Файл: Сигнальные системы клеток растений.pdf

Элиситориндуцируемый 

синтез  ферментов,  катализиру-

ющих  образование  стрессовых 

фитогормонов.  Установле-

но, что патогены и элиситоры вызывают экспрессию генов 

ферментов  1  -аминоциклопропан-1  -карбоксилат-синтазы 
[Liu et al.,1998] 

и 1-аминоциклопропан-1-карбоксил ат-окси-

дазы [Jia, Martin, 1999], катализирующих реакции образова-

ния  этилена.  Повышение  концентрации  этилена  активиро-

вало 1 -аминоциклопропан-1-карбоксилат-синтазу [J. Arteca, 
R.  Arteca, 

1999],  что  может  быть  еще  одним  примером 

отмечавшихся нами ранее [Гречкин, Тарчевский, 1999; Тар-

чевский,  2000]  явлений  автокатализа  сигнального  метабо-

лизма.

Элиситориндуцируемый синтез жасмоната происходит в 

результате  активации  экспрессии  генов  ферментов  липок-

сигеназной сигнальной системы клеток растений [Гречкин, 

Тарчевский, 1999].

Абсцизовая кислота (еще один стрессовый фитогормон) 

начинает  интенсивно  синтезироваться  в  клетках  растений 

после атаки патогенов вследствие элиситориндуцированной 

экспрессии  гена  оксидазы  зеаксантина  [Audran  et  al.,  1998; 
Grill,  Himmelbach, 

1998]. Позднее было обнаружено стресс-

индуцированное образование одной из изоформ 9-^ыс-эпок-

сикаротиноид-диоксигеназы [Chernys, Zeevaart, 2000] - фер-

мента,  регулирующего  образование  абсцизовой  кислоты 

из каротиноидов 9-цмс-виолаксантина или 9-цмс-виолаксан-

тина.

Патогениндуцированный  синтез  стрессового  фитогор-

мона  салициловой  кислоты  объясняется  экспрессией  гена 

фермента бензоат-2-гидроксилазы (представителя семейства 

цитохромов  Р-450),  катализирующего  превращение  бен-

зойной кислоты в салициловую [Leon et al., 1993; 1995]. При 

интенсивном синтезе салицилата часть его  может перево-

диться в глюкозилированную форму с помощью фермента 

УДФГ:  салицилат  глюкозилтрансферазы.  Интересно,  что 

быстрая экспрессия гена этого фермента вызывается экзо-

генным салицилатом и патогенами.

Как уже упоминалось выше, к числу стрессовых фито-

гормонов  относят  сравнительно  небольшой  полипептид 

(названный  системином),  состоящий  из  18  аминокислот-

ных остатков [Constabel et al., 1998]. Он был признан рядом 

авторов первым идентифицированным фитогормоном по-

липептидной  природы  [McGurl  et  al.,  1992;  Slosarek  et  al., 
1995;  Bergey  et  al.,  1996;  Bowles,  1998;  Ryan,  Pearce,  1998; 
Dombrowski  et  al., 

1999].  Патогены,  элиситоры  и  механи-

ческое  повреждение  растений  вызывают  интенсивную 

экспрессию системина.

Рецептор системина локализован в плазмалемме [Sheer, 

Ryan, 

1999].  По-видимому,  при  посредничестве  сигнальных 

систем  происходил  системининдуцированный  синтез инги-

биторов протеиназ [Slosarek  et  al.,  1995;  Dombrowski  et  al., 
1999;  McGurl  et  al.,  1992;  1994a], 

полифенолоксидазы 

[Constabel et al., 

1995] и аминопептидазы [Chao et al., 1999].

Патогениндуцированные  белки,  ограничивающие  пита-

ние патогенов. 

Одним из первых проявлений атаки патоге-

нов  может  считаться  экскреция  ими  ферментов,  с  одной 

стороны,  нарушающих  целостность  защитных  образований 

растения, а с другой - обеспечивающих углеводное и азот-

ное питание патогенов. Имеются в виду кутиназы, эндопо-

лигликаназы и протеазы. Их действие на кутин кутикулы, 

полисахариды  и  белки  клеточных  стенок  растений  приво-

дит  к  освобождению  вторичных  элиситоров  -  оксигениро-

ванных  мономерных  высокомолекулярных  кислот  и  спир-

тов, а также олигосахаридов и олигопептидов, которые мо-

гут  включать сигнальные системы клеток растений. Одной 

из  защитных  реакций  растений  является  синтез  белковых 

ингибиторов  эндополигликаназ  и  ингибиторов  протеаз 

(рис.  51).  Это  относительно  небольшие  белки,  подавляю-

щие  активность  соответствующих  экскреторных  фермен-

тов патогенов - грибов и бактерий.

