Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Элиситоры и их применение в растениеводстве
.pdf
Глава 2
ЭЛИСИТОРЫ И УСТОЙЧИВОСТЬ
РАСТЕНИЙ
В данной главе будут рассмотрены различные виды ассоциируемого с элиситорами иммунитета растений (раздел 2.1), распознавание элиситоров (раздел 2.2), основные защитные отклики растений, запускаемые в ответ на атаку фитопатогенов и травоядных насекомых, а также механические повреждения растений
(раздел 2.3).
2.1. Устойчивость растений
Растения широко распространены на Земле и каждое растение, как правило, является членом различных сообществ и окружено множеством других организмов, включая патогены, непатогены, травоядных насекомых, которые также очень широко
представлены в природе. Заметим, что несмотря на огромное количество и разнообразие фитопатогенов и травоядных насекомых
растения в основном вполне благополучно живут и развиваются.
Поэтому иногда говорят, что большинство растений имеют устойчивость к большинству потенциально патогенных микроорганизмов и насекомых [16, 264]. Тем не менее одной из серьезных
проблем сельского хозяйства является экономический ущерб,
наносимый культурным растениям фитопатогенами и травоядными насекомыми. В дополнение к ним растения в природе взаимодействуют и с непатогенным или полезным для них окружением, которые помогают им преодолеть абиотические и биотические стрессы. К такому полезному для растения окружению
можно отнести, например, ростостимулирующие ризобактерии
51
PGPR, микоризальные грибы, привлекающиеся запахами цветов
опылители (бабочки, осы и др.), естественные враги травоядных
насекомых, такие как хищники и паразитоиды, которых притягивают эмитируемые растением летучие вещества [74, 265, 266].
Чтобы эффективно бороться с патогенами и травоядными,
с одной стороны, и приспособиться к полезным организмам,
с другой стороны, растения в процессе эволюции развили системы распознавания биотической опасности, преобразования этого распознавания в соответствующие защитные сигналы, помогающие растению противостоять вредителям [25, 264, 267, 268].
Очевидно, способы, с помощью которых растения взаимодействуют со своим биотическим окружением, являются результатом
их совместной эволюции (коэволюции). При этом следует заметить, что способность растения откликаться на огромное разнообразие атакующих и полезных организмов является очень гибкой [269]. Сигнальные сети, которые активируются растением
в ответ на вредителей и полезные организмы чаще всего перекрываются. В целом выживание растений во многом зависит от эф-
фективности распознавания патогенов, силы защитных откликов
и быстроты их запуска, т. е. скорость и интенсивность защитных откликов имеют большое значение, так как если защитный
отклик слишком слаб или слишком поздно произошел, то растение может заболеть [264, 268].
2.1.1. Виды иммунитета растений
Культурные растения, как уже было сказано выше, постоянно подвергаются атакам широкого ряда патогенов и травоядных
насекомых, что вызывает значительные потери урожая. В ответ
на эти угрозы растения откликаются своим иммунитетом – сложной многоуровневой системой пассивных и активных защит [28].
Вообще иммунитет растений часто рассматривается как их полная, а устойчивость (резистентность) – как частичная невосприимчивость к вредителям, что практически и случается в реальных условиях. Фитоиммунитет, как известно, реализуется через
многие механизмы, разделяясь на врожденный иммунитет, дейст-
52
вующий до заражения или нападения насекомого и передающий-
ся по наследству (наследственная невосприимчивость, сформированная в результате длительной коэволюции), а также приобретенный (индуцированный) иммунитет, формирующийся
в процессе индивидуального развития растения в течение всей
его жизни под влиянием внешних биотических и абиотических
воздействий и не передающийся по наследству [270, 271].
