Файл: Сигнальные системы клеток растений.pdf

Рис. 54. Схема элиситориндуцируемого образования клетками 

растений белков прямого антипатогенного действия

ДФ - дефенсины; К - кутикула; КС - клеточные стенки; ПК - про-

теинкиназы; Пр - протеиназы; РИБ - рибосомоинактивирующие бел-

ки; ФРТ - факторы регуляции транскрипции 

каназ не только разрушать клеточные стенки грибов, но и 

продолжать деградацию освобождающихся фрагментов хи-

тина и (3-1,3-глюканов, снижая их элиситорные способности 
[Salzer et al., 1997].

Патогениндуцируемые  белки  растений,  нарушающие 

функционирование  клеточной  мембраны  патогенов. 

Под 

влиянием  инфицирования  и  ряда  других  неблагоприятных 

факторов  в  растениях  быстро  образуются  модификаторы 

свойств клеточных мембран патогенных грибов и бактерий 

(см. рис. 54) - относительно небольшие (от 2 до 9 кДа) по-

липептиды, подразделяемые на целый ряд семейств: тиони-

ны,  дефенсины,  липидпереносящие  белки,  хевеины,  ноти-

ны, снейкины и др. [Garcia-Olmedo et al., 1998]. Список бак-

терицидных  и  фунгицидных  полипептидов  продолжает  по-

полняться. Все они имеют идентичный план строения - нес-

колько  дисульфидных  мостиков,  гидрофобное  ядро,  одну 

протяженную а-спираль и три или четыре антипараллель-

но  расположенных  небольших  (3-полос  [Song  et  al.,  1997; 
Garcia-Olmedo et al., 1998; Fant et al., 

1999]. Так, у одного из

тионинов - у-1-пуротионина [Bruix et al., 1995], насчитыва-

ется  четыре  дисульфидных  мостика,  а-спираль,  включаю-

щая участок полипептида от 16 до 28 аминокислоты, три Р-

полосы,  включающие  1-6-, 31-34-  и  39^7-остатки  амино-

кислот. У вискотоксина дисульфидные мостики соединяют 

3 и 40, 4 и 32, 16 и 26 остатки цистеина [Orru et al., 1997], а у 

у-тионина из сорго - 3 и 47, 14 и 34, 20 и 41, 24 и 43 [Nitti 
et al., 1995].

Примечателен  факт  принципиального  сходства  строе-

ния  и  относительно  высокой  гомологии  отдельных  участ-

ков  этих  полипептидов  с  нейротоксинами  скорпиона  и  де-

фенсинами насекомых, что свидетельствует об эволюцион-

ной стабильности этих важных защитных соединений [Zinn-
Justin  et  al.,  1996;  Thevissen  et  al.,  1997;  Kushmerick  et  al., 

1998]. Следует ожидать, что взаимодействующие с ними ре-

цепторы клеточной мембраны бактерий и грибов также об-

ладают консервативной структурой.

Образование  дефенсинов  растений  индуцируется  не 

только  патогенами,  но  и  промежуточными  продуктами 

сигнальных  систем  клеток  и  некоторыми  стрессовыми 

фитогормонами,  например  МеЖК  и  этиленом  [Terras 
et  al.,  1998;  Shah  et  al., 

1999], однако регуляция этими со-

единениями  экспрессии  генов  различных  дефенсинов  мо-

жет сильно отличаться. Так, МеЖК не действовал на син-

тез  некоторых  изоформ  дефенсинов  [Epple  et  al.,  1997]. 

Как правило, салициловая кислота также не индуцирова-

ла образования дефенсинов [Epple et al., 1997; Terras et al., 
1998; Shah et aL, 1999].

