Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Элиситоры и их применение в растениеводстве
.pdf
системную устойчивость SAR [74, 312–315]. Следует при этом
заметить, что SA не является единственной сигнальной молеку-
лой SAR и индуцирует SAR далеко не у всех растений [16].
Жасмоновая кислота. Особую роль в устойчивости расте-
ний играет JA, а также ее производные, конъюгаты и циклические прекурсоры, коллективно названные жасмонатами (JAs),
которые регулируют различные отклики растений на воздействия окружающей среды, а также необходимы для некоторых
процессов роста и развития [379, 380]. JA была найдена в 1960-х гг.
в эфирных маслах цветов жасмина (Jasminum sp.). Затем было
обнаружено, что она содействует увяданию, ингибированию роста растений, обладает элиситорными свойствами в различных
видах растений и другими биологическими эффектами [380, 381].
В настоящее время JA-сигналинг рассматривается как ключевой
для индуцирования защитных откликов на поранение, взаимодействия с некротрофными патогенами, насекомыми, против
абиотических стрессов [382]. Жасмонаты могут выступать в качестве важных промежуточных элементов трансдукции сигнала, участвующих в экспрессии защитных генов при патогенезе
и механическом повреждении [254], индуцируют образование
ингибиторов протеиназ (PI) [383] и некоторых других защитных
откликов. Наконец, JA и ее метилированное производное МеJA
являются важнейшими молекулами системной сигнализации
[17, 380, 384]. Заметим также, что одной из особенностей JA-сигналинга является то, что растения могут трансформировать JA
в его летучий функциональный аналог MeJA, который может
функционировать в качестве сигнала коммуникации между растениями [385]. Действительно, поскольку MeJA является летучим
соединением, он подобно этилену, предположительно, может
осуществлять аллелопатические взаимодействия между растениями или их органами, участвуя, например, в передаче сигнала
опасности через атмосферу.
Биосинтез JA происходит через октадеканоидный путь и берет начало с линоленовой кислоты [386]. Параллельно этому
пути в арабидопсисе может существовать и гексадеканоидный
путь [387]. Первыми циклическими соединениями в биосинтезе
81
JAs являются 12-оксофитодиеновая кислота (OPDA, 12-oxo-phytodienoic acid) и dinor OPDA (dnOPDA), которые последовательно
восстанавливаются до циклопентанонов и окисляются до JA.
Интенсивные исследования последних лет продвинули наши представления о роли и механизмах действия жасмонатов [380, 382,
388]. Жасмонатный сигналинг, как правило, не функционирует
в растениях независимо, а интегрируется в комплексную сигнальную сеть [382].
Этилен. Этилен является газообразным растительным гор-
моном, который, в целом, обладает сходным с JA действием на
растение [389]. Он регулирует многие процессы развития (созревание фруктов и увядание растений), а также вовлекается в защитные реакции в ответ на биотические и абиотические стрессы
[390], индуцируя биосинтез некоторых PR-белков и ФА, а также
путем стимулирования фенилпропаноидного пути активирует
укрепление клеточных стенок различных растений. А в случае
если сигналинг запущен полезными ростостимулирующими ризобактериями и грибами, то EТ, как и JA, может выступать в качестве регулятора индуцированной системной устойчивости
ISR [390].
Таким образом, можно сказать, что фитогормоны SA, JA, EТ
играют важные роли в регулировании сигнальных сетей, вовлеченных в защитные отклики к широкому ряду биотических
и абиотических стрессов. Несмотря на наличие многочисленных
исключений [391], в общем принято считать, что биотрофные
патогены чаще всего более чувствительны к индуцированным
защитам, проводимым SA, тогда как некротрофные патогены
и травоядные насекомые более чувствительны к индуцированным защитам, проводимым JA и EТ [175, 265, 392]. Другими словами, салицилатный сигнальный путь в основном индуцируется
в ответ на атаку биотрофных патогенов, тогда как жасмонатный
и этиленовый сигнальные пути главным образом активируются
в ответ на атаку некротрофных патогенов и травоядных насекомых. А наличие исключений из этого правила часто связано
с существенной ролью в результирующих защитных откликах
взаимодействий (перекрываний, crosstalk) между JA-, EТ- и SA-
82
путями. Наконец, следует сказать, что в настоящее время есть
исследования, показывающие, что SA и JA являются важными
сигнальными молекулами не только при взаимодействии надземной части растения с патогенами, но и при корневом инфицировании [393], а также в проведении индуцируемых защит не
только против патогенов и травоядных насекомых, но и против
других растений, являющихся паразитами [394].
