Заражение растений начинается со взаимного распознавания, происходящего между клетками хозяина и патогена. Если клетки растений признают микроорганизм в качестве инородного организма, происходит серия биохимических изменений, направленная на устранение вторгающегося организма, и заражение не осуществляется. Если же вторгающиеся патогены не распознаются как посторонние организмы, происходит заражение. Выяснение биохимических и физиологических основ этих взаимодействий не только пополняет наши знания о взаимоотношениях между паразитом и хозяином, но также способствует развитию альтернативных концепций и стратегий защиты растений.
Прогресс в этой области исследований особенно примечателен в последние два десятилетия. В течение этого периода японские ученые, подобно другим, добились уникальных теоретических и экспериментальных успехов в изучении механизмов заражения растений. Ниже я попытаюсь кратко обобщить достижения японских фитопатологов и биохимиков в области физиологии и биохимии этого процесса.
Первичные взаимоотношения
Поведение гриба и ответная реакция хозяина перед или во время внедрения патогена освещены в многочисленных статьях и обзорах. Хорошо установлено, что физические барьеры, такие как папиллы или инкапсулирование, играют важную роль в первичной защитной реакции клеток хозяина. Образование папилл и цитоплазматических агрегатов перед вступлением клеточной стенки в контакт недавно вновь привлекло внимание фитопатологов. Известно, что папиллы содержат неоднородные соединения — каллозу, целлюлозу, лигнин, суберин, белок, ферменты, а также неорганические элементы — Са, Si, Zn и другие вещества.
Куно с соавт. с помощью рентгеновского микроанализатора показали накопление кремния и кальция в папиллах в сайтах взаимодействия эпидермиса ячменя и возбудителя мучнистой росы. Позже, на основании результатов электронно-микроскопических исследований, они внесли большой вклад в познание первичных взаимоотношений возбудителя мучнистой росы ячменя и первичных ростковых трубок, образующихся на 2 ч раньше, чем аппресориальные. Исследователи четко показали, что эти ростковые трубки формируются исключительно у Erysiphe graminis и индуцируют образование цитоплазматических агрегатов и папилл точно так же, как аппрессориальные. Первичная ростковая трубка, видимо, поглощает кальций и кремний во время инициации локализованной ответной реакции и отдает эти элементы вскоре после индукции трубками аппрессория аналогичной реакции хозяина. Изменения в содержании радиоактивного кальция во время этих процессов доказывают правоту такой идеи. Аналогично акридин оранжевый, абсорбированный конидиями из клеток хозяина, во время индукции локализованных реакций первичными ростковыми трубками был обнаружен в папиллах. Эти результаты позволили предположить, что механизмы поглощения и выделения веществ прорастающей конидией играют важную роль в закреплении гриба. Однако, если первичные ростковые трубки отделяли от поверхности хозяина на разных стадиях морфогенеза конидии, влияние на последующий инфекционный процесс было незначительным Кроме того, конидии, прораставшие на слюде и затем перенесенные на колеоптиль, были способны к заражению его клеток. Таким образом, контакт первичной ростковой трубки с клетками хозяина не имеет существенного значения для последующего заражения ростковыми трубками аппрессория.
Тем не менее опыты показали, что восприимчивость клеток колеоптиля к грибу была очень слабой в течение 5—6 ч после контакта с первичными ростковыми трубками и усиливалась через 7—8 ч. По мнению Куно с соавт., эти данные показывают, что первичные ростковые трубки вызывают нарушения метаболизма хозяина и его устойчивости еще до того, как начинается проникание аппрессориев.
Изучение роли и механизма гибели сверхчувствительной клетки
Сверхчувствительность — это одно из наиболее универсальных выражений устойчивости растений к патогенам. Ее механизм и значение оставались малоизвестными до тех пор, пока Томияма с соавт. не приступили к их систематическому изучению. Крупные успехи школы Томияма, достигнутые за последние 10 лет, можно разделить на следующие три категории.