Обнаружено,  что  у  фасоли  ген  белкового  ингибитора 

полигалактуроназы  активировался  под  влиянием  элисито-

ров  -  олигогалактуронидов  или  глюканов  [Bergmann  et  al., 

1994], или при механическом повреждении растений [Devoto 
et al., 1998].

Возможно,  что  патогениндуцируемые  субтилизинподоб-

ные эндопротеазы растений (в том числе кальцийактивиру-

емая) [Tornero et al., 1996; 1997; Jorda et al., 1999] также мо-

гут ограничивать питание патогенов, гидролизуя экскрети-

руемые ими ферменты (например, кутиназы, эндогликана-

зы и протеиназы) во внеклеточном пространстве.

Патоген(элиситор)индуцированные  ферменты  синтеза 

фенилпропаноидных фитоалексинов. 

Ряд патогениндуциро-

нанных  белков-ферментов  катализирует  образование  низ-

комолекулярных  растительных  антибиотиков  -  фенилпро-

маноидных или терпеноидных фитоалексинов [Метлицкий, 

()зерецковская,  1985;  Ebel,1986;  Дмитриев,  1999]  (рис.  52). 

Фенилпропаноидные  фитоалексины  насчитывают  большое 

количество  соединений,  объединенных  общностью  первых 

тгапов синтеза и отличающихся последними этапами. Сво-

им названием они обязаны первой реакции - образованию 

фенилпропанового  производного  аминокислоты  фенилала-

пина - коричной кислоты с помощью фермента фенил ал а-

мин-аммиак-лиазы.  Насчитывается  более  20  ферментов, 

принимающих  участие  в  синтезе  фенилпропаноидных фи-

тоалексинов [Neumann  et  al.,  1989].  Наиболее  простыми 
7-11-

углеродными продуктами превращения фенил ал анина 

являются  бензойная,  салициловая,  кумаровая,  гидроксику-

маровая,  кофейная,  оксиметилкофейная  (феруловая)  кис-

лоты.  Из  феруловой  кислоты  путем  гидроксилирования  и 

метилирования  образуются  5-гидрокси-ферулат  и  синапо-

вая  кислота.  Большинство  из  этих  соединений  обладает 

свойствами антибиотиков, а салициловая кислота, как уже 

неоднократно  упоминалось  ранее,  играет  роль  одного  из 

главных системных сигналов.

Важны  в  защите  растений  от  грибов  и  бактерий  более 

сложные  продукты  фенилпропаноидного  метаболизма,  со-

держащие два, три, четыре и пять гетероциклов. Большин-

ство  из  них  происходят  из  15-углеродного  флавоноидного 

каркаса, который синтезируется с помощью халконсинтазы 

из  производного  кумаровой  кислоты  -  кумароил-КоА  и 

трех молекул  малонил-КоА. Отмечена  активация  у люцер-

ны  грибными  элиситорами  фермента  ацетил-КоА-карбок-

силазы, катализирующей реакцию синтеза малонил-КоА из 

ацетил-КоА, СО

2

и АТФ [Shorrosh et al., 1994]. Найдено, что 

халконсинтаза имеет много изоформ даже в одном и том же

Рис. 51. Схема образования элиситориндуцируемых белков, вы-

зывающих укрепление клеточных стенок растений, синтез фито-

алексинов, системных элиситоров, ингибиторов протеиназ и гли-

каназ

К - кутикула; КС - клеточные стенки; ОПБ - оксипролиновые бел-

ки; СИМ - системный иммунитет; СК - салициловая кислота; ФА - фи-

тоалексины; ФК - фенольные кислоты

CD

ли

ъ 

Рис. 52. Схема синтеза некоторых фенилпропаноидных фито-

алексинов (по: [Dixon, Paiva, 1995])

ФАЛ - фенилаланин-аммиак-лиаза; ХАС - халконсинтаза

растении (семь у гороха), причем они различным образом 

реагируют на сигналы из окружающей среды. Так, одна из 

изоформ активировалась элиситорами, но не ультрафиоле-

том, а для другой была отмечена противоположная зависи-

мость [Y. Ito et al., 1997].