При  выяснении  причин  ингибирующего  действия  на 

грибы  тионинов  и  дефенсинов  было  обнаружено,  что  они 

вызывают  изменение  мембранного  потенциала  клеточной 

мембраны  гриба  [Froy,  Gurevitz,  1998],  усиливают  погло-

щение Са

2+

, выход К

+

, подщелачивание среды [Thevissen et 

al., 1996; De Samblanx et al., 

1997], ингибируют №

+

-

кана-лы 

[Kushmerick  et  al., 

1998].  Дефенсины,  тионины  и  липид-

переносящие  белки  в  разной  степени  вызывали  аггрега-

цию и усиление проницаемости для различных веществ ис-

кусственных  фосфолипидных  липосом  [Caaveiro  et  al., 

1997]. Считается, что тионины могут подавлять рост гри-

бов,  непосредственно  (неспецифически)  действуя  на  их 

клеточные мембраны, а дефенсины - связываясь с распо-

(3-1,3-

Глюканаза-» - мРНК

ложенными в них специфическими рецепторами [Thevissen 
et al., 1996].

Интересно, что грибы в ответ на действие дефенсинов 

включают  пока  еще  неизвестный  механизм  подавления  их 

образования у растений [Sharma, Lonneborg, 1996]. Этот фе-

номен проявляется через сутки и более после начала дейст-

вия антигрибных полипептидов на грибы и является еще од-

ним  подтверждением  гипотезы  генетического  пинг-понга 

между патогеном и хозяином.

Патогениндуцируемые  белки  растений,  вызывающие 

нарушение  процессов  трансляции  у  патогенов. 

Рибосомо-

инактивирующие белки (РИБ) относятся к широко распро-

страненным  [Gasperi-Campani  et  al.,  1985;  Stirpe,  Barbieri, 
1986; Barbieri et al., 1993; Citores et al., 

1993; и др.] защитным 

антибиотическим  стрессовым  белкам,  синтез большинства 

которых начинается после воздействия на растения биоген-

ных и абиогенных стрессоров [Stirpe et al., 1996; Rippmann 
et al., 

1997; и др.] (см. рис. 54). Следует отметить, что неко-

торые  из  РИБ  синтезируются  конститутивно,  например  в 

семенах  и  плодах  многих  растений  [Vigers  et  al.,  1991],  где 

вместе с другими белками (хитиназами, [3-1,3-глюканазами, 

ингибиторами  протеиназ)  обеспечивают  защиту  от  бакте-

рий, грибов и вирусов. В последние годы РИБ привлекли к 

себе особое внимание, так как обнаружилось, что они обла-

дают  противоопухолевой  активностью  [Langer  et  al.,  1999; 
Sharma et al., 1999].

В  настоящее  время  известны  десятки  патогениндуциру-

емых представителей РИБ  у растений различных семейств. 

Названия этих РИБ обычно отражают родовую или видо-

вую  принадлежность  растений:  аспарины  из  Asparagus  offi-
cinalis  [Bolognesi  et  al., 

1990], волкенсин из Avenia volkensii 

[Sparapani et al., 

1997], бриодины из Bryonia dioica [Bolognesi 

et al., 

1990], колоцины из Citrullus colocynthis [Bolognesi et al., 

1990],  диантин  из  Dianthus  caryophyllus  [Hong  et  al.,  1996], 

гелонин из Gelonium multiflorum [Brigotti et al., 1999], луф-

фины и луффацилин из Luffa cylindrica [Brigotti et al., 1995], 

лихнин из Lychnis chalcedonica [Bolognesi et al., 1990; Brigotti 
et  al., 

1995], мапалмин из Manihot palmata [Bolognesi 

et al.,1990], MOR 

и MOR 1 из Marah oreganus [Bolognesi et al., 

1

996], момордины [Bolognesi et al.,  1996], моморхарины

| Mock et al., 1996; Wang, Ng, 

1998] и моморкохин [Bolognesi 

ct  al., 

1990]  из  Momordica  charantia,  фитолакцин  из 

Phytolacca  americana  [Barbieri et al., 

1992], рицин из Ricinus 

communis [Wang,  Ng, 1998; Sharma et al., 

1999], эбулитины 

из Sambucus ebulus [De Benito et al., 1995], нигритины и ниг-

рины  из  Sambucus  nigra  [Battelli  et  al.,  1997],  сапорины  из 
Saponaria  officinalis  [Bolognesi  et  al., 

1996],  кириловины  и 

трихокирин  из  Trichosanthes  kirilowii  [Brigotti  et  al.,  1995], 

тритины из Triticum aestivum [Brigotti et al., 1995], синамо-

мин и камфорин из Cinnamomum camphora [Li, Chory, 1997] 

и т.д.