1. Выяснение структуры и путей биосинтеза риши-тина — фитоалексина картофеля. Обнаружено, что ри-шитин синтезируется из ацетата через оксилюбимин и трансформируется в ришитин-М1, и ришитин-М2, которые имеют меньшую антигрибную активность. Количество этого фитоалексина в ткани коррелирует с числом побуревших клеток в результате заражения. Таким образом, можно сказать, что фитоалексины картофеля играют важную роль в локализации гриба в погибших сверхчувствительных клетках.
2. Реакция сверхчувствительности требует затраты энергии. Синтез белка de novo необходим для повышения способности клеток проявлять реакцию сверхчувствительности, но не для самой гибели сверхчувствительной клетки. Однако гибель сверхчувствительной клетки — это энергоемкий процесс. Обработка тканей некоторыми химическими веществами или высокой температурой вызывала задержку гибели сверхчувствительной клетки, и в итоге ткань становилась более восприимчивой.
3. Выделение и характеристика фактора, индуцирующего сверхчувствительность (ФИС), и фактора, подавляющего сверхчувствительность (ФПС). Сверхчувствительная реакция клеток хозяина индуцируется при контакте между поверхностью клеточной стенки гриба и клеточной мембраной хозяина. Лектины картофеля, очевидно, имеют важное значение в этом процессе распознавания. Наиболее важным достижением в данной серии исследований является открытие, что расосортовую специфичность в системе фитофтороз—картофель определяет ФПС, образуемый совместимой расой, а не ФИС. Этот фактор, обнаруженный в зооспорах, мицелии и жидкости, образующейся при прорастании спор Phytophthora infestans, ингибирует гибель сверхчувствительной клетки, побурение тканей и накопление фитоалексина, индуцируемого несовместимой инфекцией или действием ФИС. ФПС определен как глюкан, состоя
щий из 17—23 единиц глюкозы, связанных β(1, 3)- и β( 1, 6) -связями. Очевидно, гибель сверхчувствительной клетки — это своего рода самоуничтожение тканей с целью защиты остальных клеток от гриба.
Роль предварительно образовавшихся соединений и фитоалексинов в проявлении устойчивости
Во взглядах на роль фитоалексинов существуют некоторые противоречия, и все же во многих случаях они играют определенную роль в проявлении устойчивости. Оку и др. обнаружили, что активность фитоалексинов в диффузатах из листьев ячменя, зараженных мучнистой росой, коррелирует со степенью генетически обусловленной устойчивости сортов. Эти авторы предположили, что заражение мучнистой росой определяется скоростью первой фазы накопления фитоалексчнов. Однако фитоалексины ячменя химически не идентифицированы.
Тани с соавт., изучая взаимодействие овса и корончатой ржавчины, выделили и определили некоторые антигрибные соединения из листьев. Два стероидных соединения — 26-десглюкоавенакозиды А и В из механически поврежденных листьев оказались аглико-нами предварительно образовавшихся авенакозидов А и В соответственно. Эти вещества относятся к категории пост-ингибитинов. Кроме того, из листьев овса были выделены и идентифицированы фитоалексины, а именно авеналумииы I, II, III, являющиеся азотсодержащими фенольными соединениями. Структура авеналумина I определена как 2-[2-(4-оксифенил)этэнил]-6-окси-4Н-3, 1-бензоксазин-4-он. Недавно установлена также структура авенатуминов II и III. Группа Тани выделила два изо-флавоноида антигрибного действия, один из которых оказался новым соединением и был назван О" рамнози-лизосвертизин. Однако исследователи пришли к выводу, что эти изофлавоноиды не играют роли в индуцировании устойчивости, поскольку их количество не изменялось после заражения. Наибольшее значение имеет открытие Тани и его коллег, что эти пост-ингибитины и фитоалексины играют различную роль в устойчивости в зависимости от способа внедрения гриба. В частности авеналумины несут определяющую функцию в проявлении устойчивости листьев овса к возбудителю корончатой ржавчины, который проникает через устьица и, следовательно, не может гидролизовать авенакозид до 26-десглюкоавенакозида. Некоторые представители Helmin-thosporium, в том числе Drechslera avenae, которые проникают прямо через кутикулу, индуцируют и авенакози-ды, и фитоалексины. Авеналумины были менее активны по отношению к этим грибам, а пост-ингибитины считаются более важными в проявлении устойчивости к ним. Ни один из антигрибных соединений не был эффективным против патогена овса — D. avenae. Кроме того, их обнаружили в листьях овса, зараженных непатогенными видами Pyricularia, причем все ингибиторы и фитоалексины эффективно подавляли эти грибы.
