Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Элиситоры и их применение в растениеводстве
.pdf
время для наиболее изученных взаимодействий растение – бак-
териальный патоген принята следующая модель болезнеустойчивости растений [268, 273, 303], моделирующая взаимодействия растение – патогенная бактерия, иллюстрирущая коэволюцию во взаимодействиях растение – патоген и постулирующая
две формы врожденного иммунитета растений (PTI и ETI).
1. Распознавание элиситоров (РАМРs) внеклеточными поверхностными рецепторными киназами (PRRs-рецепторами), которые
запускают базальный иммунитет PTI и осуществляют быструю
и достаточно эффективную защиту против инфекции.
2. Патогенная бактерия, используя свою систему секреции
типа III (TTSS), доставляет различные эффекторные белки, которые нацелены на белки растений и подавляют базальные иммунные PTI-отклики, позволяя накапливаться в растительном
апопласте значительному количеству бактерий.
3. R-белки растения распознают эффекторы бактериального
патогена и восстанавливают устойчивость за счет сильных иммунных ETI-откликов.
4. Патогены могут избегать распознавания продуктами R-генов и обходить проводящиеся R-генами защиты путем, например,
модификации своих распознаваемых эффекторов.
2.1.5. Системная устойчивость SAR и ISR
Как говорилось выше, в дополнение к врожденной устойчивости, растение может активировать и другой тип защиты, который
называется индуцированной или приобретенной устойчивостью
и часто действует системно во всем растении, характеризуясь
широким спектром активности. Индуцированная устойчивость
может быть локальной и системной. Локальная приобретенная
устойчивость – это устойчивость, приобретенная отдельными
клетками в локальной зоне контакта растение – патоген. В процессе индуцирования элиситорами локальных иммунных откликов, отдельные сигнальные молекулы из инфицированных
клеток могут распространить устойчивость на все растение, за-
пуская защитные отклики и в неинфицированных клетках рас-
61
тения и тем самым активируя системный защитный ответ, что
позволяет растению стать более устойчивым к последующим
атакам патогенов [304].
Таким образом, индуцированная устойчивость может появиться и в удаленных от места инфицирования клетках растения и даже в соседних растениях [16], подготавливая растения
к защите против будущих атак патогенов. Действительно, еще
в начале ХХ века было замечено, что растения, пережившие инфекцию, становятся более устойчивыми к последующему заражению, т. е. может происходит своеобразная вакцинация. Поэтому предварительная обработка растений (защитный прайминг)
абиотическими элиситорами, заражение патогенами, насекомыми-вредителями, полезными ризобактериями, а также поранение
тканей могут вызывать в растении системную устойчивость к последующим атакам патогенов и вредителей (прайм-состояние)
[10]. Например, такое прайм-состояние у растений может индуцировать его предварительная экзогенная обработка низкими дозами SA [305], JA [306], β-аминомасляной кислотой [307] и даже
летучими органическими веществами (VOCs, volatile organic
compounds), продуцируемыми растением в ответ на атаку насекомых-вредителей [308]. Следует сказать, что устойчивости растений к последующим атакам патогенов могут способствовать
многие из элиситоров, если их использовать для предварительной обработки (прайминга) путем опрыскивания растений и замачиванием корней или семян. Это явление может использоваться
в качестве превентивного метода контроля над болезнями. Заметим, что защитная индукция активируется, как правило, сразу
же после обработки элиситором, однако системная устойчивость
и способность отклика индуцированной устойчивости к последующим атакам патогенов обычно появляется и становится эф-
фективной через 1–2 дня после заражения растения или обработки его элиситорами и может поддерживаться в течение нескольких дней и даже месяцев, в зависимости от элиситора, растения
и патогена [309]. При этом элиситоры, как правило, наиболее эффективны, если они применяются к молодым метаболически активным тканям.
62
В настоящее время основное внимание уделяют двум видам
системной устойчивости: системная приобретенная устойчивость
SAR (systemic acquired resistance), индуцируемая патогенами
и отдельными абиотическими элиситорами, а также индуциро-
ванная системная устойчивость ISR (induced systemic resistance),
активируемая непатогенной микрофлорой [310, 311].
