Факторы пассивного иммунитета растений

ТЕМА 3. Факторы пассивного иммунитета растений

Анатомо-морфологические особенности, регуляция онтогенеза и репарации повреждений, пищевая ценность тканей растений, химические антимикробные вещества (фитоантиципины).

Анатомо-морфологические особенности растений.

Габитус растений. Сорта картофеля, имеющие раскидистую ботву, менее поражаются фитофторозом, чем сорта с плотными кустами, хотя при искусственном заражении листьев в лаборатории никакой связи между габитусом куста и поражаемостью нет. Различия объясняются тем, что капли, необходимые для заражения, на листьях раскидистых сортов быстрее высыхают, чем у сортов с плотным кустами. Короткостебельные сорта пшеницы подверже­ны сильному поражению грибами, вызывающими пятнистости листьев, споры которых распространяются водяными брызгами (септориоз, ринхоспориоз др.), ибо расстояние между листьями (длина междоузлий) у та­ких сортов уменьшено. Сорта с опущенными вниз листьями, покрытыми к тому же густым восковым налетом, менее подвержены поражению ржавчиной, мучнистой росой, пятнистостями листьев, чем сорта с гори­зонтально расположенными или приподнятыми вверх листьями, ибо инфекционные капли в первом случае скатываются с листьев.

Опушенность листьев. Сорта малины с опушенными листьями меньше подвержены вирус­ным болезням, чем сорта с гладкими листьями. Это обусловлено затруд­ненными условиями для питания тлей-переносчиков вирусов.

Строение и расположение устьиц. Мандарин более устойчив к поражению возбудителем бактериального рака Xanthomonas citri, чем грейпфрут. Различия обусловлены тем, что наружные стенки устьиц мандарина снабжены выступами, препятствую­щими проникновению в подустичную щель капель жидкости с находящим­ся в них клетками бактерий. У восприимчивых сортов грейпфрута таких выступов нет. Виды и сорта растений с более редким расположением усть­иц на листьях, слабее поражаются грибами, гифы которых внедряются че­рез устьица (например, дикариотичные стадии возбудителей злаковых ржав­чин).

Регуляция онтогенеза и репарации повреждений. Возбудители многих болезней, таких как твердая головня пшеницы, корневые гнили всходов и др., поражают растения только на ранних этапах их развития; другие — возбудители фитофтороза картофеля, вертициллезного вилта хлопчатника и др., наоборот, стареющие ткани, в которых отток и распад углеводов преобладает над фотосинтезом. Поэтому сорта, у которых быстро протекают ранние фазы онтогенеза, слабо поражаются болезнями первой группы, а сорта, у которых замедлено наступление ста­рения, относительно устойчивы к болезням второй группы. На этом основаны также агротехнические приемы защиты растений с помощью регуляции скорости протекания отдельных фаз онтогенеза (вы­сев озимых злаков в ранние сроки, а яровых — в поздние для получения дружных, быстро растущих всходов, задержка старения азотными удоб­рениями др.).

Многие паразиты растений могут внедряться в ткани только через ран­ки (раневые паразиты). Скорость суберинизации раневых поверхностей коррелирует с устойчивостью к подобным паразитам. Поэтому помеще­ния, предназначенные для длительного хранения овощей и картофеля, снаб­жены устройствами, обеспечивающими продув воздуха с определенной температурой и влажностью через слой хранящейся продукции (активное вентилирование), ибо образование суберина требует больших энергети­ческих затрат.

Пищевая ценность зараженных органов и тканей. Хотя растения представляют для паразитов, прежде всего, питательный субстрат, пищевые достоинства, по-видимому, не являются решающими в поражаемости тех или иных видов и сортов. Поскольку отмершие растения или их части заселяются микроорганизмам, неспособными заражать те же растения в живом состоянии, устойчивость растений обусловлена не содержанием тех или иных питательных веществ, а антибиотическими свойствами живой ткани. Однако, в некоторых случаях именно пищевые достоинства обусловливают степень восприимчивости растений к тем или иным болезням. Были проведены исследования для установления связи между содер­жанием в растениях азотсодержащего соединения холина и его эфира бетаина и поражаемостью Fusarium graminearum. Сильное поражение цветков злаков обусловлено высоким содержанием холина и бетаина в пыльниках.

Рекомендуемые материалы

Химические антимикробные вещества (фитоантиципины). Химические факторы, с помощью которых растения защищают себя от болезней, многообразны по химическому составу, условиям образова­ния и механизмам токсичности.