Взаимодействие различных сигнальных путей. В природе
растения часто подвергаются атаке не одного, а нескольких организмов, при этом защитные отклики, индуцируемые одним
организмом, из-за наличия других вредителей могут быть изменены. Так, через системную индукцию защитного метаболизма
атака под землей может повлиять на результаты атаки вредителя
на надземные части растения и наоборот [395]. Или наличие микоризы, например, может повлиять на взаимодействия между
растениями и травоядными насекомыми, а также их паразитическими осами [396]. Более того, атака одного вида насекомого
может влиять на успех атаки насекомого другого вида [397].
В природе растения подвергаются воздействию своего есте-
ственного окружения, имея дело с одновременным или последовательным взаимодействием со многими микроорганизмами,
травоядными насекомыми и растениями-паразитами, что может
сильно повлиять на результирующий набор его защитных откликов [277, 398]. В некоторых взаимодействиях защитные отклики
усиливаются после атаки другого организма, тогда как в других
случаях наоборот может происходить ингибирование сигналов.
Следует отметить, что изучение устойчивости растений при
совокупном действии многих стрессоров является одной из сложнейших проблем. Встает вопрос, каков результат одновременного действия различных биотических и абиотических факторов
и какое влияние они вместе могут оказать на устойчивость растения. Действительно, при исследовании механизмов защитных
откликов растения чаще всего рассматривают его индивидуальные взаимодействия с патогеном, полезными микроорганизмами, травоядным насекомым или с каким-либо конкретным абиотическим фактором. Чтобы адаптироваться ко всему многооб-
83
разию своего окружения в процессе коэволюции растения развили различные механизмы взаимодействия между сигналингами
в ответ на различные стрессы, т. е. развили механизмы распознавания, трансдукции и взаимодействия сигналов, позволяющих давать оптимальный результирующий отклик на окружающие условия [264, 268, 399]. Оказывается, растения для коорди-
нации своей защиты могут определенным образом интегрировать
эти сигналы путем регуляции ключевых метаболических путей.
Очевидно, что для эффективного адаптирования к изменениям
в своем окружении, вносимым многочисленными биотическими
и абиотическими стресс-факторами, растения нуждаются в определенных регуляторных механизмах. Перекрывание между различными индуцированными сигнальными путями как раз и дает
возможность растению проводить такую регуляцию. Защитные
сигнальные пути, активируемые во время взаимодействий растений с насекомыми-вредителями, патогенами и полезными микробами, а также другими стресс-факторами, показывают высокую степень перекрывания. Считается, что такое перекрывание
помогает растению минимизировать энергетические затраты
и создавать гибкую сигнальную сеть, которая позволяет провести настройку своего защитного отклика против напавших вре-
дителей, а также решить, какому способу защиты следовать в зависимости от типа стрессора [277, 400].