Продуктом  халконсинтазной  реакции  является  тетра-

гидроксихалкон,  который  впоследствии  превращается  в 

другие флавоноидные классы соединений, такие как фла-

воны,  флавононы, флаванолы,  антоцианины  и  3-дезокси-

антоцианидины [Dixon,  Paiva,  1995].  При  участии халкон-

редуктазы,  стильбенсинтазы,  изофлавонсинтазы  происхо-

дит  образование  различных простых изофлавоноидов,  ку-

местанов,  птерокарпанов  и  изофлаванов,  которые  облада-

ют ярко  выраженными фунгицидной [Morrissey,  Osbourn, 

1999]  и  бактерицидной  активностью,  подавляя,  например, 

развитие  стрептококков,  актиномицетов,  лактобацилл 
[Tsuchiya et al., 

1994]. Простые фитоалексины усложняют-

ся у различных растений за счет модификационных реак-

ций  гидроксилирования,  гликозилирования,  ацилирования, 

пренилирования,  сульфатации  и  метилирования,  отража-

ющих  видоспецифические  особенности  метаболизма,  но 

сохраняющих или даже усиливающих фунгицидные и бак-

терицидные свойства этих соединений. В ряде случаев по-

казано,  что  они  эффективно  защищают  от  нематод 
[Baldridge et al., 1998].

Из различных растений выделено большое количество 

индивидуальных  фитоалексинов:  из  Brassica  -  брассинин, 

циклобрассинин, брассилексин, из Potato - ришитин, люби-

мин,  из Wasabia  -  вазалексины,  из  Arabidopsis  - камалек-

син, из Orizae - момилактон и сакуранетин, из Medicago -

медикарпин, из Pisum - писатин, из Glycine - глицеоллины, 

из Orchidaceae - орхинол и хирцинол, из Phaseolus - киеви-

тон, из Petroselenium - апиин, из Dianthus - диантрамидные 

соединения,  из  Ruta  -  1,3-дигидрокси-1Ч-метилакридон, 

образующийся  из  N-метилантраноила  и  малонил-КоА. 

Фенилпропаноидные  фитоалексины  -  это  нелетучие  ве-

щества.

Образование  и  накопление  различных  фитоалексинов 

происходит благодаря  индукции патогенами  и элиситорами 

экспрессии  генов,  кодирующих  ферменты  фенилпропано-

идного  метаболизма  (см.  рис.  52)  -  фенилаланин-аммиак-

лиазу  [Ebel  et  al.,  1984;  Bonhoff  et  al.,  1986;  Ni  et  al.,  1996; 
Weiergang  et  al.,  1996;  Baldridge  et  al., 

1998], халконсинтазу 

[Ebel  et  al.,  1984;  Grab  et  al.,  1985;  Bonhoff  et  al.,  1986; 
Weiergang  et  al.,  1996;  Colliver  et  al.,  1997;  Baldridge  et  al., 
1998; Ferrer et al., 

1999], халконизомеразу и халконредуктазу

[Ni  et  al., 

1996],  циннамат-4-гидроксилазу  [Ni  et  al.,  1996; 

Ferrer  et  al., 

1999],  стильбенсинтазу  [Bolwell,  Dixon,  1986; 

Tropf  et  al.,  1994;  Colliver  at  al., 

1997],  изофлавонсинтазу 

[Ebel  et  al., 

1984],  изофлавонредуктазу  [Weiergang  et  al., 

1996], изофлавоноидредуктазу [Tsuchiya et al.,1994], кофеат-

О-метилтрансферазу  [Bonhoff  et  al.,  1986;  Tsuchiya  et  al., 

1994], пренилтрансферазы [Hain et al., 1993], халкон-О-ме-

тилтрансферазу  [Weiergang  et  al.,  1996],  метилтрансферазу 
[Hamerski  et  al., 

1990], акридонсинтазу [Rakwal et al., 1996], 

ферменты  синтеза  триптофана [Junghanns  et  al.,  1998],  ак-

тивность  которых  коррелировала  с  накоплением  камалек-

сина  у  арабидопсиса,  дигидробензофенантридин-оксидазу 
[Zhao,  Last, 

1996],  ферменты  семейства  цитохром  Р-450 

[Schopfer  et  al., 

1998],  вызывающие  гидроксилирование 

кольчатых фенилпропаноидных структур, и др. Было пока-

зано, что грибной элиситор вызывает неодновременное по-

вышение активности различных ферментов фенилпропано-

идного  метаболизма  [Chappel  et  al.,  1984]:  сначала  фенил-

аланин-аммиак-лиазы,  а  уже  затем  -  метилтрансферазы, 

катализирующей  последние  этапы  синтеза  фенилпропано-

идных фитоалексинов.