Если врожденный иммунитет быстро распознает и запускает
защитные реакции против патогенов и насекомых, то включение приобретенной устойчивости требует времени. Приобретенная устойчивость не приводит к полному контролю над патогенами, однако чаще всего позволяет сократить число инфицирований или облегчить протекание заболевания. При этом ее отклики
могут появиться лишь через несколько дней после обработки,
а продолжительность защиты может занимать от нескольких дней
до нескольких месяцев в зависимости от конкретных элиситоров,
растений, патогенов и насекомых.
Врожденный фитоиммунитет, включающий целый ряд пассивных и активных защит, является достаточно сильным и широкоспекторным откликом растений [194, 264, 270, 271, 273].
Пассивные отклики обычно препятствуют внедрению патогена
и существуют независимо от того, атаковано растение вредителем или нет, т. е. определяются конститутивными особенностями
растения и присутствуют в тканях растения еще до заражения.
К ним относят различные механические особенности структуры
тканей, препятствующие проникновению патогенов (механические барьеры), и наличие в растительных тканях веществ с антибиотической активностью или недостаток важных для роста
и развития паразита веществ (химические барьеры). Активные
защитные отклики активируются только в ответ на атаку вреди-
телей, контакт с их элиситорами и проявляются в виде комплекса
защитных реакций. К ним обычно относят реакцию сверхчувствительности, образование фитоалексинов, активацию и изменение деятельности ферментных систем и накопление других
веществ, обеспечивающих устойчивость растения. После атаки
патогенов и насекомых может наблюдаться также повышение
53
уровней химических соединений, уже имеющихся в здоровых
растениях конститутивно. В частности может увеличиваться эмиссия летучих веществ. Все это приводит к замедлению распространения патогенов и вредителей, предотвращению болезни растения, гибели вредителей, в том числе из-за привлекаемых индуцируемыми летучими веществами хищников и паразитоидов.
Кроме того, в процессе инфицирования может происходить биосинтез дополнительных механических барьеров, в частности,
отложение в клеточных стенках растений лигнина. В результате
повышается механическая прочность их покровных тканей и тем
самым ограничивается способность проникновения вредителей.
Подобно животным растения в основном полагаются на механизмы врожденного иммунитета, так как он является более
общим и отвечает защитными откликами на широкий ряд фитопатогенов [9, 16, 194, 264, 268, 272, 273]. Современное понимание
врожденного фитоиммунитета основывается на двух его главных составляющих (см., например, [264, 268, 274]): базовой
(базальной) устойчивости PTI (PAMPs triggered immunity), индуцируемой растением в ответ на общие для многих микроорганизмов элиситоры PAMPs, и устойчивости ETI (effector triggered
immunity), активируемой специфическими элиситорами (эффекторами патогенов) и основанной на использовании при распознавании R-генов. Их часто называют соответственно неспецифической (общей, базальной) устойчивостью и специфической
устойчивостью (резистентность «ген на ген»). Первая составляющая (PTI) запускается путем распознавания поверхностными
рецепторами PRRs (Pattern Recognition Receptors) [275] характерных для «чужака» и общих для всего вида элиситоров PAMPs
[58]. Распознавание PAMPs приводит к иммунному ответу PTI,
который часто рассматривается как древняя форма иммунитета
растений, включает широкий спектр защитных реакций и действует как первая линия индуцированной защиты против различных патогенных микробов [264, 268], хотя PTI относительно статичен и эффективен для ограниченного набора патогенов. Вторая
составляющая (ETI) – специфическая система отликов на секретируемые эффекторы паразита. Их распознавание осуществля-
54
ется R-белками (NB-LRRs-белки, см. раздел 2.2). Из-за того, что
эти защитные отклики требуют наличия как специфического
гена (авирулентного Avr-гена) в патогене, так и соответствующего R-гена у растения, этот тип устойчивости был назван «ген
на ген» [276].
