Файл: Сигнальные системы клеток растений.pdf

Оказалось, что элиситоры могут также активировать фер-

менты  синтеза  этилена  [Spanu  et  al.,  1991;  Bowler,  Chua, 
1994;  Oetiker  et  al., 

1997], причем повышенные концентра-

ции ионов кальция усиливали этот процесс [Gallardo et al., 
1999].

Элиситоры индуцировали экспрессию некоторых генов, 

кодирующих  ферменты  синтеза  абсцизовой  кислоты 
[Chernys,  Zeevaart, 

2000].  Наблюдалось  также  повышение 

содержания  салициловой  кислоты  [Malamy  et  al.,  1990; 
Klessig, Malamy, 

1994] и системина [Bergey et al., 1996], уча-

ствующих в индукции системного ответа растений на дейст-

вие  того  или  иного  патогена.  Некоторые  исследователи 

считают таким индуктором защитных реакций растений пе-

рекись водорода, которая может выступать в этой роли не-

зависимо от салицилата. Было, например, обнаружено, что 

у  растений  табака  сублетальные  концентрации  перекиси 

водорода  вызывали  системную  индукцию  образования  ос-

новных  и  кислых  защитных  белков  (PR)  и  повышение  ус-

тойчивости растений табака к патогенам, но  этот эффект 

был  быстрее  и  сильнее,  когда  сопровождался  некротиче-

скими изменениями в листьях [Chamnongpol et al., 1998]. Ос-

тается неясным, был ли системный ответ следствием непо-

средственного действия перекиси водорода или был опосре-

дован другими сигнальными молекулами. Ими могут быть 

интермедиаты  или  продукты  функционирования  различных 

сигнальных  систем  клеток.  Обнаружено,  что  жасмонат  и 

метилжасмонат  активируют  липоксигеназную  [Bell,  Mullet, 
1991;  Melan  et  al.,  1993;  Avdiushko  et  al.,  1995;  Jensen  et  al., 
1997; Voros et al., 

1998] и НАДФН-оксидазную [Tamagami et 

al., 

1997] сигнальные системы. Этилен активировал липок-

сигеназную и МАР-киназную [Voeste, Kieber, 1998; Iten et al., 

1999]  системы.  Абсцизовая  кислота  ингибировала  адени-

латциклазную  [Корчуганова  и  др.,  1998],  но  активировала 

липоксигеназную [Melan et al., 1993] (ингибируя в то же вре-

мя  превращение  фитодиеновой  кислоты  в  жасмоновую 
[Laudert,  Weiler, 

1998])  и  кальциевую  [Mikami  et  al.,  1998; 

Owen,  1988;  Staxen, 

1999],  МАР-киназную  [Knetsch  et  al., 

1996;  Iten  et  al., 

1999],  НАДФН-оксидазную  [Guan, 

Scandalios, 

1998]  и  фосфатидатную  [Munnik  et  al.,  1995; 

Ritchie,  Gilroy,  1998;  Munnik, 

2001]  сигнальные  системы. 

Абсцизовая кислота вызывала накопление одного   из ин-

термедиатов NO-сигнальной системы - цАДФрибозы [Yu et 
al., 1997; Leckie et al., 1998; Walden, 1998].

Салицилат  активировал  липоксигеназную  [Feussner  et 

al., 1997b], 

МАР-киназную  [Zhang,  Klessig,  1997;  Iten  et  al., 

1999;  Romeis  et  al., 

1999], НАДФН-оксидазную [Chen et al., 

1993] и NO-синтазную [Klepper, 1991; Van Camp et al., 1998]; 

системин-кальциевую  [Bergey,  Ryan,  1999],  липоксигеназ-

ную  [Constabel  et  al.,  1995;  Narvaez-Vasquez  et  al.,  1999; 
Orozco-Cardenas,  Ryan, 

1999], НАДФН-оксидазную [Stennis 

et al., 

1998], МАР-киназную [Stratmann, Ryan, 1997; Meindl et 

al., 

1998] и протонную [Schaller, Oecking, 1999], а перекись 

водорода - липоксигеназную [Macri et al., 1994] и НАДФН-

оксидазную [Leon et al., 1995; Dorey et al., 1999] сигнальные 

системы.

