ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 01.12.2019
Просмотров: 3394
Скачиваний: 3
ПАТОГЕНЫ И ЭЛИСИТОРЫ
Болезни растений вызывают тысячи видов микроорганизмов, которые можно разделить на три группы [Jackson, Taylor, 1996]: вирусы (более 40 семейств) и вироиды; бактерии (Agrobacterium, Corynebacterium, Erwinia, Pseudomonas, Xanthomonas, Streptomyces) и микоплазмоподобные микроорганизмы; грибы (низшие: Plasmodiophoromycetes, Chitridomycetes, Oomycetes: высшие: Ascomycetes, Basidi-omycetes, Deuteromycetes).
К патогенам относят также более 20 родов нематод, чаще всего поражающих корни, в меньшей степени — ткани листьев. Фитопатогенные нематоды являются облигатны-ми паразитами, питающимися содержимым цитоплазмы живых клеток растений и в связи с этим вызывающими обширные некрозы тканей растений [Williamson, Hussey, 1996]. Структурами, обеспечивающими питание нематод, являются секреторные гланды и стилет, приспособленный для проникновения через клеточную стенку. Секреторная жидкость гланд, содержащая гидролитические ферменты, освобождается через стилет в периплазматическое пространство клетки. Целостность плазмалеммы на начальных этапах процесса питания нематоды не нарушается. Она извлекает питательные вещества из цитозоля через небольшие поры плазмалеммы, образующиеся в месте ее контакта с отверстием стилета. Среди продуктов секреции гланд нематод обнаружены белки, углеводы, ферменты целлюла-зы и протеиназы. Образующиеся в результате контакта растения и нематоды элиситоры вызывают в значительной степени неспецифичную ответную защитную реакцию клеток хозяина, которая возникает вследствие "включения" сигнальных систем атакуемых клеток [Williamson, Hussey, 1996]. Так, нематоды индуцировали в клетках растений син-
тез защитных ферментов: фенилаланин-аммиак-лиазы [Brueske, 1980] и анионной пероксидазы [Zacheo et al.,
1993].
Одним из важных компонентов экологических систем являются растительноядные насекомые (взрослые и личиночные формы), которые относятся в основном к подклассу высших, или крылатых (Pterygota) [Шванвич, 1949]. Бескрылые формы, относящиеся к этому подклассу, появились в результате утраты этих органов в процессе эволюции крылатых форм. Подкласс насчитывает 20 отрядов насекомых, среди которых имеются полифаги, не обладающие специфичностью по отношению к растению, олигофаги и монофаги, у которых ярко выражена специфичность взаимодействия патогена и растения-хозяина. Одни насекомые питаются листьями (всей листовой пластинкой или скелети-руя лист), другие - стеблями (в том числе выгрызая стебель изнутри), завязями цветов, плодами, корнями. Тли и цикады высасывают сок из проводящих сосудов с помощью хоботка или стилета.
Несмотря на принимаемые меры борьбы с насекомыми, продолжает оставаться злободневной проблема уменьшения причиняемого ими вреда. В настоящее время свыше 12% урожая сельскохозяйственных растений на планете теряется в результате атаки на них патогенных микроорганизмов, нематод и насекомых [Rommens, Kishore, 2000].
Повреждение клеток приводит к деградации их содержимого, например высокополимерных соединений, и появлению олигомерных сигнальных молекул. Эти "обломки кораблекрушения" [Тарчевский, 1993] достигают соседних клеток и вызывают в них защитную реакцию, включающую изменение экспрессии генов и образования кодируемых ими защитных белков. Часто механическое повреждение растений сопровождается их инфицированием, так как открывается раневая поверхность, через которую в растение проникают патогены. Кроме того, в ротовых органах насекомых могут обитать фитопатогенные микроорганизмы. Известно, например, что переносчиками микоплазмен-ной инфекции являются цикады, у которых взрослые формы и личинки питаются соком ситовидных сосудов растений, прокалывая хоботком-стилетом покровы листьев и
Р
ис.
2. Схема взаимодействия клетки патогена
с растением-хозяином
/ - кутиназа; 2 - продукты деградации компонентов кутикулы (возможно, обладающие сигнальными свойствами); 3 - (3-глюканаза и другие гликозилазы, экскретируемые патогеном; 4 - элиситоры - фрагменты клеточной стенки (КС) хозяина; 5 - хитиназы и другие гликозилазы, действующие разрушающе на КС патогена; 6 - элиситоры - фрагменты КС патогена; 7 - фитоалексины - ингибиторы протеиназ, кутиназ, гликози-лаз и других ферментов патогена; 8 - токсические вещества патогена; 9 - укрепление КС хозяина за счет активации пероксидаз и усиления синтеза лигнина, отложения оксипролиновых белков и лектинов; 10 - индукторы сверхчувствительности и некроза соседних клеток; // - продукты деградации кутина, действующие на клетку патогена
молодых стеблей. Розанная цикадка, в отличие от других представителей цикадовых, высасывает содержимое клеток. Цикады производят меньшее повреждение тканей растений, чем листогрызущие насекомые, тем не менее растения могут на него реагировать так же, как на сопряженное с ним инфицирование растений.