В 1928 г. российский зоолог Б.П. Токин обнаружил токсичность для Protozoa лету­чих соединений из гомогенатов лука и чеснока. Токсические летучие сое­динения из растений он назвал фитонцидами. В 1941 г. немецкий фитопатолог К. Мюллер обнаружил, что в ответ на заражение картофеля авирулентной расой Phytophthora infestans в ткани клубня накапливаются ток­сические вещества, названные им фитоалексинами. Используя эти тер­мины, Л.В. Метлицкий и О.Л. Озерецковская (1975) предложили все (а не только летучие) антибиотические вещества растений, образующиеся консти­тутивно, независимо от заражения, называть фитонцидами, а соединения, синтез которых индуцируется заражением — фитоалексинами. В дальнейшем предлагались более сложные классификации. Однако в 1994 г. группа исследо­вателей (Г. Ван Эттен, Дж. Мансфилд и др.) предложили вернуться к двум группам растительных антибиотиков, которые они назвали фитоантщипинами и фитоалексинами. Первые — "низкомолекулярные антимикробные вещества, присутствующие в растении до заражения или продуцируемые после заражения из предшественников", вторые — "низкомолекулярные антимикробные вещества, которые синтезируются и аккумулируются в растении после экспозиции с паразитом". Синтез фитоалексинов происходит в процессе активной реакции растений, то есть относится к факторам активного иммунитета, и будет рассмотрен ниже.

Разделение антимикробных веществ растений на фитоантиципины и фитоалексины отчасти условно, как условно большинство биологических класси­фикаций. Например, некоторые вещества в одних видах растений конститутивные, т.е. являются фитоантиципинами, а в других — индуцируются заражением (фитоалексины).

Химическая классификация фитоантиципинов

Фенолы. К фенолам относят циклические соединения, содержащие ароматическое кольцо с фенильным гидроксилом или его замещенными радикалами (кислотным, альдегидным и проч.). Многие растительные фенолы помимо фенила (С₆) содержат пропановый радикал (С₃) и названы фенпппропаноидами.

Исследование растительных фенолов хорошо иллюстрирует условность деления антибиотических веществ на конституционные и индуцибельные. Фенолы — нормальные метаболиты растений, ибо входят в состав пигмен­тов, регуляторов роста, структурных элементов клеточных стенок. В то же время фенолы — стрессовые метаболиты, синтез которых резко возрастает при поранении или заражении.

Окислительно-восстановительная реакция превращения фенолов в общем виде описывается следующим образом:

Основные механизмы антимикробного действия фе­нолов:

1. Инактивация белков вследствие соединения хинонов с SH-, NH₂ группами и формирования замещенных продуктов.

2. Неспецифическое окислительное действие хинонов. Будучи активными окислителями, хиноны являются акцепторами электронов у многих соединений.

3. Влияние на трансмембранный транспорт веществ. Некоторые замещенные фенолы служат проводниками протонов в мембранах и в след­ствие этого действуют как разобщающие агенты.

4. Создание химических барьеров. Продукты окисления фенольных спи­ртов, конденсированные в результате свободнорадикальных реакций, обра­зуют аморфный 3-мерный полимер лигнин, откладывающийся в клеточных стенках (обычно во вторичных стенках и стенках мертвых кле­ток). Защитное действие лигнина многообразно. Он ковалентно связывает­ся с углеводными полимерами растительной клеточной стенки и защища­ет их от атаки грибными деполимеразами; препятствует диффузии в клетки растений метаболитов патогенных организмов; обладает прямой токсич­ностью для микроорганизмов; может лигнифицировать внутрирастительные гифы грибов.

Терпеноиды. К терпеноидам относят соединения, синтезируемые из уксусной кислоты путем конденсации ее молекул. Первый продукт конден­сации — изопрен — содержит 5 атомов углерода. В построе­нии терпеноидов участвуют 2 группы ферментов — полимеразы, соединя­ющие молекулы изопрена в цепочку, и циклазы, осуществляющие преоб­разование цепочек в замкнутые кольца.

Конденсация двух молекул изопрена дает группу соединений, назван­ных монотерпенами. Эти низкомолекулярные моноцикли­ческие летучие вещества часто придают растениям специфические запахи. Конденсация трех молекул изопрена приводит к образованию сесквитерпенов (С₁₅). Многие бициклические сесквитерпены обладают высокой токсичностью и являются важными факторами устойчивости растений. 4 молекулы изопрена составляют дитерпены (С₂₀) — основные компо­ненты смол древесных растений. Многие дитерпены горькие на вкус (нап­ример, горький фактор огурца).