Определение первичной структуры многих РИБ показа-

ло, что они обладают более или менее хорошо выраженной 

гомологией [Funatsu et al., 1991; Wang, Ng, 1998] и что все 

они могут быть подразделены на два основных типа: одно-

цепочечные  (РИБ  I)  и  двухцепочечные  (РИБ  II).  Некото-

рые из них гликозилированы [Di Maro et al., 1999]. Молеку-

лярные  массы  большинства  РИБ  находятся  в  пределах 
28-

32 кДа. Защита против патогенных бактерий и грибов 

обеспечивается  ингибирующим  действием  РИБ  на  процесс 

трансляции в рибосомах, а именно блокированием фактора 

элонгации [Citores et al.,  1993]. Специальные исследования 

молекулярного  механизма  подавления  трансляции  позволи-

ли  установить,  что  РИБ  вызывают  расщепление  N-связи 

между рибозой и аденином, причем в специфическом нук-

леотиде А-4256, который находится в петле 28S в рибосо-

мальной РНК, входящей в состав 60S субъединицы рибосо-

мы [Fong et al., 1991; Brigotti et al., 1999]. Считается, что де-

иуринизация  нуклеотида  А-4256  нарушает  динамическую 

гибкость структуры рибосом, которая необходима для осу-

ществления синтеза очередной пептидной связи [Holmberg, 
Nygard, 1996].

Накапливается все больше фактов не только о N-глико-

шдазной,  но  также  о  суперспиральзависимой  эндонуклеаз-

ной [Liu, Pu, 1999], РНКазной [Obrig et al., 1985; Mock et al., 

1996], ДНКазной [Nicolas et al., 1998] активностях РИБ. Об-

наружен  также  новый  фермент  -  сайт-специфическая 

рРНК-лиаза, которая способна расщеплять молекулу РНК 

на 3'-участке апуринового сайта [Ogasawara et al., 1999] и ра-

ботающая в комплексе с N-гликозидазой, обеспечивая не

только  точечное  видоизменение,  но  и  последующее  раз-

рушение  рибосомной  РНК  патогенов.  У  одного  из  РИБ  -

камфорина,  обнаружена  супероксиддисмутазная  актив-

ность [Li, Chory, 1997].

Получены любопытные данные о связи структуры не-

которых  РИБ  с  другими  стрессиндуцируемыми  белками. 

Так, N-концевой участок одного из РИБ типа I отличался от 

аналогичного  участка  хитиназы  лишь  одной  аминокисло-

той [Di Maro et al., 1999]. Обнаружена гомология между N-

концом жасмонатиндуцируемого белка 60 кДа и каталити-

ческим доменом одного из РИБ [Fong et al.,  1991]. Оказа-

лось, что последний может образовываться из белка 60 кДа 

в ходе двухступенчатого процессинга.

Многие РИБ вызывают гибель не только грибов и бак-

терий,  но  и  клеток  растений  и  животных  [Chaudhry  et  al., 
1994;  Bolognesi  et  al., 

1996]. В клеточной мембране найден 

специфический РИБ I-связывающий белок, причем РИБ I 

не проникает через плазмалемму в неинфицированные про-

топласты,  в  отличие  от  инфицированных  вирусами,  что 

предотвращает  их  размножение  [Watanabe  et  al.,  1997]. 

РИБ I проявляют гомологию с А-цепью РИБ II [Wang, Ng, 

1998],  обладающей  каталитической  активностью,  а  проник-

новение РИБ II в клетки (перенос А-цепи) обеспечивается с 

помощью В-цепи, отвечающей за  узнавание специфических 

рецепторных  белков  клеточной  мембраны  [Sharma  et  al., 

1999].  В-цепь  обладает  галактозоспецифичным  лектино-

вым доменом, узнающим галактозные остатки на поверх-

ности клеточной мембраны [Chaudhry et al., 1994].