Оба типа устойчивости (PTI и ETI) качественно сходны, однако ETI, как правило, развивается гораздо быстрее, а активируемые иммунные отклики в ETI, по сравнению с PTI, более сильные и продолжительные, поэтому обычно считается, что ETI более эффективен, чем PTI [276]. ETI часто ассоциируется с гибелью
клеток, окружающих инфицированную область (реакция СЧ). Различия в транскрипционной активации генов являются скорее количественными и временными: сигналы, зависящие от R-генов, –
более быстрые, сильные и скоротечные по сравнению с менее
сильными и замедленными в случае PTI [276].
Следует сказать, что некоторые исследователи рассматривают эти две формы (PTI и ETI) как единую форму фитоиммунитета [16, 54, 269, 278], т. е. считают, что разделение элиситоров
на PAMPs и эффекторы, рецепторов – на PRRs и R-белки и, таким образом, врожденного иммунитета растений на PTI и ETI
не может быть слишком строгим, а скорее существует, как пред-
полагается в работе [279], некий континиум между PTI и ETI.
Действительно, несмотря на то, что обычно PAMPs рассматриваются как неспецифические (общие) элиситоры, а эффекторы как
специфические элиситоры, тем не менее отдельные эффекторы
могут быть широко распространены, тогда как этого не скажешь
о некоторых PAMPs. Кроме того, как эффекторы могут вызывать
защитные отклики, так и PAMPs могут быть востребованы для
вирулентности. Заметим также, что данные по генной экспрес-
сии говорят о существовании значительного перекрывания между защитными откликами, индуцируемыми PAMPs, эффекторами и эндогенными элиситорами [280]. В своем защитном отклике растения, как предполагают авторы [16, 54, 269, 277–279], не
дискриминируют РAMPs, DAMPs или эффекторы, берущиеся из
бактерий, грибов или оомицетов. Скорее распознавание этих
сигналов запускает одну и ту же стереотипную защитную про-
55
грамму, хотя и с кинетическими и количественными различиями в индукции: отклик, индуцированный эффекторами, часто
оказывается сильнее и продолжительнее, чем отклик, индуцируемый РAMPs или DAMPs [280]. Кроме того, отклик на эффекторы обычно приводит к реакции СЧ, в то время как РAMPs или
DAMPs обычно не вызывают клеточную смерть. Однако это не
является общим правилом, так как некоторые РAMPs все же индуцируют сверхчувствительный отклик [281], тогда как некоторые R-гены обеспечивают защиту без сверхчувствительного отклика [282].
Таким образом, вместе с пассивными защитами вся совокупность отдельных защитных реакций, вызванных как PTI, так и ETI,
является слагаемым фитоиммунитета и в сумме определяет устойчивость растения. Речь, конечно, идет о сумме взаимодействую-
щих друг с другом реакций.
2.1.2. Неспецифический иммунитет PTI
Отклики врожденного неспецифического иммунитета PTI
коллективно подавляют рост большинства проникших микробов.
У растений, как и у животных, он запускается после распознавания клеткой растения общих элиситоров PAMPs [9, 16, 268]. Это,
как говорилось в первой главе, консервативные молекулы, которые широко распространены у паразитов и часто совершенно
необходимы для них. Кроме того, при взаимодействии растение –
патоген PTI-отклики могут активироваться также эндогенными
элиситорами DAMPs. Более того, в редких случаях PTI может
индуцироваться и эффекторами патогенов [283]. Сигналы, поступающие от РAMPs, распознаются клеткой посредством PTI-рецепторов PRRs (рецепторные киназы с богатыми лейцином повторами аминокислотных последовательностей LRR-RK, leucinerich repeat-receptor kinase) [284], запускающие каскад защитных
откликов, который может включать МАР-киназную активность,
транскрипцию связанных с защитой генов и другие [264] и позволяет контролировать неадаптированных к PTI патогенов.