6 молекул изопрена составляют основу большой группы тритерпенов (C₃₀). К ним относятся пентациклические тритерпеноиды (5 шестичленных циклов) и стероиды, ядро которых состоит из трех шестичленных циклов и одного пятичленного. Фитостерины  — необходимый компонент растительных мембран, а эргостерин — мембран многих грибов. Токсич­ность многих тритерпеноидов обусловлена их способностью связываться со стеринами мембран; в результате чего образуются поры в мембранах, и происходит потеря клеточного содержимого в окружающую среду (ли­зис).

Наконец соединение восьми молекул изопрена дает многочисленный класс тетратерпеноидов (С₄₀). Их линейные молекулы  образуют большую группу растительных пигментов каротиноидов, которые ок­рашивают цветки, плоды, корнеплоды, осенние листья растений.

Белки, аминокислоты. Факторами устойчивости растений к патогенам могут быть семейства низкомолекулярных, основных, богатых цистеином белков, включающих растительные дефензины, белки, осуществляющие трансмембранный транспорт липидов, белки, подавляющие синтез бел­ка чужеродными рибосомами на стадии элонгациии, и тионины, накап­ливающиеся в семенах и проростках многих растений. Их антимикробное действие продемонстрировано многими опытами. Они обнаружены в се­менах, листьях, цветках и клубнях. Большинство этих белков накапливаются в клеточных стенках или даже на поверхности семян, осуществляя функции первой линии обороны.

В семенах некоторых бобовых обнаружена необычная аминокислота l-канаванин, содержание которой может достигать 2—3% сухого веса се­мян. Будучи антиметаболитом аргинина, она высокотоксичная и защищает семена от повреждения грибами и насекомыми.

Стратегия устойчивости. Растения обладают не только химическим разнообразием защитных соединений, но и разнообразными стратегиями их применения. Используя военную терминологию, можно сказать, что растения имеют глубоко эше­лонированную оборону с гибким управлением, способным создавать в нужном месте и в нужное время разнообразные защитные барьеры на пу­ти продвижения паразита.

Антимикробные вещества растительных покровов. Многие органы растений, — клубни, луковицы, стволы древесных пород покрыты слоем мертвых клеток. Отмирание клеток, как и их механическое повреждение, приводит к разрушению внутриклеточных мембран и совмещению хими­ческих соединений, разобщенных в живой клетке мембранам. В результате этого протекают химические реакции и накапливаются высокотоксичные соединения. Их накопление в живых клетках могло бы привести к повреж­дениям последних, но в мертвых — они играют роль химического барьера на пути движения паразитов. Например, желтая окраска чешуи лука обус­ловлена находящимся в вакуолях флавоновым пигментом кверцитрином, который представляет собой сложный фенол квертецин, соединенный гликозидной связью с моносахаридом рамнозой. В отмирающих кроющих чешуях луковицы вследствие разрушения вакуолей происходит серия химических реакций: сначала фермент глюкозидаза отщепляет сахарный остаток, затем фенолоксидазы расщепляют квертецин до низкомолеку­лярных водорастворимых монофенолов — протокатеховой кислоты и о-катехола, которые высоко токсичны для микроорганизмов.

Фенольный агликон лука квертицин и продукты его распада — протокатеховая кислота и о-катехол (слева направо).

Диффундируя на поверхность в инфекционную каплю, они убивают спо­ры фитопатогенных грибов. Поэтому окрашенные сорта лука устойчивы к грибам, вызывающим гнили луковиц. Луковицы с поврежденными кроющими чешуями поражаются независимо от наличия окраски, ибо в живых клетках простые фенолы не накапливаются.

В мертвых клетках коры многих деревьев присутствует токсичный для микроорганизмов дифенол пиносильвин, в клетках коры ильмов — фактор устойчивости к голландской болезни сесквитерпен мазонон.

Пиносильвин

Антимикробные вещества живых клеток. Большинство токсических веществ находится в живых клетках в форме гликозидов, которые, во-первых, менее токсичных, чем их агликоны и, поэтому не опасны для клеточного метаболизма, и, во-вторых, водорастворимы и поэтому являются транс­портной формой токсинов. Обычно они находятся в вакуолях и отделены тонопластом от других компонентов клетки, что также защищает ее от пов­реждающего действия. При повреждении клеточных мембран содержимое вакуолей выливается в клетку и гликозиды входят в контакт с ферментами гликозидазами, находящимися в других мембранных пузырьках лизосомах, или ковалентно связанными с компонентами клеточной стенки. В результате химических реакций освобождаются высоко токсичные агликоны, убива­ющие клетку и находящихся в ней паразитов. Такова генеральная стратегия защиты от заражения и иных стрессов. Частный случай такой защиты — рассмотренное освобождение агликонов в естественно отмирающих кроющих клетках.