При контакте с растениями клетки патогенов выделяют различные соединения, обеспечивающие их проникновение в растение, питание и развитие (рис. 2). Некоторые из этих соединений являются токсинами, которые патогенные микроорганизмы выделяют для ослабления сопротивляемости хозяина. В настоящее время описано более 20 хозяин-специфичных токсинов, продуцируемых патогенными грибами.
Рис. 3. Фитотоксичное соединение из Cochlio-bolus carbonum [Walton, 1996]
Бактерии и грибы образуют также неселективные токсины, в частности фузикокцин, эрихосетен, коронатин, фазе-олотоксин, сирингомицин, табтоксин [Walton, 1996].
Один из хозяин-специфичных токсинов, выделяемых Pyrenophora triticirepentis, - это белок 13,2 кДа, другие являются продуктами вторичного метаболизма, имеющими самую разнообразную структуру - это поликетиды, терпено-иды, сахариды, циклические пептиды и т.д.
Как правило, к последним относятся пептиды, синтез которых происходит вне рибосом и которые содержат остатки D-аминокислот. Например, хозяин-специфичный токсин из Cochliobolus carbonum имеет тетрапептидную циклическую структуру (D-npo-L-ana-D-ana-L-A3JJ), где последняя аббревиатура означает 2-амино-9,10-эпокси-8-оксо-де-каноевую кислоту [Walton, 1996; 2000] (рис. 3). Токсин образуется в клетках патогена с помощью токсинсинтазы. Устойчивость к этому соединению у кукурузы зависит от гена, кодирующего НАДФН-зависимую карбонил-редуктазу, восстанавливающую карбонильную группу, что приводит к
деактивации токсина. Оказалось, что в организме растения-хозяина токсин вызывает ингибирование гистон-деацетилаз и, как следствие, сверхацетилирование гистонов. Это подавляет защитный ответ растения, вызываемый инфицированием патогенами [Walton, 2000].
Другой тип соединений, выделяемых патогенами, получил название элиситоров (от англ. elicit - выявлять, вызывать). Собирательный термин "элиситор" был предложен впервые в 1972 г. [Keen et al., 1972] для обозначения химических сигналов, возникающих в местах инфицирования растений патогенными микроорганизмами, и получил широкое распространение.
Элиситоры играют роль первичных сигналов и приводят в действие сложнейшую сеть процессов индукции и регуляции фитоиммунитета. Это проявляется в синтезе защитных белков, нелетучих растительных антибиотиков - фитоалек-синов, в выделении антипатогенных летучих соединений и др. В настоящее время охарактеризована структура множества природных элиситоров. Некоторые из них продуцируются микроорганизмами, другие (вторичные элиситоры) образуются при ферментативном расщеплении высокополимерных соединений кутикулы и полисахаридов клеточных стенок растений и микроорганизмов, третьи представляют собой стрессовые фитогормоны, синтез которых в растениях индуцируется патогенами и абиогенными стрессорами. К числу важнейших элиситоров относятся белковые соединения, экскретируемые патогенными бактериями и грибами, а также белки оболочки вирусов [Toedt et al., 1999]. Наиболее изученными белковыми элиситорами можно считать небольшие (10 кДа), консервативные, гидрофильные, обогащенные цистеином элиситины, секретируе-мые всеми исследовавшимися видами Phytophthora и Pythium [Kamoun et al., 1993; Pernollet et al., 1993; Pallaghy et al., 1994; Huet et al., 1995; Lloyd, 1995; Panabieres et al., 1995; Kamoun et al., 1998; Zhang et al., 1998]. К ним относится, например, криптогеин [Keller et al.,1999; Lebrun-Garcia et al., 1999; Foissner et al., 2000].
Элиситины вызывают сверхчувствительность и отмирание инфицированных клеток, особенно у растений рода Nicotiana [Kamoun et al., 1997]. Наиболее интенсивное образование фитофторой элиситинов происходит при росте ми-
целия гриба и на последних стадиях инфекции, когда наблюдаются обильная споруляция гриба и некрозы в листьях. Интересно, что у паразитирующего на томатах гриба Cladosporium fulvum пептидный элиситор не образовывался в оптимальных условиях in vitro, но интенсивно синтезировался внутри листа растения [Van den Ackerveken et al., 1994].