56
Приблизительный временной ход и последовательность сигнальных событий, происходящих после распознавания РAMPs
рецепторами PRRs, описывают следующим образом [16, 285, 286]:
после краткой (до 2 мин) задержки происходят наиболее ранние отклики на РAMPs – ощелачивание внеклеточной среды
(апопласта) из-за изменения ионных потоков через плазмамембрану [6, 193]. Эти изменения включают повышенный приток
Ca2+ из апопласта, быстрый рост в цитоплазме концентрации
Ca2+, а также соответствующий отток анионов. Ca2+ может служить вторичным мессенджером для открытия других мембранных каналов [199] или активации кальций-зависимых протеинкиназ [287], передающих сигналы в процессе фосфорилирования.
Другим очень ранним откликом на РАМРs, с задержкой примерно в 2 мин, является резкий рост уровня АФК, т. е. происходит
так называемый окислительный взрыв [288]. АФК для защиты
растения могут действовать как антимикробные соединения напрямую. Кроме того, АФК могут выступать в качестве вторичных
сигналов для индуцирования других защитных откликов [61, 289].
Ранним откликом на РAMPs является также активация MAPKкаскадов (задержка в 1–2 мин и пик через 5–10 мин [37, 232]).
Активация MAPK сопровождается изменениями в белковом фосфорилировании. Через несколько минут у многих белков наблюдается повышенное фосфорилирование [290];
далее идут отклики, происходящие в пределах 30 мин. Так,
обычно через 10 мин после обработки растения PAMPs активируется синтез стрессовых гормонов. В частности, в пределах получаса происходит повышение выработки этилена [291]. Наконец, примерно в это же время происходит активация связанных
с патогенезом генов. Так, обработка арабидопсиса элиситорами
g22 и elf26 вызывает в течение 30 мин индукцию около 1000
генов [197];
наконец, следуют отклики, наблюдающиеся через несколько
часов или даже дней после активации PRRs. Например, может
активироваться синтез и накопление каллозы [264, 268] или ингибирование роста проростков [189].
57
PTI важен для растений тем, что он защищает растение от
широкого спектра потенциальных неадаптированных патогенов,
но адаптированные к защитным PTI-откликам патогены развили способы преодоления этой активной защиты (PTI) за счет ее
обхода или подавления своими эффекторами, доставляемыми
в клетки растения. Однако растения в процессе эволюции для
противодействия адаптированным патогенам выработали другую линию обороны: форму врожденного иммунитета, известную
как ETI.
2.1.3. Специфический иммунитет ETI
Неспецифический клеточный иммунитет PTI далеко не всег-
да может обеспечить защиту растения от патогенов, выделяющих
эффекторы, так как многие из них в процессе коэволюции, как
уже говорилось выше, научились преодолевать защитные отклики PTI с помощью своих эффекторных белков. Действительно, успешные патогены для преодоления РTI развили ряд способов, таких как доставка в клетку растения эффекторов, например, секретируемых бактериальной системой типа III (TTSS или
T3SS, type-three secretion system), которые могут специфически
подавлять отклик иммунитета РTI [292]. В свою очередь, коэволюция способствовала появлению у растений генов устойчивости (R-гены), которые кодируют белки (R-белки), распознающие
эффекторы патогена и индуцирующие другой способ иммунной
защиты: иммунитет ETI [264, 268]. В этом случае эффекторы
выступают в роли специфических элиситоров. Можно сказать,
что специфичность врожденной иммунной системы растений
обеспечивается R-белками, при этом чем меньше R-генов имеется у растения, тем больше вероятность преодоления патогенами
PTI-устойчивости. Таким образом, ETI основывается на высокоспецифическом (прямом или непрямом) взаимодействии эффекторов патогена и продуктов R-генов. В большинстве случаев
R-гены кодируют R-белки класса NB-LRR (nucleotide binding –
leucine-rich repeat, NB-LRR-рецепторы), цитоплазмические белки
с ядерным связывающим сайтом (NB) [293].