Обнаружено,  что  экзогенный  системин  вызывает  акти-

вацию липоксигеназной [Narvaez-Vasquez et al., 1999; Sheer, 
Ryan, 

1999], кальциевой [Bergey, Ryan, 1999] и MAPK-

[ Stratmann, Ryan, 

1997] сигнальных систем.

Стрессовые  фитогормоны  могут  усиливать  или  затор-

маживать образование друг друга. Так, оказалось, что жас-

монат  вызывает  значительное  снижение  содержания  в 

клетках абсцизовой кислоты [Hays et al., 1999], а салицилат 

ингибирует синтез жасмоната [Репа-Cortes et al., 1993; Doares 
et al., 1995a] 

и этилена [Leslie, Romani, 1986]. Последнее объ-

ясняется тем, что салициловая кислота - это ингибитор не 

только каталазы, но и ряда других железосодержащих фер-

ментов, в том числе ключевого фермента синтеза этилена -
1-

аминоциклопропан-1-карбоксилат-оксидазы  [Chen  et  al., 

1997].  Этилен  и  метилжасмонат  синергично  индуцировали 

синтез защитных белков [Xu et al., 1994]. Салицилат подав-

лял  жасмонатиндуцированное  [Репа-Cortes  et  al.,  1993; 
Doares  et  al., 1995a], 

АБК- [Taipalensuu et al., 1997] и систе-

мининдуцированное  [Doares  et  al., 1995a]  образование  бел-

ков,  а  абсцизовая  кислота  затормаживала  этилениндуциро-

ванный  синтез клетками растений  глюканаз, но  усиливала 

такой синтез хитиназ [Rezzonico et al., 1998]. Метилжасмо-

нат индуцировал синтез рецептора системина, локализован-

ного в плазмалемме и, вследствие этого, стимулировал появ-

ление  вызванных  системином  ответных  реакций  [Sheer, 
Ryan, 

1999],  а  системин  индуцировал  синтез  абсцизовой 

кислоты [Chao et al., 1999].

Салицилат  приводил  к  экспрессии  стероидной  сульфо-

трансферазы,  вызывающей  подавление  брассиностероидной 

активности [Rouleau et al., 1999]. В то же время синтез стеро-

идной гидроксилазы семейства цитохромов Р-450, играющей 

центральную роль в синтезе брассинолида, не изменялся под 

влиянием  экзогенных  салицилата,  этилена  и  жасмоната,  но 

авторегулировался брассинолидом [Mathur et al., 1998].

Использование мутантов растений позволило установить, 

что жасмонат и этилен "включают" одни сигнальные пути, а 

салицилат - другие [Dong, 1998], однако были также установ-

лены  различия  в  особенностях  протекания  ответных  реак-

ций,  вызванных  жасмонатом  и  этиленом  [Penninckx  et  al., 

1998]. На растениях арабидопсиса было показано, что сали-

цилат и жасмонат вызывают аддитивный защитный ответ на 

инфицирование патогенами, но не в тех случаях, когда иссле-

довались  мутанты  с  заблокированным  салицилатным  или 

жасмонатным  сигнальными  путями  [Van  Wees  et  al.,  2000]. 

Авторы считают, что эти пути являются комплементарными 

и нет оснований говорить об их пересечении (cross-talk) и пе-

ретоке сигналов из одного в другой.

