибов [131].
Результаты использования хитозана как у нас в стране, так
и за рубежом свидетельствуют о значительном положительном
эффекте от его применения с целью иммунизации растений к различным фитопатогенным инфекциям. Так обнаружено, что хитозан индуцирует противопатогенные защиты в томатах [132], огурцах [133], проростках перца [134], клубнике [135], кустах роз [136],
папайе [137] и некоторых других растениях, а обработка посевного материала зерновых приводит к заметному увеличению урожая [94, 95]. Эффективность использования хитозана в качестве
элиситора, например, против корневых гнилей и твердой головни
озимой пшеницы, находится на уровне, близком к эффективности традиционных фунгицидных препаратов [94, 95].
Индуцирование хитином и хитозаном различных защитных
откликов обычно осуществляется через системную ин дуцированную устойчивость (SAR), которая может достаточно долго
длиться и часто приводит к устойчивости в отношении многих
патогенов [14, 94, 131]. Так, одним из на чальных механизмов фитоиммунитета является образование активных форм кислорода
(АФК), которые выступают не только в качестве прямых токсических веществ в отношении патогенов, но и являются участниками сигнальных систем растений [138]. Кроме того, SAR связывают с акти вацией ряда PR-генов и согласованным действием их
продуктов – соответствующих PR-белков (антифунгальные хитиназы, β-1,3-глюканазы и др. [14, 139]). Высокомолекулярный
26
хитин, например, индуцирует накопление хитиназы и синтез
дитерпе нов в клеточной культуре риса [4, 14, 140], экспрессию
вовлеченных в защитные отклики генов различных растений
(рис [140], сосна [141] и томаты [142]), таких как ген, кодирующий ключевые энзимы фенилпропаноидного пути: фенилаланинаммиаклиазу (PAL), тирозинаммиаклиазу (TAL), а также протеиназные ингибиторы (PI) [101, 143]. Обработка олигомерами
хитозана или хитина листьев сои, сладкого базилика, орхидеи
значительно повышает активность PAL, TAL и других связанных
с защитой энзимов [123]. Под действием хитозана отмечен также лизис клеточных стенок некоторых фитопатогенных грибов
и блокирование их хитинолитических ферментов растительными пектинами [144]. Кроме того, хитозан индуцирует накопление фитоалексинов в арахисе [145], бобовых и пасленовых куль-
турах [101, 146], приводящее к антифунгальным откликам и повышению защиты от других инфекций [101, 110, 147], снижению
уровня стероидов, необхо димых для жизнедеятельности грибов
[106], росту уровня фенольных соединений [145]. Наконец, обработка хитозаном может вызвать увеличение уровня абсцизовой
кислоты, которая играет важную роль в регулировании использования воды растениями, приводит к закрытию устьиц и соответствующему уменьшению испарения [148].
Распознавание хитина или хитозана как элиситоров осуществляется с помощью рецепторов, которые были найдены на цитоплазмических мембранах растительных клеток риса, томата, сои,
ячменя, моркови, пшеницы, табака [149–151]. В работах [152–155]
показана определяющая роль трансмембранных белков в передаче сиг нала от хитинового элиситора, установлено также то, что
рецепторные плазмалеммные белки CEBiP (Chitin Elicitor Binding
Protein) и CERK1 (Chitin Elicitor Receptor Kinase) являются гетеродиме рами, содержащими аминокислотные последовательности,
богатые лизином (LysM) и гомологичные серин-треониновым
киназам. Следует отметить, что хитозан не только взаимодействует с поверхностными рецепторами, но и может проникать
через мембрану в цитоплазму и ядро [156]. Там его взаимодей-
27
ствие с нуклеиновыми кислотами может привести к нарушению
связывания нуклеиновых кислот с гистонами и другим изменениям [157], что, в свою очередь, может послужить сигналом для
транскрипции защитных генов.
Заметим, что в отличие от нейтрального хитина, рецепторное связывание хитозана определяется не только специфическим связыванием остатков N-ацетилглюкозамина с поверхностными рецепторами, но и неспецифическим взаимодействием остатков глюкозамина с отдельными клеточными компонентами за
счет аминогрупп, которые могут приобретать положительный заряд за счет протонирования в растворах с кислым значением рН.
Действительно, хитозан в таком случае является поликатионом,
что позволяет ему с помощью электростатических взаимодействий связываться с отрицательно заряженными ком понентами
цитоплазмических мембран (фосфо липиды, пектины клеточной
стенки) [95, 112, 151, 158], что может привести к нарушению
структуры мембраны и активации участвующих в синтезе жасмоновой кис лоты липоксигеназ [159].