58
Напомним, что активируемые иммунные отклики ETI происходят быстрее и являются более пролонгированными и сильными, чем отклики PTI [268, 276], так как среди защитных откликов ETI обычно индуцируется сильный тип защитной реакции,
названной реакцией СЧ, характеризующейся быстрой клеточной смертью в месте патогенной инфекции и, соответственно,
локальным некрозом [294]. Однако иммунитет ETI, как правило,
ассоциируется не только с таким откликом, как реакция СЧ, но
и с системной приобретенной устойчивостью SAR (см. ниже
в этом разделе). Наконец, с точки зрения эволюции, как предполагают многие исследователи (хотя есть и другая точка зрения),
ETI, по сравнению с PTI, развился у растений позднее как результат своеобразной «гонки вооружений» (развитие все более новых средств защиты и, соответственно, нападения) между растениями и патогенами [268, 295]. В целом совокупность обеих
составляющих врожденного иммунитета растений, PTI и ETI,
эффективна в борьбе против патогенов.
Распространение (трансдукция) распознанного R-белком сигнала опасности зависит от патогена или вредителя (биотрофные
паразиты, некротрофные паразиты, насекомые-вредители, ризосферные бактерии и др.) и может происходить различными путями [16, 268, 295, 296]. В общем, несмотря на интенсификацию
исследований функций эффекторов и R-белков (NB-LRR-рецепторов), точный механизм R-белковой активации и последующий
сигналинг в случае ETI остается в основном не ясным. Тем не
менее структурные исследования доменов NB-LRR-белков показали, что одним из основных факторов активации защитного
сигналинга является рецепторная олигомеризация [273]. Кроме
того было показано, что некоторые NB-LRRs могут активировать сигналинг, находясь в цитозоле, тогда как другие – в ядре
[297]. Наконец следует сказать, что ETI, запускаемый с помощью
R-белков, проводится чаще всего с использованием сигнального
пути, связанного с таким фитогормоном, как SA, который требуется, в основном, против биотрофных патогенов. Фитогормон JA
также продуцируется в ответ на атаку патогена или поранение
и необходим для защиты против некротрофных патогенов [298].
59
Несмотря на наличие общих составляющих защитных откликов,
таких как, например, активные формы кислорода, защитные реакции в ответ на заражение биотрофными паразитами, с одной
стороны, и некротрофами, насекомыми, а также защитные реакции на механические повреждения, с другой стороны, протекают
разными сигнальными путями.
Необходимо заметить также, что между двумя видами иммунитета существует взаимное влияние (сrosstalk), проявляемое через подавление или усиление PTI [299]. Лежащие в основе этого
явления механизмы пока в основном неизвестны, хотя обычно
предполагают, что ETI-иммунитет усиливает PТI-иммунитет [300].
2.1.4. Модель болезнеустойчивости растений
Чтобы выжить растения распознают патогены и отвечают различными защитными откликами на их атаку. Патогены, в свою
очередь, развили определенные контротклики на эти защиты
растения, что сделало необходимым для растений распознавать
специфические эффекторы различных патогенов и развить свои
специфические отклики [12, 301]. После идентификации первого
элиситорного рецептора FLS2 [284] и микробных эффекторов,
которые подавляют PTI-отклики [302], стало очевидным, что оба
типа защиты (PTI и ETI) взаимосвязаны и каждый из них вносит
свой вклад в иммунитет растений. Была предложена zigzag-модель,
иллюстрирующая действие врожденного иммунитета в процессе
взаимодействий растение – патоген [268]. Согласно этой модели
рецепторы клеточной поверхности PRRs, которые распознают
PAMPs, индуцируют иммунитет PTI. Успешные патогены в процессе эволюции приобретают способность распознавать соответствующие рецепторы растительной клетки и преодолевать PTI
посредством секретируемых ими эффекторов, которые подавляют PTI-отклики, приводя к запущенной эффекторами чувствительности. Однако выработанные коэволюцией растений и микроорганизмов R-гены и кодируемые ими R-белки могут, в свою
очередь, распознавать эффекторы адаптированных патогенов
и индуцировать иммунную защиту ETI. Таким образом, в настоящее
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]