О степени автономности или взаимовлияния сигнальных 

путей,  "включаемых"  различными  стрессовыми  фитогор-

монами, можно судить по индуцированию ими образования 

различных транскриптов и синтеза различных белков. Так, 

у листьев редиса под влиянием метилжасмоната и этилена 

активировалась экспрессия генов дефенсинов [Terras et al., 
1998; Shah et al., 

1999], но не защитных белков PR1, а сали-

циловая  кислота  вызывала  активацию  локального  синтеза 
PR1, 

но не системного синтеза дефенсинов. В то же время 

метилжасмонат  не  действовал  на  синтез  некоторых  изо-

форм дефенсинов [Epple et al., 1997]. Как правило, салици-

ловая  кислота  не  индуцировала  образование  дефенсинов 
[Epple et al., 1997; Terras et al., 1998; Shah et al., 1999].

У томатов салицилат ингибировал, а абсцизовая кисло-

та и системин активировали синтез мРНК леициновых ами-

нопептидаз, вызванный повреждением тканей, причем два 

последних фитогормона действовали синергично. В то же 

время синтез ингибиторов протеиназ не зависел от экзоген-

ной абсцизовой кислоты [Chao et al., 1999].

К  сожалению,  упомянутые  исследования,  в  которых 

проводилось сравнительное изучение влияния различных

Рис. 39. Схема влияния абсцизовой (АБК), салициловой (СК) и 

жасмоновой (ЖК) кислот на синтез полипептидов [Тарчевский и 

др., 2001]

ЛОГ - липоксигеназная сигнальная система; МАРК - МАР-киназ-

ная сигнальная система; НАДФН-О - НАДФН-оксидазная сигнальная 

система; ПЛ - плазмалемма; ФК - фосфатидатная сигнальная система; 

цАМФ - аденилатциклазная сигнальная система; Са

2+

 - 

кальциевая сиг-

нальная система; NO-S - NO-синтазная сигнальная система

фитогормонов на синтез белков у одного и того же объек-

та,  являются  исключением.  Как  правило,  анализируется 

действие  только  одного  фитогормона.  Это  побудило  нас 

предпринять  сравнительное  исследование  влияния  на  син-

тез белков нескольких стрессовых фитогормонов - абсци-

зовой, салициловой и жасмоновой кислот [Тарчевский и др., 
2001].

Экзогенные абсцизовая и салициловая кислоты индуци-

ровали образование новых белков 19 и 29 кДа у проростков 

гороха (рис. 39). Экзогенный жасмонат вызывал появление 

двух новых полипептидов 29 и 96 кДа и исчезновение поли-

пептида  104  кДа.  Из результатов проведенных исследова-

ний  следует,  что  образование  нового  полипептида  29  кДа, 

интенсивно метящегося и не проявляющегося на радиоавто-

графах гелей контрольного варианта, - характерный ответ 

на  действие  всех  исследовавшихся  нами  стрессовых  фито-

гормонов, так же как усиление интенсивности синтеза по-

липептида  25 кДа  и торможение  синтеза  полипептида 

45 кДа [Тарчевский и др., 2001]. Это, по-видимому, можно 

рассматривать как неспецифический ответ растений.  Были 

обнаружены и  различия  в наборе  образующихся полипеп-

тидов и интенсивности их синтеза. Так, при действии жасмо-

новой  кислоты  наблюдалось  появление  полипептида 

96 кДа, исчезновение белка 104 кДа и усиление образования 

полипептидов 35 и 71 кДа, чего не наблюдалось при обра-

ботке растений другими фитогормонами.

Сопоставляя  данные  литературы  с  полученными  нами 

результатами,  необходимо  обратить  внимание  на  то,  что 

две  важнейшие  сигнальные  системы  (липоксигеназная  и 

НАДФ-оксидазная)  "включаются"  каждым  из  исследовав-

шихся нами стрессовых фитогормонов. По всей вероятно-

сти,  это  и  определяет  неспецифичность  ответа  со  стороны 

части  генома  клеток  (образование  нового  полипептида 

29 кДа, усиление синтеза полипептида 25 кДа и торможение 

синтеза  полипептида  45  к  Да).  Специфичность  экспрессии 

генов  и  вследствие  этого  включения [

14

С]-лейцина  в  поли-

пептиды  может  объясняться  своеобразием  индукции  от-

дельными  фитогормонами  различных  сигнальных  систем 

клеток.