Вопрос механизмов совокупного действия различных факторов окружающей среды, каким образом растения интегрируют
сигналы, индуцируемые множественными организмами в соответствующий результирующий отклик, или каким образом системы сигнальных путей, запущенные различными стресс-факторами, взаимодействуют между собой, представляет сложнейшую проблему, до сих пор остающуюся в значительной степени не ясной, несмотря на достаточно большое число работ, посвященных этой теме (см., например, [277, 301, 401]). В настоящее время существует немало исследований, показывающих,
что гормональные сигнальные пути, регулируемые SA, JA, EТ
и ABA, играют важнейшие роли во взаимодействии между сигналингами биотических и абиотических стрессов [289, 372, 398,
84
402, 403]. Заметим, что ABA – фитогормон, который вовлекается в отклики на такие абиотические стрессы, как засуха, низкая
температура, осмотический стресс. В отличие от этого, фитогормоны SA, JA и ET играют центральные роли в сигналинге
биотического стресса на патогены и насекомых-вредителей. При
этом обнаружено, что SA-, JA- и ЕТ-пути могут взаимодействовать как синергически, так и антагонистически [400, 404]. Та к,
гусеницы насекомого-вредителя Pieris rapae (репница), которые
стимулируют продуцирование JA и ЕТ в арабидопсисе, запускают
защитный отклик, который воздействует не только на поведение
насекомого, но также обеспечивает повышение защиты против
микробных патогенов Pseudomonas syringae, Xanthomonas cam-
pestris и вируса Turnip crinkle [405]. Одним из наиболее охарак-
теризованных примеров, связанных с взаимодействием сигнальных путей, является таковое между путями защитного отклика,
зависимыми от SA и JA [400]. Хотя большинство исследований
говорят о взаимно антагонистическом отношении между SA-
и JA-зависимым сигналингами (см., например, [277, 406]), синергические взаимодействия также были описаны [407]. В последние годы появилось немало работ, посвященных взаимодействиям между JA- и SA-, JA- и ET-, а также SA- и ET-сигналингами
(смотри, например, [301, 319, 408, 409]).
Таким образом, защита растений регулируется сложными
сигнальными путями, вовлекающими SA, JA и EТ, между которыми наблюдаются как синергизм, так и антагонистические взаимодействия, что ведет к тонкой настройке результирующего
защитного отклика, оптимального для окружающих растения
условий [400]. Получается, клетки растений наделены вырабо-
танной в процессе коэволюции системой взаимодействующих
сигнальных путей, которые могут действовать как независимо
друг от друга через изолированные SA-, JA- или EТ-зависимые
пути, так и совместно, сообщаясь между собой и используя различных посредников в передаче сигнала.
В заключение данного раздела следует отметить, что хотя
прогресс в исследованиях процессов распознавания растением
патогенов и насекомых за последние 10–15 лет очевиден, наши
85
знания механизмов распознавания PAMPs, DAMPs и эффекторных белков все еще остаются достаточно ограниченными. Тем
не менее мы можем сделать некоторые выводы по разделу.
1. Две формы иммунитета (PTI и ETI) привлекают различающиеся рецепторы, соответственно PRRs и R-белки. Первый
тип рецепторов (PRRs) распознает общие экзогенные элиситоры
PAMPs и обычно представляет собой трансмембранный белок
с внеклеточным доменом, состоящим из LRR или лизиновых
мотивов. PRRs в отдельных случаях могут локализоваться в цитоплазме. PTI позволяет растениям распознавать различные патогены, используя ограниченный набор PRRs. Большинство R-белковых рецепторов локализуются внутриклеточно в цитоплазме
и распознают специфические патогенные эффекторы, которые
доставляются внутрь клеток хозяина. Однако R-белки некоторых растений наряду с цитоплазмической локализацией могут
находиться и в самом ядре. В отличие от PRRs, R-белки специализируются на распознавании различных эффекторов, которые
в общем не являются консервативными белками, т. е. R-белки
определяют специфичность иммунной системы растений.
2. Распознавание эффекторов с помощью R-белков может иметь
прямой или непрямой характер, т. е. может идти путем высокоспецифического прямого или непрямого взаимодействия. При
непрямом взаимодействии R-белки растения мониторят изменения или целостность компонент иммунной системы PTI, а возмущения или разрушения этих компонент эффекторами могут
запустить активацию R-белков и, соответственно, ETI. Распознавание R-белками эффекторов патогена обычно ведет к такому
сильному типу защитной реакции, как реакция СЧ. R-белки
и эффекторы кодируются соответствующими генами растения
(R-гены) и патогена (Avr-гены). Считается, что патогены, содержащие Avr-гены, авирулентны для растения, несущего соответствующие R-гены, тогда как патогены, не несущие такие R-гены
вирулентны.