SAR. Еще в 1961 году обнаружили, что у растения табака после его предварительной обработки вирусом табачной мозаики
(TMV, tobacco mosaic virus) повышается устойчивость к вторичной инфекции в отдаленных тканях [312]. Таким образом, было
показано, что SAR позволяет всему растению подготовиться
к отражению будущей атаки вредителей. В настоящее время известно, что SAR может активироваться во многих видах растений
патогенами или обработкой некоторыми абиотическими элиситорами, а приобретенная таким образом устойчивость является
достаточно долговременной (иногда на протяжении всей жизни
растения) и эффективной против широкого спектра патогенов [313].
SAR обеспечивает повышенный и длительный системный
иммунитет к вторичному инфицированию патогенами и проводится с помощью зависимых от SA процессов, а значит зависит
от синтеза и накопления SA [314]. SAR характеризуется повышенной экспрессией большого числа PR-генов, причем кодируемые ими белки имеют антимикробные свойства. В общем, считается, что SAR – это, как правило, результат действия не какого-то
одного PR-белка, а совместного действия многих PR-белков. PRгены часто служат полезными молекулярными маркерами установившегося SAR. Кроме того, SAR часто проявляется через реакцию СЧ, сопровождающуюся некрозом в месте инфекции [315].
Ключевыми фитогормонами, регулирующими системную устойчивость, являются SA и JA [16]. В частности, SAR требует накопления SA, но SA сама по себе не является мобильным сигналом [11, 36, 303, 316, 317]. Предполагают, что индуктором SAR
является салициловая кислота. Интересно отметить, что сигнальная сеть SAR, оказывается, имеет существенное перекрывание с сигнальной сетью защиты, индуцируемой PAMPs, то есть
с PTI [303].
63
ISR. Взаимодействия растений с отдельными непатогенами
ризосферы часто приводят к индуцируемому системному ответу ISR и не сопровождаются гибелью клеток растения [74]. Элиситоры этих непатогенов распознаются рецепторами растения
и могут вызвать появление устойчивости против многих патогенов [12]. Существует значительное сходство между ISR и SAR [318],
однако в отличие от SAR, ISR развивается как результат колонизации корней растений непатогенными ризобактериями и не требует накопления SA, а проводится JA- или ЕТ-зависимым путем
[311, 319]. Этот тип индуцированной резистентности не ассоциируется с индукцией PR-белков. К тому же ISR в целом обладает
менее широким спектром антипатогенного действия [316].
В заключение данного раздела следует сказать, что за последние годы были достигнуты значительные успехи в исследованиях фитоиммунитета, которые позволили выявить различия
между PTI (базальной защитой, запускаемой РAMPs) и ETI (защита типа «ген на ген», индуцируемая эффекторами), предложить
модель взаимодействий растение – патоген по схеме «зигзаг»,
иллюстрирующей коэволюцию во взаимодействиях растение –
патоген и постулирующей две формы врожденного иммунитета
растений. Несмотря на очевидный рост наших знаний об имму-
нитете растений, молекулярные механизмы фитоиммунитета во
многом еще не ясны.
2.2. Распознавание элиситоров
За последние 10–15 лет достигнут значительный прогресс
в понимании механизмов, управляющих врожденным иммунитетом растений (см., например, [16, 273, 296, 320]). В частности, это касается процессов распознавания растениями некоторых экзогенных элиситоров, схожести с распознаванием таковых
животными [194, 264], раскрытии отдельных деталей процессов
сигнальной трансдукции, индуцируемых РАМРs [16] и эффекторами патогенов [197, 295, 296], установлении связи между двумя
связанными формами врожденного иммунитета растений (PTI
и ETI). Запуск иммунитета растений осуществляется через рас-
64
познавание элиситоров соответствующими рецепторами, роль
которых чаще всего выполняют рецепторные киназы c богатыми
лейцином повторами LRR (leucine-reach repeats)-RKs. При этом
PTI и ETI привлекают разные рецепторы: PRRs (pattern recognition receptors) и R(resistance)-белки соответственно [16, 273,
296, 321, 322]. Первый тип рецепторов (PRRs) представлен в ос-
новном трансмембранными белками с внеклеточным доменом,
имеющим богатые лейцином повторы аминокислотных последовательностей (LRR, leucine-rich repeat) или состоящим из лизиновых мотивов (LysM) [16, 298]. После распознавания результирующие сигналы трансдуцируются в цитозоль, запуская PTI.