РЕГУЛЯЦИЯ ИОННЫХ ПОТОКОВ

ИНТЕРМЕДИАТАМИ 

СИГНАЛЬНЫХ СИСТЕМ

Тот факт, что блокаторы ионных каналов ингибировали 

синтез фитоалексинов [Ward et al.,  1995;  Roos et al.,  1998], 

свидетельствует об участии ионов в работе сигнальных сис-

тем клеток и формировании ответа на инфицирование рас-

тений  патогенами.  Это  положение  подтверждается  также 

фактами  "включения"  синтеза  фитоалексинов  (даже  при 

отсутствии  элиситоров)  целым  рядом  ионофоров,  способ-

ных переносить  в  клетку  из  окружающей  среды  протоны 

или ионы кальция, а также отсутствием действия элисито-

ров при "декальцинировании" или "депротонизации" среды. 

Для исследования роли ионных потоков в сигнальном мета-

болизме клеток применяют такие ионофоры, как 2,4-динит-

рофенол  (протонофор),  валиномицин  (специфический  К

+

-

переносчик),  нигерицин  (К

+

/Н

+

-

обменник),  моненсин 

(Ка

+

/Н

+

-

обменник),  А23187  (специфический  Са

2+

-

перенос-

чик),  иономицин  (специфический  Са

2+

-

переносчик);  канало-

формеры грамицидины А и Д (образуют каналы, через ко-

торые  проходят  Н

+

,  К

+

),  полиеновые  антибиотики  амфоте-

рицин и нистатин (образуют поры, через которые проходят 

катионы  и  анионы);  блокаторы  ионных  каналов  тетраэтил-

аммоний  (блокирует  К

+

-

каналы),  верапамил  и  нифедипин 

(блокируют  Са

2+

-

каналы),  лантаниды  (блокируют  прак-

тически все каналы; но чаще всего используются для блока-

ды  Са

2+

-

каналов),  этакриновая  кислота  (блокатор  анион-

ных  каналов).  Используются  также  ингибиторы  (эритро-

зин В, диэтилстилбестрол, ванадат) и активаторы (фузикок-

цин) Н

+

-

АТФаз.

Очень важно, что изменения концентраций ионов и свя-

занной с ними трансмембранной разности потенциалов -

преходящи, так же как многие более поздние метаболиче-

ские ответы клеток на действие элиситоров. Подавление со 

временем  возбуждения  клетки,  индуцированного  внешним 

сигналом,  является  одним  из  основных  принципов  регуля-

ции биологических систем. Выяснение механизмов или "ры-

чагов" такой супрессии - одна из очень важных задач фи-

зиологии растений. Можно предположить, что если ранняя 

активация сигнальных систем клеток зависит от трансмем-

бранного изменения концентраций определенных ионов, то 

они, в свою очередь, могут испытывать на себе регулирую-

щее действие со стороны сигнальных систем.

Действительно,  происходит  активация  ионных  каналов 

относительно  небольшими  концентрациями  интермедиа-

тов  сигнальных  систем.  Показана  активация  кальциевых 

каналов  интермедиатами  сигнальных  систем:  аденилатцик-

лазной  (цАМФ),  кальциевой  (ИФ

3

и  ИФ

4

,  Са

2+

),  NO-

син-

тазной (цАДФРиб и цГМФ) [Авдонин, Ткачук, 1994]. От-

мечено  также  ингибирование  кальциевых  каналов  интер-

медиатами  липоксигеназной  системы  (полиеновыми  жир-

ными  кислотами  и  их  гидропероксипроизводными)  [Авдо-

нин, Ткачук, 1994], а также повышенными  концентрация-

ми  ионов  кальция  (случай  автокаталитического  подавле-

ния нарастания ионов кальция в цитоплазме).