3. R-белки в целом принадлежат семейству белков NB-LRR,
состоящих из нескольких доменов, каждый из которых может
иметь свои функции. Подавляющее большинство R-белков вклю-
86
чают самый крупный LRR-домен, центральный нуклеотид-связывающий субдомен NB, а также вариабельный протеинкиназ-
ный участок.
4. Фитогормоны SA, JA, EТ играют важные роли в регулировании сигнальных сетей, вовлеченных в защитные отклики
к широкому ряду биотических и абиотических стрессов. Несмотря на наличие многочисленных исключений, в общем принято
считать, что биотрофные патогены чаще всего более чувствительны к индуцированным защитам, проводимым SA, тогда как
некротрофные патогены и травоядные насекомые более чувствительны к индуцированным защитам, проводимым JA и EТ.
А наличие исключений из этого правила часто связано с существенной ролью в результирующих защитных откликах взаимодействий (перекрываний) между JA-, EТ- и SA-путями.
2.3. Защитные отклики растений
2.3.1. Основные виды защитных откликов
Растения в ответ на атаку патогенов и травоядных насекомых запускают свою систему фитоиммунитета (PTI и ETI), что
приводит к индуцированию различных защитных откликов, способных подавлять вредителей, инактивировать их токсины и экзоферменты за счет прямых (нанесение повреждений клеточным
стенкам вредителей своими собственными растительными ферментами [167], ингибирование разрушительных энзимов, вырабатываемых вредителями [410]) и непрямых (привлечение врагов вредителей: хищников и паразитоидов) механизмов. Обычно
к защитным откликам растений относят усиленную выработку
активных форм кислорода [30, 31, 191, 306], экспрессию PR-генов
и синтез соответствующих PR-белков [26, 27, 32–34], выработку
фитоалексинов [5, 13–19, 22], индукцию реакции СЧ [28, 29, 34,
195, 411], активацию процессов лигнификации и суберинизации
[20, 21, 23, 24, 412]. Некоторые из этих защитных откликов имеют место во время установления симбиотических отношений
между растениями и полезными микроорганизмами, в частности,
87
ризобактериями [413]. Таким образом, в результате распознавания элиситоров у растения меняется метаболизм, что приводит
к дополнительным механическим и химическим барьерам для
паразитов и вредителей. Как уже говорилось выше, главным химическим фактором, обусловливающим устойчивость растений,
долгое время считались фитоалексины. Однако сейчас ФА рас-
сматриваются лишь как одна из составных частей защитного ответа. Наконец, хорошо известно, что обработка растений элиси-
торами может привести к системной устойчивости в отношении
последующих атак патогенов [36, 268, 311].
Заметим, что защитные реакции на ранних стадиях (upstream)
чаще всего проходят последовательно одна за другой, и если патоген своими метаболитами подавит одну реакцию, то может
остановиться дальнейшее развитие защитного отклика. Многие
реакции на поздних стадиях (downstream) протекают практически в одно и тоже время, но преимущественно по многим направлениям. Может также наблюдаться регулирование по принципу
обратной связи, когда продукты более поздних реакций тормозят или усиливают предыдущие. Кроме того, между отдельными
путями реакций может происходить перекрывание и, соответственно, взаимовлияние (crosstalk), а ход защитной реакции после этого может развиваться пока трудно предсказуемым образом.
Понятно, что при взаимодействии различных растений с патогенами и насекомыми каждой взаимодействующей паре соответствует свой спектр защитных реакций. При этом очень многое
для выживания растения зависит от скорости и интенсивности
защитных откликов, так как если отклик растения является слишком слабым или запоздалым, то инфицирования, скорее всего,
нельзя будет избежать.
Как уже говорилось в подразделе 2.1.2, распознавание с помощью рецепторов PRRs общих элиситоров PAMPs запускает многочисленные PTI-отклики, являющиеся одними из наиболее ранних ответных реакций клеток растений. Отклики, ассоциируемые с PTI, чаще всего включают мембранную деполяризацию,
активацию MAPK-каскадов, выработку АФК, биосинтез таких
фитогормонов, как SA, JA и ET, индукцию PR-белков и другие
88
механизмы предотвращения проникновения патогенов [16, 77, 264,
268, 285, 286, 298, 333]. Часть из этих защитных откликов ведет
к устойчивости растения, но в целом нельзя сказать, что они
дают абсолютную защиту, подобную реакции СЧ [285, 286].