PTI позволяет растениям распознавать различные патогены, используя ограниченный набор PRRs. В отличие от PRRs, второй
тип рецепторов, R-белки, являются, как правило, внутриклеточными рецепторами, распознающими либо структуру либо функцию различных эффекторов патогенов. Эффекторы кодируются
авирулентными генами (Avr-гены) патогенов, доставляются внутрь
клеток растения и, в общем, не являются консервативными молекулами, а, следовательно, R-белки кодируются широким набором R-генов [323]. R-белки в целом принадлежат семейству белков
NB-LRR (nucleotide-binding leucine-rich repeat; нуклеотид-связывающих с богатыми лейцином повторами), состоящих из нескольких доменов, каждый из которых может нести свои функции.
В данном разделе речь в основном пойдет о распознавании
растениями патогенов. Что касается распознавания насекомых,
то несмотря на то, что их долгое сосуществование (коэволюция)
с растениями выработало у насекомых множество различных
способов взаимодействий [183, 324], наши знания процессов распознавания растением насекомых (вернее элиситоров HAMPs
или DAMPs) пока остаются достаточно ограниченными [25, 325].
Тем не менее частично такую информацию часто получают из
сравнения схожести процессов взаимодействия растения с патогенами и травоядными насекомыми [194, 325, 326]. Таким обра-
зом, есть основания предполагать, что начальные события, касающиеся распознавания патогенов или травоядных насекомых,
очень похожи. Более того, так как PAMPs могут структурно
65
сильно различаться, а множество индуцируемых откликов во взаимодействиях растение – патоген и растение – травоядное имеют
много общего, то обычно предполагают, что основные процессы
распознавания растениями патогенов и травоядных насекомых
могут быть близкими [194, 325, 326]. Что касается исследований
белков, которые могли бы быть рецепторами HAMPs, то до сих
пор они были проведены только для такого элиситора, как волицитин (подробнее о защитных реакциях растения против травоядных насекомых см. раздел 2.3) [327].
2.2.1. Распознавание элиситоров в случае PTI
PTI является первой линией активной защиты и служит для
раннего предупреждения присутствия потенциальных патогенов
и активации защитных механизмов растения. PTI запускается
практически мгновенно после распознавания общих экзогенных
элиситоров PAMPs [16, 292, 264, 268, 286], которое происходит
прежде всего через образование комплекса элиситор – рецептор
[9]. Элиситоры грибов и бактерий взаимодействуют, чаще всего,
с участком трансмембранного рецептора, расположенным снаружи плазмалеммы [16], после чего последний может фосфорилироваться и изменить свою конформацию. Перенос сигнала на
внутреклеточный участок рецептора также может привести к изменению конформации этого участка и запуску реакций по активированию экспрессии связанных с защитой генов. Так как
у животных врожденный иммунитет тоже в значительной степени базируется на распознавании РАМРs [328], которое проводится Toll-подобным рецепторным семейством TLR, то существует много общего между распознаванием патогенов растениями и животными, в силу чего PTI растений часто сравнивают
с врожденным иммунитетом животных [16, 194, 226, 264, 329].
Например, бактериальный флагеллин, один из общих элиситоров
растений и животных, распознается в качестве РAMP (общего элиситора) LRR-доменом рецептора FLS2 (FLAGELLIN-SENSING2)
как растений [226, 284], так и Toll-подобными рецепторами TLR5
(FLS2 гомологичен семейству TLR) клеток позвоночных живот-
66
ных [330]. Заметим, что два вида рецепторов распознают высоко
консервативные, но разные части флагеллина [331].
Распознавание с помощью PRRs общих элиситоров PAMPs
запускает многочисленные отклики, ведущие к резистентности
растения, но в целом нельзя сказать, что они дают абсолютную
защиту, подобную реакции СЧ [285, 286]. Отклики, ассоциируемые с PTI, чаще всего включают мембранную деполяризацию
за счет сильных анионных потоков, зависящих от притока Ca2+
внутрь клетки растения, что приводит к резкому росту уровня
Ca2+, который требуется для активации кальций-зависимых белковых киназ [332]. Ключевой для PTI всегда рассматривалась
активация MAPK-каскадов, однако независимые от MAPK пути
также играют важную роль в PTI-сигналинге [285, 286, 333]. Так,
активация PRRs часто ведет к выработке АФК, индукции PRбелков, биосинтезу фитогормонов SA, JA, ET быстрым изменениям в экспрессии генов и укреплению клеточной стенки растения (запасение, например, в клеточной стенке каллозы – высокомолекулярного полимера β-(1,3)-глюкана) [298].