Все  большее  автокаталитическое  повышение  концент-

раций указанных вторичных посредников приводит к акти-

вации кальциевых насосов клетки, выводящих эти ионы из 

цитозоля (см. рис. 13) и, таким образом, снижающих их ак-

тивирующее  влияние  на  сигнальные  системы.  Стимуляция 

кальциевых  и  протонных  помп  вызывает  реполяризацию 

мембран  (плазмалеммы  и  тонопласта).  К  такому  же  эф-

фекту должны приводить активация калиевых каналов (на-

пример, повышающимися концентрациями цАМФ) и усили-

вающийся  выход  СГ.  Повышают  активность  Н

+

-

АТФаз 

плазмалеммы  ионы  кальция,  лизофосфолипиды  [Li  et  al., 

1994а;  Scherer, 1996a,b],  полиеновые  жирные  кислоты 
[Scherer, 

1996], цАМФ и цГМФ, причем два последних сиг-

нальных интермедиата могут прямо, минуя стадию актива-

ции протеинкиназ, связываться с белками ионных каналов 

(цАМФ- и цГМФ-зависимых каналов) [Li et al., 1994a; Дячок 

и  др.,  1997].  Имеются  также  противоположные  данные  о 

влиянии на активность мембранных Н

+

-

АТФаз [Владими-

ров, 1998] низких и высоких, но физиологических концент-

раций ионов кальция.

Промежуточные  продукты  различных  сигнальных  сис-

тем  могут  оказывать  влияние  на  функционирование  ион-

ных каналов и помп непосредственно или с помощью соот-

ветствующих  протеинкиназ  [Conrath  et  al.,  1991;  Li  et  al., 
1994b]. 

Кальциевые каналы активируются такими сигналь-

ными  интермедиатами,  как  ИФ

3

,  ИФ

4

  [Gilroy  et  al.,  1990, 

1993; Trewavas, 

1999; и др.], цАМФ [Авдонин, Ткачук, 1994; 

Дячок  и  др.,1997;  Volotovsky  et  al.,  1998],  цАДФ-рибоза, 

цГМФ [Авдонин, Ткачук, 1994; Volotovsky et al., 1998]. Са

2+

-

АТФазы  активируются  Са

2+

-

кальмодулином,  но  ингибиру-

ются  гидропероксипроизводными  полиеновых  жирных  кис-

лот [Владимиров, 1998]. Активируют [Scherer, 1996a,b; Ши-

шова,  1999]  (или  ингибируют  [Шишова,  1999])  Н

+

-

АТФазу 

плазмалеммы  повышенные  концентрации  ионов  кальция 
(Kinoshita  et  al.,  1995;  Scherer, 1996a,b], 

Са

2+

-

зависимые про-

теинкиназы  [Schaller,  Oeckingb,  1999],  лизофосфатиды,  по-

лиеновые  жирные  кислоты  [Scherer, 1996a,b],  цАМФ  и 

цГМФ  [Palmgren,  1991;  Vera-Estrella  et  al.,  1994].  Выход 

ионов  калия  из  клеток  усиливается  под  влиянием  цАМФ, 

активирующего  протеинкиназы  и  с  их  помощью  -  калие-

вые каналы плазмалеммы [Li et al., 1994a; Tang, Hoshi, 1999].

Следующая за изменением ионных потоков местная де-

поляризация  плазмалеммы,  вызванная  разрушением  клеток 

листогрызущими  насекомыми  и  другими  способами  меха-

нического повреждения, приводит к распространению элек-

трического импульса, которое захватывает соседние клет-

ки и проводящую систему растений и может участвовать в 

индукции системного иммунитета в удаленных от места пов-

реждения участках растений [Stankovic , Davies, 1996].

