Как растения защищаются от болезней

ИНДУКТОРЫ, ЭЛИСИТЕРЫ, ПРОВОКАТОРЫ

Что это такое? Это — вещества паразита, которые распознаются растением и служат тем самым для него сигналом к включению системы ответных защитных реакций. Вначале их назвали индукторами, поскольку они индуцируют устойчивость. Однако вследствие широкого толкования слова индуктор (индуцировать можно многие процессы, а не только устойчивость), термин индуктор предложили заменить на элиситер (от английского to elicit — вызывать, извлекать). А затем, на 12-м Ботаническом конгрессе в Ленинграде, слово элиситер было переведено как «провокатор», что оказалось очень близким к истине, поскольку никакое слово лучше этого не отражает истинную роль элиситеров в составе фитопатогенов. Элиситеры как бы «выдают» растению присутствие паразитов. Они представляют собой нечто вроде пятой колонны среди веществ паразита.

Тогда не может не возникнуть следующий вопрос, а затем же патогенам иметь в своем составе провокаторы-элиситеры? Ведь не для того же, чтобы их присутствие выдавало паразитов растениям, в которые они проникают? Конечно, нет. Дело не в том, что паразиты содержат элиситеры, чтобы позволить растению себя распознать, а в том, что растение приобретает способность распознавать среди метаболитов патогена вещества, которые начинают играть роль элиситеров. Роль элиситеров им навязывается растением. У паразита они служат совсем другим целям, выполняя нужные патогену функции. Чаще всего они являются структурными элементами клеточных оболочек либо экстрацеллюлярными ферментами и т. п.

Какова природа элиситоров и где они локализованы? Обычно это либо поверхностные, либо выделяющиеся паразитом вещества, т. о. именно то соединения, которые первыми соприкасаются с поверхностью растения. Ими могут быть хитин, хитозан, глюканы, гликопротеины, липополисахариды, липогликопротеидьг, пектолитические и протеолитические ферменты. Как правило, большинство элиситеров содержат в своем составе углеводы, роль которых в процессах распознавания общеизвестна. Одпако бывают и исключения. Так, элиситер фитоалексина гороха — пизатина — мопиликолин А, выделенный из паразита, вызывающего плодовую гниль яблок и грунт (Monilia fructigena), представляет собой полипептид с молекулярной массой около 8000 Дальтон.

Кстати, мониликолин А был первым элиситером, выделенным в Австралии в лаборатории профессора И. Круикчанка. Сейчас их известно несколько десятков, хотя не все они одинаково хорошо охарактеризованы. Часто один и тот же патоген содержит не один, а два или даже три элиситора, разной химической природы и по-разному локализованных в составе патогенов.

Так, в клеточных стенках и в составе выделений возбудителя фитофтороза сои присутствуют два элиситера, один из которых β-1,3-β-1,6-глюкан с молекулярной массой 100 000, а другой гликопротеин с молекулярной массой 150 000 Дальтон. В клеточпых стенках возбудителя фитофтороза картофеля нами обнаружены высокомолекулярные β-1,3-β-1,6-глюканы, а в цитоплазме липогликопротеидный комплекс. На поверхности бактерий находится липополисахаридный комплекс, который также выполняет функцию элиситера. Элиситеры индуцируют фитоалексины в крайне низких концентрациях, составляющих 10-9 и даже 10-13 М.

К настоящему времени более или менее очищен только одип элиситер из клеточных стенок возбудителя фитофтороза сои. Оказалось, что он представлял собой олигосахарид, состоящий из нескольих глюкозпых остатков, связанных β-1,3 и β-1,6-связями. Однако даже в составе наиболее очищенной фракции элиситера присутствуют полимеры глюкозы, связанные в положении 1–4, которые рассматриваются как «загрязнение».

Очень мало известно относительно механизма действия элиситеров. Поскольку каждое ботаническое семейство имеет фитоалексины разной химической природы, за синтез которых ответственны разные ферментные системы, то изучать механизмы индукции очень сложно. Предполагается, что в здоровом растении группа генов, ответственных за образование ферментов, синтезирующих фитоалексины, зарепрессирована. Индукция связана с дерепрессией этих участков генома клетки, в результате чего и начинается синтез ферментов. В пользу подобного предположения говорит тот факт, что под влиянием заражения несовместимыми паразитами в растительных тканях начинается активный синтез молекул РНК и усиленный синтез белка. Если инфицированные ткани обработать метаболическими ядами, ингибирующими синтез РНК и белка, образование фитоалексинов прекращается.

Пожалуй, наиболее убедительным доказательством в пользу справедливости этого предположения являются опыты с фитоалексином касторовых бобов — касбеном, который по химической природе представляет собой дитерпен. В тканях устойчивых бобов под влиянием заражения синтез касбена возрастал в 20–40 раз. Но самое интересное состояло в том, что заражение активировало не синтез дитерпенов вообще, а только одного дитерпена — касбена. Синтез других дитерпенов под влиянием заражения оставался в пределах нормы. Это говорит о том, что синтез касбена в результате инфицирования является результатом специфической индукции соответствующих ферментов, а не результатом усиления биогенеза дитерпенов вообще.

Существует и другая гипотеза, согласно которой ферменты, ответственные за образование фитоалексинов, хотя и существуют в здоровой клетке, по находятся в ней в неактивном состоянии, поскольку связаны некими ингибиторами. Под действием элиситера ингибирование снимается.