Рецепторы PRRs. PRRs в основном являются трансмембранными белками [16, 213, 298] с внеклеточным доменом, состоящим из LRR или лизиновых мотивов [16, 298], с которыми, чаще
всего, и связываются элиситоры. Однако в некоторых случаях
они могут локализоваться в цитоплазме [194, 213] и принадлежать либо к семейству RLK (receptor-like kinase), либо к RLP
(receptor-like protein). Вообще белки с доменом LRR не только
играют важную роль в иммунной системе растений [272], но
и регулируют множество процессов, связанных с их ростом и развитием, и составляют самую большую группу трансмембранных рецептороподобных киназ в растениях [334].
Растения обладают многочисленными PRRs. Геном арабидопсиса, например, кодирует более 600 RLKs и более 50 RLPs [335].
Хотя определенное количество PRRs было идентифицировано
[16, 298], но это лишь незначительная часть по сравнению с числом идентифицированных PAMPs. В любом случае до сих пор
не известны PRRs для подавляющего большинства PAMPs.
67
Рецепторы FLS2 и EFR. Двумя наиболее изученными PRRs,
распознающими взятые из патогенных бактерий PAMPs, являются такие рецепторы, как FLS2 (FLAGELLIN-SENSING 2)
и EFR(ELONGATION FACTOR RECEPTOR), представляющие
собой родственные LRR-RLKs (leucine-rich repeat receptor-like
kinases) – рецепторы для бактериальных белковых PAMPs, соответственно, флагеллина и фактора элонгации Tu (EF-Tu) [16, 194,
197, 213, 226, 298, 336]. Флагеллиновый рецептор FLS2, выделенный из арабидопсиса, был первым идентифицированным PRR
[226, 284]. Он принадлежит семейству LRRs, которые состоят из
внеклеточного домена LRR, трансмембранного домена с 28 LRRs
и цитоплазмического киназного домена [284, 337]. В большинстве видов растений FLS2 распознает белок флагеллин посредством выявления высококонсервативного эпитопа g22 (PAMP),
состоящего из 22 аминокислотных остатков и представленного
на N-конце флагеллина [38, 336], хотя в некоторых видах растений распознаются и другие домены [338]. Несмотря на то, что
точный сайт, связывающий лиганд g22, не определен, однако
известно, что FLS2 напрямую связывается с g22 [336]. В результате такого связывания FLS2 распознает бактериальный флагеллин и инициирует иммунный сигналинг путем быстрой ассоциации с другой LRR-RLK, ВАК1, создавая с ней рецепторный
комплекс FLS2-BAK1 [288, 339] (или говорят, что происходит
димеризация рецептора), который на основе положительной обратной связи регулирует функцию FLS2, а также действует как
корецептор для брассинолидного рецептора BRI1 [340]. Более
того, ВАК1 требуется для иммунных откликов, запускаемых не
только флагеллином, но и многими другими РAMPs, включая
бактериальный фактор элонгации EF-Tu, пептидогликаны, липосахариды, белок холодового шока [288, 298, 339]. То есть ВАК1
может образовывать димеры со многими PRRs. BAK1 принадлежит протеинкиназному семейству LRR, которое имеет 14 членов [337], а внутри этого семейства относится к малому подсемейству LRR-RLKs, названному SERKs (somatic embryogenesisrelated kinases) [213]. Это подсемейство состоит из 5 соматических,
связанных с эмбриогенезом, киназ SERKs. Заметим, что FLS2
68
и BAK1 не ассоциируются в неиндуцированных клетках, но образуют комплекс в течение 2 мин после обработки g22 [288].
Исследования показывают [288, 339], что BAK1 функционирует
как корецептор не только в сигналинге, индуцируемым брассинолидом, но и в сигналинге, индуцируемым другими PAMPs.
