ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 01.12.2019
Просмотров: 3445
Скачиваний: 3
CD
ли
ъ
fip
нанных
белков-ферментов катализирует образование
низкомолекулярных 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. Своим
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
фитоалексинов
[Neumann
et
al.,
1989]. Наиболее простыми 7-11-углеродными
продуктами превращения фенил ал анина
являются
бензойная, салициловая, кумаровая,
гидроксику-маровая,
кофейная, оксиметилкофейная (феруловая)
кислоты. 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, содержащие два, три, четыре и пять гетероциклов. Большинство 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 люцерны грибными элиситорами фермента ацетил-КоА-карбок-силазы, катализирующей реакцию синтеза малонил-КоА из ацетил-КоА, СО2 и АТФ [Shorrosh et al., 1994]. Найдено, что халконсинтаза имеет много изоформ даже в одном и том же
Р
ис.
51. Схема образования элиситориндуцируемых
белков, вызывающих укрепление
клеточных стенок растений, синтез
фитоалексинов,
системных элиситоров, ингибиторов
протеиназ и гли-каназ
К - кутикула; КС - клеточные стенки; ОПБ - оксипролиновые белки; СИМ - системный иммунитет; СК - салициловая кислота; ФА - фитоалексины; ФК - фенольные кислоты
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 ультрафиолетом, а для другой была отмечена противоположная зависимость [Y. Ito et al., 1997].
Продуктом халконсинтазной реакции является тетрагидроксихалкон, 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 происходит образование различных простых изофлавоноидов, ку-местанов, птерокарпанов и изофлаванов, которые обладают ярко выраженными фунгицидной [Morrissey, Osbourn, 1999] и бактерицидной активностью, подавляя, например, развитие стрептококков, актиномицетов, лактобацилл [Tsuchiya et al., 1994]. Простые фитоалексины усложняются у различных растений за счет модификационных реакций гидроксилирования, гликозилирования, ацилирования, пренилирования, сульфатации и метилирования, отражающих видоспецифические особенности метаболизма, но сохраняющих или даже усиливающих фунгицидные и бактерицидные свойства этих соединений. В ряде случаев показано, 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 - киевитон, 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 вещества.
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], активность 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 показано, что грибной элиситор вызывает неодновременное повышение активности различных ферментов фенилпропано-идного метаболизма [Chappel et al., 1984]: сначала фенил-аланин-аммиак-лиазы, а уже затем - метилтрансферазы, катализирующей последние этапы синтеза фенилпропаноидных фитоалексинов.
Обнаружено, что индукция фитопатогенными грибами синтеза фенилаланин-аммиак-лиазы у растений гороха подавлялась супресцином — соединением, продуцируемым грибом вместе с элиситорами [Wada et al., 1995].
Патогениндуцируемые ферменты синтеза терпеноид-ных фитоалексинов. Для терпеноидных фитоалексинов, так же как и для фенилпропаноидных, характерны общность начальных реакций и различия в заключительных реакциях метаболизма (рис. 53). Исходным субстратом их синтеза является ацетил-КоА, промежуточными соединениями - 3-гидрокси-З-метилглутарил-КоА, мевалонат, изопен-тенилпирофосфат и диметилаллилпирофосфат, геранилпи-рофосфат, фарнезилпирофосфат, геранилгеранилпирофос-фат, а также сквален, который может превращаться в различные фитоалексины путем реакций циклизации и присоединения различных радикалов за счет реакционной способности ненасыщенных связей [Threlfall, Whitehead, 1990; Bach, 1995]. Можно перечислить некоторых представителей 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 - остаток 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 механическое повреждение и инфицирование патогенами и могут оказывать бактерицидное и фунгицидное действие на патогены на расстоянии, еще до контакта последних с растением. Летучие продукты липоксигеназной сигнальной системы - метилжасмонат, и супероксиддисмутазной сигнальной системы - метилсалицилат, могут выполнять роль вторичных элиситоров.
Патоген(элиситор)индуцируемые белки, укрепляющие клеточные стенки растений. Обнаружено, что после воздействия элиситоров на ткани растений из них значительно труднее получить изолированные протопласты [Bradley et al., 1992; Brisson et al., 1994] с помощью общепринятой методики, предусматривающей использование целлюлаз и пек-тиназ для разрушения клеточных стенок. Это происходит вследствие того, что элиситоры индуцируют экспрессию целого ряда генов, которые кодируют ферменты, катализирующие образование ковалентных связей между белками клеточных стенок, белками и полисахаридами. К числу таких 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, обогащенных гидроксипролином (см. рис. 51), происходит в результате 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 помощью 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, обеспечивающих образование мономерных предшественников
лигнина.
Патогениндуцируемые белки растений, вызывающие деградацию клеточной стенки патогенов. Одними из первых обнаруженных антипатогенных белков прямого действия 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 инфекции [Benhamou, 1995]. В последние годы появилось довольно 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 участкам 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 стрессовых гормонов [Simmons et al., 1992], а также механического повреждения растений [Chang et al., 1995].
Получены данные о возможности хитиназ и (3-1,3-глю-