Обнаружено,  что  индукция  фитопатогенными  грибами 

синтеза  фенилаланин-аммиак-лиазы  у  растений  гороха  по-

давлялась супресцином — соединением, продуцируемым гри-

бом вместе с элиситорами [Wada et al., 1995].

Патогениндуцируемые  ферменты  синтеза  терпеноид-

ных  фитоалексинов. 

Для  терпеноидных  фитоалексинов, 

так  же  как  и  для  фенилпропаноидных,  характерны  общ-

ность начальных реакций и различия в заключительных ре-

акциях метаболизма (рис. 53). Исходным субстратом их син-

теза  является  ацетил-КоА,  промежуточными  соединения-

ми  -  3-гидрокси-З-метилглутарил-КоА,  мевалонат,  изопен-

тенилпирофосфат  и  диметилаллилпирофосфат,  геранилпи-

рофосфат,  фарнезилпирофосфат,  геранилгеранилпирофос-

фат, а также сквален, который может превращаться в раз-

личные  фитоалексины  путем  реакций циклизации  и присо-

единения  различных  радикалов  за  счет  реакционной  спо-

собности  ненасыщенных  связей [Threlfall,  Whitehead,  1990; 
Bach, 

1995].  Можно  перечислить  некоторых  представите-

лей терпеноидных фитоалексинов: у картофеля сесквитер-

пеноидные ришитин, любимин, фитоберин, у полыни -

Рис.  53.  Схема  синтеза  терпеноидных  фитоалексинов  (по: 
[Threlfall, Whitehead, 1990; Bach, 1995])

ГМГС  -  З-гидрокси-3-метил-глутарилсинтаза;  ГМГ-КоА  -  3-гид-

рокси-3-метилглутарил-КоА;  ГМГР  -  З-гидрокси-3-метилглутарил-ре-

дуктаза; ДМАПФ ~ диметилаллилпирофосфат; ИППФ - изопентенил-

пирофосфат; СКС - скваленсинтаза; ФА - фитоалексины; -ФФ - оста-

ток пирофосфата

олефиновые  монотерпены  лимонен,  терпинолен,  а-  и  у-

терпинены,  мирцен,  сесквитерпены, 

а- 

и  (3-цедрены,  (3-

фарнезен,  а-акорадиен,  а-бисаболен,  оксигенированные 

цедрол  и  эпицедрол,  у  риса  -  9-(3-пимара-7,15-диен  и  сте-

мар-13-ен, у хлопчатника - госсипол и ласинилен, дезокси-

гемигоссипол, гемигоссипол, гемигоссиполон, гелиоциды, 

у фасоли - два летучих гомотерпена 4,8-диметил-1,ЗЕ,7-ди-

метилнонатриен  и  4,8,12-триметил-1,ЗЕ,7Е,11-тридекатет-

раен,  у  табака  -  капсидиол,  глютинозон,  ветиспирадиен,  у 

хиосциамус  -  соединения  с  ветиспирановым  углеродным 

остовом и др.

Различные патогены и  элиситоры  вызывают  индукцию 

экспрессии генов ключевых ферментов синтеза терпеноид-

ных  фитоалексинов:  З-гидрокси-3-метилглутарилредукта-

зы [Yang et al., 1991; Choi et al., 1992; Nelson et al., 1994; Joost 
et  al., 

1995],  сесквитерпенциклазы  [Mercke  et  al.,  1999; 

Yoshioka et al., 

1999], скваленсинтазы [Yoshioka et al., 1999], 

метилтрансферазы [Liu et al., 1999], изопентенил-дифосфат-

изомеразы  [Ramos-Valdivia  et  al.,  1997],  дитерпенсинтазы 
[Mohan et al., 

1996], касбенсинтазы [Mohan et al., 1996], А-ка-

диенсинтазы  [Moesta,  West,  1985],  стриктозидинсинтазы 
[Chen  et  al., 

1995] и триптофандекарбоксилазы [Cardoso 

et  al.,  1997;  Ouwerkerk  et  al., 

1999], а также НАДФН: цито-

хром Р-450 редуктазы,  участвующей в синтезе терпеноид-

ных индольных алкалоидов [Schopfer et al., 1998; Pasquali 
et al., 1999].