Большинство известных к настоящему времени элиситеров обнаружено на основании их способности вызывать накопление в растительных тканях фитоалексинов. Впоследствии стало ясным, что многие из элиситеров не только индуцируют синтез этих веществ, но и вызывают некротизацию тканей, являющуюся неотъемлемой составной частью реакции СВЧ, а также образованно раневой перидермы, отторгающей зону инфицирования от здоровой ткани. Таким образом, многие из числа ныне известных элиситеров индуцируют не только фитоалексины, по вызывают образование целого комплекса защитных реакций, связанных с реакцией СВЧ, и поэтому их правильнее называть элиситерами защитных реакций.

Еще Мюллер определил фитоалексины как продукты некротизации клеток. И действительно, подавляющее большинство элиситеров вызывают некроз клеток и накопление в них фитоалексинов. Однако есть и исключения, которым является мониликолин А. Он вызывает накопление фазеолина в клетках фасоли, которые остаются живыми, окрашиваются прижизненными красителями и сохраняют способность к плазмолизу (способность к плазмолизу и окраска прижизненными красителями — признак жизнеспособности клеток).

Индуцировать образование фитоалексинов могут не только паразитарные грибы, но и бактерии, вирусы, нематоды, а также некоторые насекомые. Кроме того, их образование может индуцироваться под влиянием ряда химических агентов и физических воздействий. Все существующие элиситеры были разделены на два класса: биотические (имеющиеся у микроорганизмов) и абиотические. К числу абиотических элиситеров относятся соединения, ничего общего не имеющие с продуктами метаболизма фитопатогенов. Сюда относятся соли тяжелых металлов, которые по своей способности индуцировать, например, образование пизатина располагаются в следующий ряд:

Hg++>Ag+>Cu++>Ni++>Fe+++>Cd+++>Zn++> >Со++>Мп++.

К числу абиотических элиситеров относятся также некоторые ингибиторы отдельных метаболитических процессов (иодацетат, фтористый натрий, 2,4-динитрофенол, некоторые антибиотики, фенольные соединения, цитокинины, циклический аденозинмонофосфат и, наконец, многие пестициды). Элиситерами являются и некоторые физические воздействия, например облучение ультрафиолетовыми лучами, частичное замораживание. Сообщалось даже, что умеренное постукивание по листьям конских бобов вызвало у них образование фитоалексинов, тогда как сильный удар — нет.

По-видимому, нет общей структуры вещества, которое определило бы его принадлежность к злиситерам, так же как и нет какой-либо определенной мишени для их действия у растительных клеток. В качестве элиситеров могут выступать вещества, различным образом повреждающие растительные клетки.

Если сравнить действие абиотических элиситеров с биотическими, то налицо их отличие, ио крайней мере по двум пунктам.

1. Биотические элиситеры вызывают образование фитоалексинов в значительно больших концентрациях, чем абиотические. Так, абиотические элиситеры оказываются активными в концентрациях 10-3—10-5 М, тогда как биотические — 10-9 М и ниже, как мы это уже говорили. Причем даже в максимально индуцирующих концентрациях абиотические элиситеры редко могут вызвать образование фитоалексинов в концентрациях, приводящих к полному подавлению роста паразитов.

2. Под влиянием абиотических элиситеров в растительных тканях индуцируются не только фитоалексины, но и ряд других соединений, не имеющих никакого отношения к реакции несовместимости паразита и хозяина. Наоборот, биотические элиситеры вызывают прицельное индуцирование только фитоалексинов.

Недавно удалось выявить разницу в действии биотических и абиотических элиситеров. Оказалось, что накопление фитоалексинов под действием биотических элиситеров происходит за счет их интенсивного синтеза, который значительно преобладает над процессом их распада — метаболизма. Абиотические элиситеры действуют наоборот. Иными словами, многие абиотические агенты, повреждающие клетку, подавляют процесс метаболизма ксенобиотиков — фитоалексинов, благодаря чему последние и накапливаются. Более того, в силу повреждения систем метаболизма они могут сохраняться в этих тканях в течение определенного времени, тогда как под действием биотических элиситеров фитоалексины после достижения фунгитоксических концентраций исчезают из растительных тканей, поскольку элиситер не повреждает системы их метаболизма.

В свете этих данных по-новому можно представить себе, как отражается на содержании фитоалексинов обработка растения теми пестицидами, которые обладают способностью вызывать их образование. Под воздействием таких пестицидов индуцируется накопление в растительных тканях фитоалексинов, которые сохраняются в ткани, а не исчезают из нее, поскольку процессы их метаболизма подавлены. Обработка пестицидами может происходить несколько раз в сезон, поэтому количество фитоалексинов в растительных тканях все более и более возрастает и может накопиться в них в токсических для человека и животных концентрациях. Конечно, совсем не обязательно, чтобы все пестициды служили элиситерами фитоалексинов и при этом ингибировали их метаболизм. Число таких элиситеров достаточно велико, и трудно представить себе, чтобы все они имели единый механизм действия. Однако при испытании и отборе новых пестицидов следует все же иметь в виду их нежелательную способность вызывать накопление фитоалексинов в растительных тканях.

Итак, предполагается, что на поверхности паразитарных микроорганизмов имеются определенные вещества, которые распознаются растением и являются для него элиситерами защитных реакций, чаще всего реакции СВЧ. Казалось бы, все просто и ясно. Элиситеры вызывают СВЧ-гибель клеток хозяина и образование фитоалексинов, которые накапливаются в отмерших клетках и губят присутствующего там паразита. Однако в этой простой схеме не все концы сходятся с концами.