Иосикава с соавт. получили предварительные данные о том, что фитоалексин сои глицеоллин играет важную роль в механизмах устойчивости. Ультра-структурные аномалии в клетках грибов, обработанных глицеоллином, были сходны с аномалиями в клетках грибов, проникших в гипокотили сои с реакцией несовместимости. Это позволяет предположить, что накопление глицеоллина служит основным фактором, ограничивающим рост грибов в несовместимых гипокотилях сои. Актиномицин D и бластицидин S эффективно блокируют синтез глицеоллина, а также проявление устойчивости, указывая, что для индукции синтеза глицеоллина необходима de novo транскрипция и трансляция гена. Действительно, при несовместимых взаимодействиях в гипокотилях обнаруживали новые виды иРНК-Установлено, что уровни глицеоллина в тканях регулируются активированием биосинтеза и ингибированием биоразрушения. Биотические элиситоры, например компоненты клеточной стенки грибов, стимулируют биосинтез, но не влияют на процессы деградации. Наоборот, различные абиотические элиситоры сильно подавляют активность деградации, не стимулируя синтез. Следовательно, механизмы действия биотических и абиотических элиситоров различны. По данным сравнительных экспериментов, на мембранах семядолей сои существуют какие-то специфические рецепторы индукторов глю-кана. Синтез фитоалексина, очевидно, запускается при связывании грибных элиситоров этими рецепторами
Специфические токсины и их роль в качестве детерминантов болезней
Открытие мирового значения, сделанное японскими учеными, — это выяснение химической структуры специфических для хозяина токсинов (СХТ), выделенных
Уэно с соавт. из Alternaria mali. Из культуральной жидкости и мицелиальной массы выделено три фитотоксичных метаболита — AM-токсины I, II и III. Результаты химических и спектральных анализов показали, что АМ-токсины представляют собой аналоги циклических депси пептидов, содержащие по одной молекуле L-α-окси изовалериановой кислоты, L-аланина, α-амнно-акриловой и L-α-амино-δ-(р-метоксифенил)-валериановой кислот (АМ-токсин I); L-α-амино-δ-фенилвалериа-новой кислоты (АМ-токсин II) или L-α-амино-δ-(р-окси-фенил)-валериановой кислоты (АМ-токсин III). Определена последовательность этих аминокислот, а предложенную структуру подтвердил элементарный (встречный) синтез Путем сравнения токсичности синтезированных аналогов найдены функциональные группы этих токсинов.
Комото с соавт. [7, 8, 29] изучили сайты действия АМ-токсинов и установили, что лишенные хлоропластов ткани восприимчивых сортов, например тычиночные нити, лепестки, столбики и свежие клетки, невосприимчивы к АМ-токсину I (10-4—10 -5 М), тогда как для зеленых тканей тех же сортов он был токсичен в концентрации 10-8М. Электронные микрофотографии восприимчивых тканей, обработанных 10-6М токсина I, показали повреждение и хлоропластов, и плазматических мембран через час после обработки. Эти наблюдения согласуются с открытием, что содержание хлорофилла в восприимчивых тканях начинает снижаться через час после обработки, а через два часа достигает приблизительно 40% от необработанного контроля. Очевидно, АМ-токсины могут оказывать специфическое воздействие как на хлоропласты, так и на плазматическую мембрану восприимчивых тканей.