Гены перечисленных в разделе десятков белков облада-

ют определенной видовой, тканевой и органоидной специ-

фичностью. Вид и интенсивность синтеза белков зависят от 

природы  элиситорных  сигналов  и  времени,  прошедшего 

после начала их действия. Можно быть абсолютно  уверен-

ным, что в одном опыте на определенном объекте исследо-

ватель  не  сможет  обнаружить  значительную  часть  этих 

белков. В этом отношении представляется показательным 

исследование  пространственных  и  временных  характе-

ристик  транскриптов  различных  белков,  образующихся  в 

листьях бобов в месте инокуляции патогенных бактерий и 

на различном расстоянии от него [Meier et al., 1993]. В мес-

те  инокуляции  обнаруживались  мРНК  хитиназ,  фенилала-

нин-аммиак-лиазы, халконсинтазы, в небольшой степени -

липоксигеназ. На расстоянии 0,5- 0,7 см от места инокуля-

ции было зарегистрировано высокое содержание мРНК ли-

поксигеназ, не было найдено мРНК халконсинтазы и лишь 

в небольших количествах обнаруживались мРНК хитиназы 

и  фенилаланин-аммиак-лиазы.  На  еще  большем  удалении 

можно было найти лишь мРНК липоксигеназ, но их содер-

жание было достаточно высоким. Естественно, что по мере 

увеличения времени действия патогенов  системные элиси-

горные сигналы распространяются на все большее расстоя-

ние и в удаленных от места инфекции клетках индуцируется 

синтез защитных белков и фитоалексинов.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛИСИТОРОВ И 

ИНТЕРМЕДИАТОВ СИГНАЛЬНЫХ СИСТЕМ

КЛЕТОК ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПРЕПАРАТОВ,

ПОВЫШАЮЩИХ УСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ

К ПАТОГЕНАМ

Материалы, приведенные в предыдущем разделе, свиде-

тельствуют, что элиситоры, интермедиаты сигнальных сис-

тем  и  стрессовые  фитогормоны  индуцируют  образование 

большого  набора  защитных  белков,  в  том  числе  фермен-

тов,  катализирующих  образование  антипатогенных  ве-

ществ  небелковой  природы.  Некоторые  из  защитных  со-

единений повышают  устойчивость  самих растений, другие 

оказывают ингибирующее действие на развитие патогенов.

Все это приводит к снижению отрицательного действия 

патогенов на продукционные процессы и урожай растений, 

что не могло не обратить на себя внимания. Было предло-

жено  достаточно  много  рекомендаций  практического  ис-

пользования  препаратов,  содержащих  природные  элисито-

ры, интермедиаты сигнальных систем и стрессовые фито-

гормоны или их химические аналоги. Часть этих предложе-

ний запатентована, и налажены выпуск и реализация анти-

фитопатогенных препаратов.

Из элиситоров чаще всего использовались арахидоновая 

кислота и производные хитина - олигохитозаны. В качест-

ве сырья для получения арахидоновой кислоты используют 

морских животных и некоторые органы теплокровных жи-

вотных.  Первый  препарат  для  повышения  устойчивости 

растений к патогенам на основе арахидоновой кислоты был 

предложен более 20 лет тому назад [Метлицкий и др., 1978, 

19826; Озерецковская, 1994]. Установлено, что после пред-

посевной обработки клубней картофеля или листьев в пе-

риод  бутонизации  значительно  повышалась  комплексная 

устойчивость  к  фитофторозу,  ранней  сухой  пятнистости, 

ризоктониозу и парше. Прибавка  урожая составляла в сред-

нем  25%.  Обработка  арахидоновой  кислотой  защищала 

клубни картофеля и при хранении [Чаленко и др., 2001]. За-

щитное  действие  арахидоновой  кислоты  от  фитопатогенов 

было подтверждено при исследовании ее действия на тома-

ты и сахарную свеклу [Метлицкий, Озерецковская, 1985].

Установлено,  что  арахидоновая  и  эйкозапентаеновая 

кислоты индуцируют не только локальную, но и системную 

пролонгированную  устойчивость  картофеля  к  возбудителю 

фитофтороза [Чалова и др., 1989]. Было также обнаруже-

но, что арахидоновая кислота повышает устойчивость к не-

матодам при выращивании растений в теплицах [Зиновьева 

и др., 1996], особенно в сочетании с метилжасмонатом [Зи-

новьева и др., 1998].

В  Российской  Федерации  налажен  производственный 

выпуск  антипатогенных  препаратов  на  основе  арахидоно-

вой кислоты.