Деполяризация ПЛ представляет собой сдвиг мембран-

ного  потенциала  покоя  от  (-140...-200  мВ)  до  более  поло-

жительных значений под влиянием различных воздействий, 

в том числе элиситорных сигналов. Существует несколько 

механизмов,  от  функционирования  которых  зависит  депо-

ляризация  плазмалеммы  и  тонопласта:  активация  кальцие-

вых каналов, анионных каналов, ингибирование протонной 

АТФазы  и  др.  Имеются  потенциалзависимые  Са

2+

-

каналы, 

потенциалзависимые  К

+

-

каналы,  анионные  каналы  с  отно-

сительно малым (секунды) или более продолжительным

(минуты)  временем  деполяризации.  Местное  повышение 

концентрации ионов кальция, а также вызванное этим сни-

жение  величины  трансмембранного  электрического  потен-

циала могут привести к открыванию калиевых и анионных 

(хлорных) каналов [Trewavas, 1999] и транспорту этих ионов 

из цитоплазмы за пределы клетки или в тонопласт.

Очень  важными  мишенями  действия  цАМФ  у  живот-

ных, помимо протеинкиназ А, являются циклонуклеотидре-

гулируемые  ионные  каналы.  Существуют  доказательства 

того, что и у растений цАМФ может регулировать К

+

-

кана-

лы [Li et al., 1994a; Bolwell, 1995; Kurosaki, 1997], Са

2+

-

кана-

лы [Kurosaki et al., 1994; Volotovsky, 1998; Leng et ah, 1999], 
Cl-

каналы  [Gabriel  et  al.,  1999],  Н

+

-

каналы  [Bolwell,  1999] 

мембран клеток, возможно, минуя их фосфорилирование с 

помощью протеинкиназ [Bolwell, 1995; Walden,1998]. Более 

того, клонированные белки ионных каналов растений име-

ли циклонуклеотидсвязывающие места [Bolwell, 1995; Leng 
et al., 

1999]. Наличие в белках ионных каналов как кальмо-

дулинсвязывающего,  так  и  цАМФ-связывающего  доменов 

позволяет сделать вывод о совместном влиянии аденилат-

циклазной и кальциевой сигнальных систем на ионные по-

токи в клетках [Arazi et al., 2000].

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СИГНАЛЬНЫХ СИСТЕМ

Различные  сигнальные  системы  могут  включаться  не 

только разными элиситорами, но даже одним элиситором. 

Так,  криптогеин,  секретируемый  Phytophthora  crypto-
gea, 

связывается с рецептором (рецепторами) в плазмати-

ческой  мембране  и  индуцирует  активацию  нескольких 

сигнальных систем (МАР-киназной, кальциевой и супер-

оксидсинтазной)  [Allan,  Fluhr,  1997;  Lebrun-Garcia  et  al., 

1999].  Обнаружена  также  активация  криптогеином  липок-

сигеназной сигнальной системы [Rusterucci et al.,  1999]. 

У  гликопротеидного  элиситора  патогенного  гриба 
Verticillium 

белковая часть  обеспечивала  сигнальные  пу-

ти, ведущие к синтезу фитоалексинов, а  углеводная инду-

цировала  окислительный  взрыв,  зависящий  главным  об-

разом  от  функционирования  НАДФН-оксидазной  сиг-

нальной  системы.  Элиситор, продуцируемый  Pseudomonas 
syringae, 

взаимодействует с рецепторной киназой, которая 

активирует  несколько  (по  крайней  мере  три)  факторов 

регуляции транскрипции [Zhou et al., 1997], что обеспечи-

вает  дивергенцию  сигнального потока.  Возможность по-

добной  дивергенции  поддерживается  и  другими  исследо-

вателями  (рис.  40),  учитывающими  факты  множествен-

ности мест фосфорилирования у киназ и олигомеризации 

рецепторных  киназ,  увеличивающей  число  мест  фосфо-

рилирования,  по  сравнению  с  мономерной  неактивной 

формой [Cohen, 2000].

Высказываются мнения о возможности как раздельного 

(параллельного)  функционирования  сигнальных  систем 
[Doares et al., 1995a;  Desikan et al., 1996;  Bolwell et  al.,  1998; 
Heo  et  al., 

1999]:  липоксигеназной  и  НАДФН-оксидазной 

[Doares  et  al., 1995b], 

кальциевой  и  НАДФН-оксидазной 

[Heo  et  al.,   1999],  NO-

синтазной  и  НАДФН-оксидазной