Нисимура с соавт. предложили применять общее наименование Alternaria alternata для шести грибов, которые образуют СХТ как фактор патогенности. Далее каждый гриб обозначили как определенный патотип соответственно поражаемому хозяину (например, A. alternata — патотип с яблони). Полевые наблюдения показывают, что только небольшая часть изолятов Alternaria из садов с восприимчивыми сортами образует АМ-токсин. Ни один из изолятов, обнаруженных в посадках устойчивых сортов, этим свойством не обладал, следовательно, большинство изолятов Alternaria — это сапрофиты, которые нельзя отнести к какому-то специфическому патотипу. Подобным же образом вое-
приимчивые растения оказывают селективное давление на продуцентов специфических токсинов. В природе и в культуре происходят мутации в сторону образования токсина. Из изолятов, не выделяющих токсин, были вышеплены двойные мутанты, которые образуют AM- и АК-токсины и одинаково патогенны для яблони и груши. Тщательные наблюдения за процессом поражения показали, что эти токсины не убивают клетки хозяина перед внедрением, а нарушают их метаболическую активность. Таким образом, СХТ, видимо, подавляет общие защитные механизмы в восприимчивых растениях.
Метаболические изменения, индуцируемые патогеном
Анализ биохимических изменений, происходящих в пораженных тканях, не только расширяет нашу информацию о патологических взаимоотношениях, но и вносит существенный вклад в познание нормальных метаболических процессов в растениях. Своими теоретическими и экспериментальными подходами к динамике взаимодействий в системе батат — Ceratocystis fimbriata Ури-тани с соавт. открыли новое поле исследований в области фитопатологии. Первичный ме-ханизм защиты различных растений против рас С. fim-briata, очевидно, связан с агглютинацией несовместимых конидий под действием фактора, выделяемого их соответствующими хозяевами. За небольшим исключением, факторы, выделенные из батата, картофеля, таро, огурца и фасоли, агглютинируют конидии только несовместимых рас. Очевидно, эти факторы играют важную роль в распознавании патогена тканями хозяина и в последующем запуске серии взаимосвязанных реакций, ведущих к проявлению устойчивости.
В пораженных тканях батата изменяется активность различных метаболических процессов и накапливаются фураносесквитерпены, концентрация которых зависит от степени несовместимости. Детальное изучение путей синтеза фитоалексинов в тканях батата, например ипо-меамарона, ипомеамаронола и дегидроипомеамарона, показало, что именно заражение, а не механическое повреждение активизирует 3-окси-3-метил-глутарил КоА (ОМГ-КоА) редуктазу и пирофосфомевалонат декарбоксилазу. Циклогексимид ингибирует накопление фитоалексина, индуцированное действием HgCl2, и это позволяет предположить, что ОМГ-КоА редуктаза, но в не
активной форме, синтезируется в ответ на поранение (порез), а затем активируется обработкой HgCl2- Активность хроматин-связанной РНК полимеразы, образование полирибосом и синтез общих белков возрастают вскоре после обработки срезов тканей HgCl2. Отсюда возникло предположение, что ферменты, участвующие в бносинтезе фураносесквитерпенов, синтезируются de novo в ответ на механическое повреждение и становятся активными под действием HgCl2. Как и другие фитоалексины, ипомеамарон метаболизируется в ипомеама-ронол и затем в неидентифицированные соединения. В микросомальной фракции обнаружен ответственный за этот процесс фермент, а также необходимый молекулярный кислород и НАДФ. Он получил название ипомеамарон 15-гидролазы. В свежих тканях фермент не обнаружен, но его содержание возрастает в поврежденных и в еще большей мере — в инфицированных тканях. Эти результаты подтверждают идею о том, что биохимия искаженного метаболизма обеспечивает глубокое понимание нормальных путей метаболизма в организмах.