Обнаружено, что элиситины способны переносить сте-ролы через мембраны, так как имеют стеролсвязывающий сайт [Mikes et al., 1998]. Многие патогенные грибы сами не могут синтезировать стеролы, что делает понятной роль элиситинов не только в питании микроорганизмов, но и в индуцировании защитной реакции растений. Из фитофторы был выделен гликопротеидный элиситор 42 кДа [Jabs et al., 1997; Hirt, Scheel, 2000]. Его активность и связывание с белковым рецептором плазмалеммы, мономерная форма которого представляет собой белок 100 кДа [Nennstiel et al., 1998], обеспечивалась олигопептидным фрагментом из 13 аминокислотных остатков. Расоспецифичный элиситорный пептид, состоящий из 28 остатков аминокислот с тремя дисуль-фидными группами, удалось получить из фитопатогенного гриба Cladosporium fulvum [De Wit, 1997; Van den Hooven et al., 1999], причем образовывался пептид из предшественника, содержавшего 63 аминокислоты. Этот фактор авиру-лентности обнаруживал структурную гомологию с рядом небольших пептидов, таких как ингибиторы карбоксипеп-тидазы и блокаторы ионных каналов [Pallaghy et al., 1994], и связывался рецепторным белком плазмалеммы, по-видимому, вызывая его модуляцию, димеризацию и передачу сигнального импульса в сигнальные системы [De Wit, 1997]. Из более крупного пре-протеина Cladosporium fulvum, состоящего из 135 аминокислот, в ходе посттрансляционного процессинга образуется элиситорный белок, насчитывающий 106 аминокислот. Элиситорные белки, продуцируемые ржавчинным грибом Uromyces vignae, представляют собой два небольших полипептида 5,6 и 5,8 кДа, по свойствам непохожие на другие элиситины [De Silva, Heath, 1997]. Среди бактериальных белковых элиситоров наиболее изучены харпины [Hahn, 1996; Desikan et al., 1998; Pontier et al., 1998; Xie, Chen, 2000]. Многие фитопатогенные бактерии продуцируют элиситорные олигопептиды (созданы их синтетиче-
ские аналоги), соответствующие наиболее консервативным участкам белка - флагеллина [Felix et al., 1999; Gomez-Gomez et al., 1999], являющегося важным фактором вирулентности этих бактерий. Из Erwinia amylovora выделен новый элиситорный белок, С-область которого гомологична ферменту пектатлиазе, способной вызывать появление эли-ситорных олигомерных фрагментов - продуктов деградации пектина [Gaudriault et al., 1998]. Патогенная бактерия Erwinia carotovora экскретирует элиситорный белок харпин и ферменты пектатлиазу, целлюлазу, полигалактуроназу и протеазы, гидролизующие полимерные компоненты клеточных стенок растения-хозяина (см. рис. 2), в результате чего образуются олигомерные элиситорные молекулы [Y. Liu et al., 1998]. Интересно, что пектатлиаза, выделяемая Erwinia chrysanthemi [Shevchik et al., 1998], приобретала активность в результате внеклеточного процессинга.
Некоторые липиды и их производные также относятся к элиситорам, в частности 20-углеродные полиненасыщенные жирные кислоты некоторых патогенов - арахидоно-вая и эйкозапентаеновая [Ильинская и др., 1991; Озерец-ковская и др., 1993; Озерецковская, 1994; Гилязетдинов и др., 1995; Ильинская и др., 1996а, б; Ильинская, Озерец-ковская, 1998], и их оксигенированные производные. В обзорной работе [Ильинская и др., 1991] обобщаются данные об элиситорном действии на растения липидов (липопро-теинов), продуцируемых патогенными грибами. Оказалось, что элиситорным эффектом обладает не белковая часть липопротеинов, а их липидная часть, представляющая собой не свойственные для высших растений арахидоно-вую (эйкозатетраеновую) и эйкозопентаеновую кислоты. Они вызывали образование фитоалексинов, некротиза-цию тканей и системную устойчивость растений к различным патогенам. Продукты липоксигеназного превращения в тканях растений С20 жирных кислот (гидроперокси-, гидрокси-, оксо-, циклические производные, лейкотрие-ны), образующиеся в клетках растения-хозяина с помощью ферментного липоксигеназного комплекса (субстратами которого могут быть как С,8, так и С20 полиеновые жирные кислоты), оказывали сильнейшее влияние на защитную реакцию растений. Это объясняется, по-видимому, тем, что в неинфицированных растениях нет оксиге-
нированных производных 20-углеродных жирных кислот, и их появление в результате инфицирования приводит к драматическим результатам, например к образованию некрозов вокруг инфицированных клеток, что создает барьер для распространения патогенов по растению.
Имеются данные, что индуцирование патогеном липо-ксигеназной активности приводило к формированию ответной реакции растения и в том случае, когда элиситор не содержал С20 жирных кислот и субстратом липоксигеназной активности могли быть только собственные С18 полиеновые жирные кислоты, а продуктами - октадеканоиды, а не эйкозаноиды. Элиситорными свойствами обладают также сиринголиды [Л et al., 1998] и цереброзиды - сфинголипид-ные соединения [Koga et al., 1998]. Цереброзиды А и С, изолированные из Magnaporthe grisea, были наиболее активными элиситорами для растений риса. Продукты деградации цереброзидов (метиловые эфиры жирных кислот, сфинго-идные основания, гликозил-сфингоидные основания) не обнаруживали элиситорной активности.