Реакция сверхчувствительности (реакция СЧ). PAMPs сиг-
нализируют о ранних этапах атаки патогенов или травоядных насекомых, а индуцируемые ими PTI-отклики не всегда способны
справиться с патогенами. А вот прямое либо непрямое распознавание R-белками эффекторов патогена, индуцирующее ETI-отклики, обычно приводит к сильной и более продолжительной защитной реакции – реакции СЧ [268], характеризующейся быстрой клеточной смертью в месте инфицирования и локальным
нек-розом, ограничивающим распространение патогенов [295].
Действительно, появление локальных некрозов является внешним проявлением реакции СЧ в ответ на заражение устойчивых
сортов растений патогенами, питающимися живыми клетками,
так как мертвые клетки изолируют патогены от живых клеток, что приводит к их гибели. Реакция СЧ представляет собой
один из наиболее сильных защитных откликов, индуцируемых
многими патогенами, причем ее скорость и интенсивность для
различных пар растение – патоген может сильно варьироваться.
Следует отметить, что, несмотря на большое количество исследований (см., например, [22, 414]), механизм этой реакции пока
полностью не выяснен. Заметим, что РAMPs или DAMPs обычно не вызывают клеточную смерть, хотя отдельные РAMPs все
же индуцируют сверхчувствительный отклик [281].
Активные формы кислорода (АФК). Действие биотических
или абиотических элиситоров и их распознавание часто приводит к повышению интенсивности дыхания растений и тем самым
активизируются различные окислительные ферменты, многие
биохимические процессы с участием молекулярного кислорода,
в том числе различные окислительно-восстановительные реакции, в которых важное место занимает не только молекулярный
кислород, но и получающиеся из него АФК [26, 415]. Они обладают высокой реакционной способностью и способны разрушать
все типы биомолекул [415]. Исследователи давно заметили связь
89
между активностью протекающих в клетках растений окислительных процессов и устойчивостью растений к болезням. Таким
образом, клетки растений могут (но не всегда) отвечать на действия опасных для них биотических и абиотических факторов
резким увеличением выработки АФК, т. е. окислительным взрывом [26]. К числу основных АФК обычно относят перекись водорода Н2О2, анион-радикал О
•–
, гидроперекисный радикал НО
2
2
гидроксил-радикал НО•, а также синглетно-возбужденный кислород 1О2 [415, 416]. Заметим, что в качестве промежуточных
продуктов аэробного метаболизма АФК вырабатываются постоянно и всегда присутствуют в клетках растения в небольших количествах [417]. Однако при взаимодействии растения с патогенами, травоядными насекомыми или после обработки элиситорами, а также при воздействии абиотических факторов может
произойти повышение скорости продуцирования АФК и, соответственно, очень быстрое их накопление в месте инфекции [30,
31, 418]. В процессе трансдукции сигнала окислительный взрыв
является одним из наиболее ранних откликов растительных клеток на контакт с вредителями или абиотическими стрессами,
который запускает и другие защитные механизмы.
Заметим, что накопленные АФК способны реагировать со всеми типами биомолекул, а значит они в состоянии разрушать различные компоненты собственных растительных клеток [416, 419].
Однако из-за того, что клетки растений содержат ряд ферментов, проявляющих антиоксидантные свойства и предназначенные для ограничения накапливания АФК, то обычно этого не происходит [420]. Действительно, для защиты самого растения от
оксидативного разрушения клетки растений содержат ферменты
(каталаза, пероксидаза и супероксид дисмутаза), а также неферментные антиоксиданты, детоксифицирующие упомянутые радикалы [421, 422]. В стрессовых условиях эти ферментные механизмы могут быть преодолены, и тогда АФК аккумулируются,
что может привести к разрушению клеток [289, 423, 424]. Предполагается, что существует механизм, запускающий генную экспрессию, нацеленную на поддержание концентрации АФК в определенных пределах [425].
•
,
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]