Зависимость элиситорной активности от химической структуры. ЭА хитозана – предмет многочисленных исследований,
которые, в частности, показывают, что она может в значительной
степени зависеть от таких физико-химических характеристик,
как ММ или СП, а также СА [94–98]. Это связано, как уже упоминалось выше, со спецификой получения хитозана, так, как на
практике образец хитозана представляет собой не одно, а группу веществ, различающихся по СП, ММ, СА, [97, 98]. Другими
словами, в одном и том же образце хитозана могут содержаться
различные по своей элиситорной активности вещества. Причем
эта зависимость часто носит разнонаправленный характер, указывая порой на прямо противоположные тенденции в отношении связи между ЭА хитозана и его физико-химическими характеристиками. Кроме того, многое зависит от вида растений. Тем
не менее принято считать, что одну из наиболее важных ролей
для проявления ЭА хитозана играют ацетилированные остатки,
которые отвечают за связь этого биополимера со специфически-
28
ми рецепторами растений, так как в ряде случаев уменьшение
количества ацетилированных звеньев ниже определенного предела влечет полную потерю элиситорных свойств хитозана [96–98].
Таким образом, следует ожидать, что в каждом конкретном случае (вид растений, тип защитного отклика) могут существовать
некие оптимальные величины СА и СП, при которых значение
ЭА будет максимальным. Например, проведенные исследования
на картофе ле [110] позволили установить, что наибольшей ЭА
в отношении индуцирования защиты от возбудителя фитофтороза обладает хитозан с оптимальными значениями ММ и СА,
равными соответственно 5 кДа и 15%.
Образцы хитозана обычно делят на низкомолекулярные (ММ
чаще всего до 50 кДа) и высокомолекулярные. Так как ЭА может
сильно зависеть от вида растений, а также в связи с тем, что сами
защитные отклики могут быть разными (ФА, АФК, PR-белки
и т. д.) и не одинаково изменяться в ответ на обработку хитозаном,
то какой-либо единой общей зависимости ЭА от ММ для растений не было найдено. Заметим, что различия в тенденциях из-
менения ЭА отмечены как у низкомолекулярных, так и у высокомолекулярных хитозанов [4, 110, 113, 151, 160–162]. Так, в ра-
ботах [4, 110, 113, 150, 160] было обнаружено, что ЭА хитозана
возрастала с ростом его СП при обработке им картофеля, риса,
ямса, моркови, ячменя и табака. При этом ЭА у мономеров хитина и хитозана (глюкозамин и N-ацетилглюкозамин) отсутствует.
Похожая зависимость наблюдалась при изучении влияния
низкомолекулярного хитозана на инфекцию Х-вируса картофеля
в растениях картофеля [161], а также на вирус мозаики люцерны,
которым были заражены растения фасоли [162]. Однако в работе
[113] показано, что степень противовирусной устойчивости, индуцированной низкомолекулярным хитозаном, возрастала не
с ростом, а с уменьшением ММ хитозана или его СП. Такая же
тенденция была отмечена в работе [160], где наибольшей ЭА на
растениях риса в отношении некоторых грибных патогенов обладали имеющие наименьшую ММ образцы, а также в работе
[110], где обработка хитозаном картофеля давала максимальный
29
элиситорный эффект при использовании самого низкомолекулярного образца. Полученные результаты говорят о том, что
к оценке влияния различных физико-химических характеристик
хитозана на его ЭА следует подходить с осторожностью.
ЭА зависит от СА, так как характер взаимодействия хитозана с рецептором растительной клетки во многом определяется
СА. Проведенные на картофе ле и томатах исследования позволили установить, что наибольшей ЭА обладает хитозан с СА,
равной 15% [106, 110]. При этом в растениях обоих видов накапливались ФА, а уровень стероидов, необхо димых для жизнедеятельности грибов, сни жался [106]. В целом исследования последних лет позволили прийти к следующим выводам:
а) ЭА хитозана в основном обусловлена наличием остатков
N-ацетилглюкозамина, так как хитозан, у которого отсутствуют
ацетилированные остатки чаще всего не обладает (или обладает
очень слабой) ЭА, но с увеличением СА, т. е. доли остатков N-ацетилглюкозамина, элиситорная активность растет, доходит до максимума, а затем, при дальнейшем увеличении этой доли снова
уменьшается [96–98, 163];
б) ЭА хитозана определяется не только специфическим связыванием остатков N-ацетилглюкозамина с поверхностными рецепторами, но и неспецифическим взаимодействием остатков
глюкозамина с клеточными компонентами за счет аминогрупп
[94, 95, 106]. Деацетилированные остатки со своими аминогруппами влияют на растворимость высокополимерных молекул хитозана. Появляется все больше данных об ЭА деацетилированного хитозана. Действительно, хотя деацетилированный хитозан
(в отличие от ацетилированных аналогов) не индуцирует образование АФК в клетках ячменя и моркови [164], пероксидазную
активность в листьях пшеницы [165] и синтез ФА в клетках риса
[166], тем не менее полностью деацетилированные олигомеры
индуцируют хитиназную активность в клетках ямса [167] и риса
[168], экспрессию защитного гена в клетках риса [169], отложение лигнина в листьях пшеницы [165], фенилаланинаммонийлиазные и тирозинаммонийлиазные активности в листьях сои [170].
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]