Классифкация гликозидов основывается на химическом строении агли­конов.

Фенольные гликозиды. Выше рассмотрены реакции превращения фенольного гликозида кверцитрина в кроющих чешуях окрашенных луковиц. У раз­личных видов злаков (ржи, пшеницы, кукурузы) содержится семейство глюкозидов бензоксазинов, агликон которых содержит наряду с фенолом азот­содержащий цикл. В поврежденных клетках освобождаются агликоны бензоксазолиноны, токсичные для ржавчинных грибов, возбудителей снежной плесени, тлей и других насекомых. По-видимому, эти соединения являются важным фактором неспецифической устойчивости. Например, корреляция между их содержанием в листьях инбредных линий кукурузы и поражаемостью этих линий листовой тлей составила -0,72.

Цианогенные гликозиды. Многие растения (сорго, лядвенец, просо, лен и др.) содержат цианогенные гликозиды (дурринин, линамарин, лотаустролин), которые образуются в процессе прорастания семян из аминокислот (тирозина и др.). Ферменты, осуществляющие поэтапное превращение аминокислоты в цианогенный глюкозид, находятся на внутриклеточных мембранах в виде комплекса, эффективно канализующего поток углерода из l-тирозина в гликозид.

Гликозиды алифатических соединений. В луковицах тюльпанов накап­ливается гликозид тюлипозид, который после отщепления сахара замыкается в лактонный цикл, очень токсичный вследствие высокой реакционной способности (связывается по месту двойной связи с SH-группами белков). Реакция образования лактона — важный фактор устойчивости тюльпанов к Botrytis cinerea.

Терпеноидные гликозиды и гликоалкалоиды. Тритерпеноиды и стеро­иды образуют с сахарами гликозиды, мылящиеся в воде, и названные сапо­нинами (от латинского sapo — мыло). У большинства сапонинов олигосахаридная цепь прикреплена к терпеноидному ядру в положении С-3, хотя у многих имеется дополнительная связь с глюкозой в положениях С-26 или С-28. Сапонины очень ядовиты, так как связываются со стеринами в мем­бранах. Накапливающийся в ко­решках овса тритерпеноидный гликозид авенацин является  фактором устойчивости к корневой гнили, вызываемой грибом Gaeumannomyces graminis. Стероидные гликозиды пасленовых имеют в своем сос­таве азотсодержащий гетероцикл и названы гликоалкалоидами. Синтез гликоалкалоидов картофеля соланина и чаконина  индуцируется освещением, поэтому они накапливаются в листьях, ягодах (обусловлива­ют их горький вкус) и озелененных на свету клубнях, которые становятся ядовитыми, но хорошо хранятся, не повреждаясь гнилями. Соланин и чаконин подавляют рост фитопатогенных грибов in vitro и является фактором возрастной устойчивости картофеля.

Гликоалкалоид томатов томатин  накапливается в вакуолях листьев и зеленых плодов томатов. Он высоко токсичен для Cladospohum fulvum и других грибов (вызывает потерю электролитов через мембраны). Гликоалкалоид дикого картофеля Solarium demissum демиссин является репелентом для колорадского жука.

Тиогликозиды. До сих пор рассматривались соединения, связь которых с сахаром осуществлялась через кислород. У растений из семейств капустных и каперцовые накапливаются соединения, агликон которых связан с сахаром через атом серы. Их называют горчичными маслами, тиогликозидами или гликозинолатами. Депо гликозинолатов — вакуоль.

Обратите внимание на лекцию "Псороптоз овец".

При повреждении тонопласта они приходят в контакт с специфическими ферментами, которые отщепляют сахар. В результате образуется продукт, содержащий изородановую группу R-N=C=S —летучее, высокотоксичное соединение, действующее на сли­зистые оболочки и имеющее высокий антимикробный эффект. Его сле­зоточивое действие ощущается, например, при натирании корня хрена.

Резюмируя сказанное, видно, что система клеточной защиты, основан­ной на освобождении токсических веществ из гликозидов, высокоэффек­тивна и универсальна. Однако многие фитопатогенные организмы в про­цессе коэволюции с растенями выработали механизмы, нейтрализующие эту систему.

Такие механизмы можно свести к следующим:

1. Мягкое, не повреждающее мембраны воздействие на клетки растений.

2. Изменение чувствительного к токсину сайта. У гриба Stemphilium loti, вызывающего пятнистость листьев цианогенного лядвенца, высокий вклад в дыхание приходится на альтернативный, нечувствительный к цианиду путь.

3. Модификация токсических веществ до менее токсичных. Этот меха­низм патогенности широко распространен в мире фитопатогенов.