Пока, однако, остается неизвестным, как рецепторный комплекс
FLS2-BAK1 активирует внутриклеточные сигнальные каскады.
Фактор элонгации Tu (EF-Tu) представляет собой широко
распространенный и консервативный бактериальный белок [198].
PRR для EF-Tu – это LRR-рецепторная киназа EFR (EF-TU-рецептор) того же подсемейства, к которому принадлежит и FLS2
[197], но включает 21 LRRs, вместо 28 у FLS2 [337]. Доменная
структура EFR также сильно напоминает доменную структуру
FLS2 [197, 284], а именно: внеклеточный домен, трансмембранный домен и цитоплазмическая часть. Как и в случае FLS2, EFR
для поддержания своей функции ассоциируется с корецептором
BAK1, образуя комплекс EFR-BAK1 [213]. EFR распознает как
сам фактор элонгации Tu (EF-Tu), так и взятые из него эпитопы,
например, elf18, состоящий из 18 аминокислотных остатков. Ранее были идентифицированы высоко консервативные пептидные
фрагменты, соответствующие ацетилированному N-концу EF-Tu
и названные elf18 и elf26, распознавание которых достаточно
для запуска защитных РАМР-откликов, индуцируемых целым
EF-Tu в арабидопсисе и других членах семейства капустных
(Brassicaceae) [198].
Рецепторы для распознавания других элиситоров. Иденти-
фицированных PRRs пока еще очень мало. Тем не менее помимо
FLS2 и EFR предпринимались попытки идентифицировать PRRs
и для других PAMPs. Так, например, еще в 1997 году были выделены высокоаффинные связывающие сайты для трех хорошо
известных РAMPs (ксиланаза, хитин и глюкан) [341]. По своей
структуре они сильно отличаются от рецепторов FLS2 и EFR
[155, 281]. В мембранах петрушки и табака также были найдены
высокоаффинные связывающие сайты, соответственно, для пептидного элиситора Pep13 и некоторых элиситинов, но несмотря
на предпринимаемые усилия, они пока еще не были охарактери-
69
зованы на молекулярном уровне [214]. Наконец, было обнаружено [342], что внеклеточный домен RLK, названный WA K 1, и м е-
ет высокую аффинность к OGAs, из чего можно предполагать,
что WAK1 или его гомологи могли бы быть частью системы распознавания OGAs.
LRR-RK – главный класс PRRs-рецепторов у растений, однако это не говорит о том, что не могут существовать рецепторы
и других классов. В частности, привлекли внимание рецепторы,
относящиеся к белкам с лизиновыми мотивами (LysM) [213]. Например, распознавание фунгального хитина в рисе проводится
через высокоафинный связывающий сайт, названный CEBiP. Он
представляет собой RLP (receptor-like protein) с трансмембранным доменом и коротким цитоплазмическим хвостом, а также
с внеклеточным доменом, имеющим лизиновый мотив (LysM-рецепторная киназа), гомологичные последовательности которого
нашли и в некоторых других видах растений [155]. Наконец,
найден рецептор к вирусным PAMPs, названный NIK и относящийся к LRR-RLK белкам [343]. Сообщалось и о других PRRsрецепторах [344].
PTI-сигналинг. Инфицированная клетка растения распро-
страняет (трансдукцирует) сигнал опасности и запускает ответную иммунную реакцию с помощью различных путей [47, 53].
После распознавания, например, рецептором FLS2 элиситора g22,
последний быстро ассоциируется с уже упоминавшейся другой
рецептороподобной киназой BAK1, которая, как известно, димеризуется с брассинолидным рецептором BRI1 [288, 339], инициируя тем самым иммунный сигналинг. Известно также, что несколько MAP-киназ, включая MPK3, MPK4, MPK6, активируются
в арабидопсисе в течение нескольких минут после индуцирования посредством PAMPs [345]. Принято считать, что MAP-киназные каскады вовлекаются как в положительное, так и отрицательное регулирование PTI-сигналинга [345]. В дополнение
к MAP-киназам, распознавание PAMP быстро стимулирует несколько других молекулярных событий, включая продуцирование АФК, окиси азота NO и открытие ионных каналов.
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]