В последние годы широко испытывается действие на ус-

тойчивость  растений к  патогенам  еще  одного  элиситора  -

хитозана.  Обнаружено,  что  максимальная  фитофтороус-

тойчивость  картофеля  проявляется  при  использовании  во-

дорастворимого  хитозана  с  молекулярной  массой  5  кДа 

[Переход и др., 1997; Васюкова и др., 2000]. Хитозан повы-

шал  также  устойчивость  к  нематодам  растений  томатов  в 

условиях тепличного хозяйства [Зиновьева и др., 1999], при-

чем индуцировал не только локальную, но и системную ус-

тойчивость растений к фитофторе и нематодам [Васюкова 

и др., 2001].

На  основе  хитозана  5  кДа  создан  препарат  "Агрохит", 

рекомендуемый  для  защиты  картофеля  от  фитофтороза, 

но, по-видимому, достаточно эффективный в защите и от 

других патогенов.

Молекулярные  механизмы  и  практические  аспекты  ис-

пользования  хитозана  для  повышения  устойчивости  расте-

ний к различным патогенам обсуждались на 6-м Междуна-

родном  симпозиуме  по  хитину  и  хитозану,  проведенном  в 

Москве в 2001 г.

Практическое  применение  получили  препараты  на  ос-

нове стрессовых фитогормонов и их синтетических анало-

гов.  Достаточно  широкое  распространение  получили 

препараты на основе 2-хлорэтилфосфоновой кислоты (2-

ХЭФК),  пролонгированно  освобождающие  фитогормон 

этилен:  амхел,  этрел,  кампозан,  флорел,  гидрел,  дигидрел 

[Кораблева, Платонова, 1995]. Установлено, что обработка 

этими  препаратами  растений  картофеля  и  клубней  перед 

закладкой на хранение усиливает покой клубней и их устой-

чивость  к  фитопатогенным  микроорганизмам  и  улучшает 

качество семенного материала [Метлицкий и др., 1982а; Ко-

раблева и др., 1989]. Положительные результаты от приме-

нения  препаратов-доноров  этилена  были  получены  и  при 

хранении лука и моркови [Карякина и др., 1990; Кораблева, 

Платонова, 1995].

Повышение  устойчивости  к  болезнями  продемонстри-

ровано при использовании препаратов брассиностероидов и 

их аналогов [Кораблева, Платонова, 1995].

Начинается  практическое  использование  еще  одного 

стрессового гормона - жасмоната (и его производного - ме-

тилжасмоната) [Зиновьева и др., 1998].

Давно  известно,  что  экзогенный  стрессовый  фитогор-

мон салициловая кислота (являющаяся также интермедиа-

том НАДФН-оксидазной и NO-синтазной сигнальных сис-

тем) и ацетилсалицилат вызывают синтез защитных соеди-

нений  и  повышение  устойчивости  растений  к  патогенам. 

Практическое  использование  нашел  природный  миметик 

салициловой  кислоты  [Тарчевский  и  др.,  1999]  —  янтарная 

кислота.

Уже  давно  было  отмечено,  что  янтарная кислота  явля-

ется  биологически  активным  соединением  [Благовещен-

ский, 1968]. Нами в полевых условиях на более чем 

10 тыс. га и в тепличных хозяйствах на многих сельскохозяй-

ственных культурах было показано, что предпосевная обра-

ботка семян или вегетирующих растений препаратами ян-

тарной  кислоты  приводит  к  повышению  интенсивности 

продукционных процессов и урожаев растений, что в значи-

тельной степени связано с их устойчивостью к болезням.

Технология  получения  янтарной  кислоты,  не  содержа-

щей примесей тяжелых металлов, была разработана в Ка-

занском химико-технологическом институте  в лаборатории 

профессора А.Г. Лиакумовича, и было начато производство 

препаратов на основе этого соединения.

Технология  использования  тех  или  иных  элиситоров, 

ннтермедиатов сигнальных систем и стрессовых фитогор-

монов по отдельности или в сочетаниях должна быть раз-

работана  применительно  к  конкретным  видам  и  сортам 

растений  [Озерецковская,  Васюкова,  2002],  в  противном 

случае может быть получен результат, противоположный 

ожидаемому.