К числу газообразных фитоалексинов, которые создают 

химический  барьер  для  патогенов,  относятся  некоторые 

терпеноидные соединения [Норке et al., 1994; Ouewerkerk 
et al., 

1999], а также продукты липоксигеназной сигнальной 

системы:  гексенали,  гексенолы, ноненали  и ноненолы.  Эти 

соединения  образуются  в  растениях  в  ответ  на  механи-

ческое  повреждение  и  инфицирование  патогенами  и  могут 

оказывать бактерицидное и фунгицидное действие на пато-

гены на расстоянии, еще до контакта последних с растени-

ем. Летучие продукты липоксигеназной сигнальной систе-

мы -  метилжасмонат,  и супероксиддисмутазной сигнальной 

системы - метилсалицилат, могут выполнять роль вторич-

ных элиситоров.

Патоген(элиситор)индуцируемые  белки,  укрепляющие 

клеточные  стенки  растений. 

Обнаружено,  что  после  воз-

действия элиситоров на ткани растений из них значительно 

труднее  получить  изолированные  протопласты  [Bradley 
et al., 1992; Brisson et al., 

1994] с помощью общепринятой ме-

тодики, предусматривающей использование целлюлаз и пек-

тиназ  для  разрушения  клеточных  стенок.  Это  происходит 

вследствие  того,  что  элиситоры  индуцируют  экспрессию 

целого ряда генов, которые кодируют ферменты, катализи-

рующие  образование  ковалентных  связей  между  белками 

клеточных стенок, белками и полисахаридами. К числу та-

ких ферментов относятся пероксидазы [Rebmann et al., 1991;

Flocco  et  al., 

1998], протеиндисульфид изомераза [Esquerre-

Tugaye  et  al., 

1979],  катализирующая  образование  дисуль-

фидных  мостиков.  В  формировании  более  жесткой  белко-

вой

структуры принимают  участие не все белки клеточных 

стенок, а два полипептида - 35 и 100 кДа, так как именно 

они исчезают из спектра полипептидов на полиакриламид-

ном  геле  у  вытяжек  из  клеточных  стенок,  обработанных 

элиситорами растений [Bradley et al., 1992].

Усиление образования белков клеточных стенок, обога-

щенных гидроксипролином  (см.  рис.  51), происходит  в  ре-

зультате  экспрессии  генов  пролингидроксилаз,  а  гликози-

лированных белков - при индукции синтеза протеин-араби-

нозил-трансфераз  [Dixon  et  al.,  1986;  Corbin  et  al.,  1987; 
Denecke et al., 1995; Garcia-Muniz et al., 1998].

Укрепление клеточных стенок происходит также с по-

мощью  повышения  интенсивности  отложения  каллозы  в 

результате  элиситориндуцированной  экспрессии  каллозо-

синтазы  [Bonhoff  et  al.,  1987],  а  также  лигнина  за  счет 

индуцированного  синтеза  ферментов  (фенилаланин-амми-

ак-лиазы  и  др.)  фенилпропаноидного  метаболизма,  обес-

печивающих образование мономерных предшественников

лигнина.

Патогениндуцируемые  белки  растений,  вызывающие 

деградацию  клеточной  стенки  патогенов. 

Одними  из  пер-

вых обнаруженных антипатогенных белков прямого дейст-

вия были кислые и щелочные хитиназы и р-1,3-эндоглюка-

назы [Ebel, 1986; и др.], способные гидролизовать главные 

компоненты клеточной стенки грибов (рис. 54), тем самым 

замедляя или прекращая рост гифов и распространение ин-

фекции [Benhamou,  1995].  В  последние  годы  появилось  до-

вольно много работ, посвященных этим ферментам, их изо-

формам, первичной структуре [Ori et al., 1990; Daugrois et al., 
1992;  Buchter  et  al., 1997;  Busam et  al., 1997;  Munch-Garthoff 
et  al.,  1997;  Thimmapuram  et  al., 

2001], промоторным  участ-

кам  их  генов  и  особенностям  регуляции  их  экспрессии 
[Fukuda, 

1997; Н. Wu et al., 1997], в том числе при действии 

не только патогенов и элиситоров, но и различных стрессо-

вых гормонов [Simmons et al., 1992], а также механического 

повреждения растений [Chang et al., 1995].

Получены данные о возможности хитиназ и (3-1,3-глю-