Восприимчивость как процесс, индуцированный патогенами
В природе болезнь — это скорее исключение, чем правило. Только ограниченное количество микроорганизмов способно вызывать заболевания растений. Таким образом, патоген должен выработать средства для преодоления механизмов защиты, приобретенных расте-ниями-хозяевами в ходе эволюции. Это основная идея, которой руководствовались Оучи и его сотрудники, предлагая концепцию восприимчивости. Согласно этой концепции, совместимые патогены подавляют процесс распознавания или последующую обусловленную устойчивость клетки хозяина и устанавливают псевдо-симбиотическую ассоциацию с клетками хозяина. Индукция доступности отмечена не только для грибных, но также бактериальных и вирусных заболеваний и, видимо, является основой патогенеза. Оку недавно обнаружил два супрессора биосинтеза пизатина в жидкости, образующейся при прорастании пикноспор Mycos-phaerella pinodes — патогена гороха. Они были нингид-рин-положительными при тонкослойной хроматографии (ТСХ) и подавляли накопление пизатина в листьях гороха, обработанных высокомолекулярным элиситором.
выделенным из этого же гриба. Один из них, обозначенный как F5, делает листья гороха восприимчивыми к таким непатогенным грибам, как A. alternata, Mycos-phaerella lignicola, Ascochyta punctata и Cohliobolus miyabeanus. Более того, F5 делает некоторых хозяев М. pinodes доступными для непатогена A. alternata. Биологическая активность F5 настолько специфична, что круг хозяев этого гриба можно объяснить конидиаль-ным продуктом. По данным аминокислотного анализа, F5 содержит аспарагиновую кислоту, серин и глицин в отношении 1: 2: 1. Похожий супрессор был обнаружен в жидкости, образующейся при прорастании спор Mycosphaerella melonis. Он также индуцирует доступность семядолей огурца для A. alternata, но не обусловливает ее у гороха и листьев хризантем. Эти супрессоры не вызывают каких-либо видимых повреждений клеток и, следовательно, едва ли могут быть токсинами. Тем не менее в патогенезе они играют важнейшую роль. Оучи и Оку предлагают использовать термин им-педины («мешающие») для таких факторов, которые образуются патогенами для активного или пассивного подавления защитных реакций клеток или тканей хозяина и таким образом дают возможность продуценту и другим потенциальным патогенам осуществлять заражение.
Лигнификация как физический барьер для патогена
В недавнем обзоре Вэнса и др. детально рассмотрена роль лигнннов во взаимоотношениях растения и паразита. Таким образом, едва ли стоит касаться этого вопроса в отсутствие дальнейших достижений в данной области. Мои коллеги и я недавно успешно выделили и охарактеризовали фактор, индуцирующий лигнификацию (ФИЛ), из зараженных мучнистой росой тканей редьки японской (Eutrema wasadi). Это гликопептид неспецифического действия, индуцирующий лигнификацию в растениях не только редьки и турнепса, но и огурца, которые, как известно, образуют гваяцил-лигнины в ответ на механические повреждения. В тканях лука, не выделяющего лигнин в результате повреждения, ФИЛ лигнификации не вызывает. Таким образом, активация генов лигнификации повреждением или в результате действия ФИЛ — это первичное и наиболее важное явление в образовании лигнинсодержащих
физических барьеров. Фитоалекснны в большинстве случаев представляют собой промежуточные метаболические продукты с низкой молекулярной массой и в растительных тканях выполняют функции химических барьеров. Лигнины — это конечные продукты с высокой молекулярной массой, играющие важную роль в физическом блокировании внедряющихся микроорганизмов. Оба эти барьера могут быть индуцированы биотическими и (или) абиотическими элиситорами.
Используемая литература: Инфекционные болезни растений: физиологические и биохимические основы/Пер. с англ. Л. Л. Великанова, Л. М. Левкиной,
В. П. Прохорова, И. И. Сидоровой; Под ред. и с предисл.
Ю. Т. Дьякова. — М.: ВО Агропромиздат, 1985. — 367 с.
Скачать реферат:
Пароль на архив: privetstudent.com