Как растения защищаются от болезней

В течение двух последних десятилетий исследователи, в том числе и авторы этой книги, упорно искали причину того, почему одна раса паразита поражает данный сорт картофеля, тогда как к другой авирулентной расе этот же сорт оказывается устойчивым (рис. 12). Обе расы морфологически не отличаются друг от друга, обе содержат в своем составе неспецифические индукторы защитных реакций, обе в равной мере чувствительны к токсическому действию фитоалексинов. Так в чем же, собственно, дело?

Рис. 12. Поражение фитофторозом сорта картофеля с генами фитофтороустойчивости R1 и R4

И тогда ученые вспомнили старые опыты, согласно которым заражение картофеля вирулентной расой возбудителя фитофтороза лишало его способности отвечать реакцией СВЧ на последующее заражение авирулентной расой. Значит, в составе вирулентной расы есть какой-то фактор, который мешает отвечать картофелю защитными реакциями. Этот гипотетический фактор вначале так и назвали фактором совместимости. Присутствие этого фактора явно чувствовалось, когда из возбудителя фитофтороза картофеля начинали выделять индуктор защитных реакций липогликопротеидный комплекс. Неочищенный индуктор, выделенный из вирулентной расы паразита, оказался значительно менее активным, чем такой же, но выделенный из авирулентной расы. Явно чувствовалось, что в неочищенном индукторе присутствует некое вещество, которое мешает индуктору проявлять свою активность. Но мешает только в совместимой комбинации гриба и растения и не мешает, если комбинация является несовместимой. И такой супрессор был наконец выделен параллельно и независимо нами и объединенной группой американских и японских исследователей.

Ими оказались низкомолекулярные глюканы со связями β-1,3 в основной цепи и связями β-1,6 в местах разветвлений. Молекулярная масса глюканов составляла около 3000–4000 Дальтон.

Было испытано большое число комбинаций сортов хозяина и паразита, и всюду, где глюканы были выделены из совместимой к данному сорту расы гриба, они проявляли свойства супрессора, а если они были выделены из несовместимой расы, то таким действием не обладали. Иными словами, глюканы оказались специфическими, их действие в точности отражало взаимоотношения сорта и расы паразита.

Такие глюканы обнаружены внутри гиф паразита и в составе его выделений. Дело в том, что грибы рода Phytophthora имеют своеобразное строение клеточных стенок, которые на 75 % состоят из высокомолекулярных β-1,3—β-1,6-глюканов. Низкомолекулярные глюканы-супрессоры, по-видимому, служат строительным материалом для образования клеточных стенок, которые вместе с соответствующими ферментами в виде пузырьков везикул подходят к кончику гифы паразита, где и происходит построение клеточной стенки. Стейка гифы строится на ее растущем конце. Здесь глюканы изливаются из везикул и могут выделяться наружу и попадать в инфицированное растение, где и выполняют роль супрессоров.

Предполагается, что при взаимодействии паразита с цитоплазматической мембраной растения высокомолекулярные глюканы клеточных стенок (элиситеры) распознаются рецепторными белками на цитоплазматической мембране, индуцируя тем самым реакцию СВЧ. При совместимой комбинации хозяина и паразита взаимодействию элиситеров с рецепторами препятствуют низкомолекулярные глюканы — супрессоры, которые выделяются на конце растущей гифы.

На основании этих работ была предложена схема взаимодействия метаболитов хозяина и паразита, объясняющая на молекулярном уровне гипотезу ген — на — ген. Иными словами, кто кого преодолеет: элиситер супрессора или супрессор элиситера. Если рецепторный участок у растения захватит индуктор, включится устойчивость, если же, наоборот, супрессор — восприимчивость. Вспомните, в первой части книги мы предлагали гипотетическую схему возникновения генов устойчивости растения и вирулентности паразита в самых общих чертах и обещали интерпретировать ее на молекулярном уровне (рис. 13).

Гипотеза основывается на предположении, что у молекулы супрессора имеется два активных центра: неспецифическая группировка, которая конкурирует с элиситером за рецепторный участок у хозяина, и специфическая группировка, контролирующая распознавание молекул супрессора продуктами генов устойчивости растения (продуктами R-генов). Первая группировка молекулы супрессора, конкурирующая с индуктором, постоянна, вторая — изменчива, вариабельна.

Основным положением гипотезы является следующее: растение не поражается паразитом до тех пор, пока распознает на его поверхности элиситеры, которые служат сигналом для включения системы защиты. Для того чтобы преодолеть барьер неспецифического (видового) иммунитета, паразит приобретает супрессор, который, конкурируя с элиситером за рецептор растения и имея большее к нему сродство, занимает соответствующий рецепторный участок хозяина и тем препятствует включению защитных реакций с его стороны.

Рис. 13. Предполагаемая схема молекулярного взаимодействия элиситоров в супрессоров в системе ген — на — ген

В ходе сопряженной эволюции с паразитом у растения появляются гены сортовой устойчивости (или R-гены). Предполагается, что их продуктом является некое вещество, или рецептор, у растения, которое связывает супрессор по его вариабельной группировке и тем самым как бы «уводит» его с поверхности взаимодействия паразита и хозяина, оставляя элиситер вне конкуренции. Не имеющий более конкурентов элиситер вновь вступает во взаимодействие с рецептором, индуцируя у пего защитные реакции. Такое растение приобретает сортовую устойчивость к патогену, основанную на наличии у него R-гена.

В результате мутации вариабельная часть супрессора (та самая часть, которая связывалась продуктом R-гена) изменяется так, что теряет комплементарность к продукту R-гена и перестает им связываться. Супрессор вновь оказывается на свободе и начинает вытеснять элиситер в борьбе за рецептор. Так возникает ген вирулентности паразита, способный преодолевать ген устойчивости.

Далее процесс повторяется. Отдельные особи среди популяции растения приобретают способность узнавать и связывать вновь возникшую изменившуюся часть молекулы супрессора. Возникает ген устойчивости R2, а паразит, изменяя свою вариабельную часть (ген вирулентности), преодолевает и эту уловку растения.

Вот вам тот же самый эволюционный марафон, с которого мы начинали книгу, но уже на молекулярном уровне. Растение убегает, паразит догоняет. Растение всегда впереди, стремясь уйти от инфекции, а паразит в лице преследующего легко нагоняет своего партнера.

Гипотеза не претендует на универсальность, к тому же она все еще остается одной из> многих гипотез, объясняющих взаимоотношения паразита и хозяина. Мы приводим ее, поскольку она наиболее наглядно позволяет изобразить те схемы взаимодействия продуктов генов устойчивости хозяина и авирулентности паразита, которыми сейчас увлекаются фитоиммунологи.

Кто-то назвал гипотезу строительными лесами вокруг здания, которые помогают его возводить, в том случае, если они поставлены верно. В противном случае их приходится разбирать и начинать все с самого начала.

Наиболее уязвимым местом этой и подобных гипотез является почти полное отсутствие сведений о рецепторе для индуктора и супрессора, кроме уверенности, что они должны быть. Фитоиммунологи последовательно вытягивают из темноты небытия цепь за цепью: сначала фитоалексины, которые позволили обнаружить элиситеры, элиситеры привели к обнаружению супрессора, а те и другие должны вытянуть рецепторы. Будем надеяться, что это вскоре произойдет.