Формы врожденного иммунитета растений
ТЕМА 5. Формы врожденного иммунитета растений
Иммунитет, индуцированный ассоциированными с микроорганизмами молекулярными структурами (microbe associated molecular patterns, MAMPs) и иммунитет, индуцированный эффекторами патогенов. Взаимодействие «ген-на-ген». Гены устойчивости и кодируемые ими белки. Эффекторы патогенов и их мишени в растительных клетках. Контрастные механизмы устойчивости к биотрофам и некротрофам.
Иммунитет, индуцированный ассоциированными с микроорганизмами молекулярными структурами (microbe-associated molecular patterns, MAMPs) и иммунитет, индуцированный эффекторами патогенов. Фитопатогенный организм, попадающий на растение, имеет различные консервативные молекулярные структуры на своей поверхности. В свою очередь, растения имеют рецепторы, которые выявляют эти структуры, и после выявления индуцируют активные защитные реакции. Эта «первая линия» активной обороны растений представляет собой иммунитет, индуцированный ассоциированными с микроорганизмами молекулярными структурами (MAMPs-индуцируемый иммунитет). Некоторое время назад MAMPs называли PAMPs (pathogen-associated molecular patterns), однако поскольку такие же молекулярные структуры имеют и не фитопатогенные микроорганизмы, в последнее время вместо аббревиатуры PAMPs рекомендуют использовать аббревиатуру MAMPs, но практически эти два обозначения можно рассматривать как синонимы.
По всей вероятности, во многих случаях именно MAMPs-индуцируемый иммунитет лежит в основе устойчивости нехозяина (самостоятельно или в сочетании с факторами пассивного иммунитета).
Успешные патогены, приспособившиеся к паразитированию на растениях, экспрессируют большое количество эффекторных молекул, в основном белков, которые подавляют индукцию MAMPs-индуцируемого иммунного отклика, таким образом прорывая эту «первую линию» обороны.
В свою очередь растения экспрессируют большой ассортимент так называемых генов устойчивости (генов R), белковые продукты которых являются рецепторами, специфически непосредственно или косвенно выявляющими присутствие эффекторных белков патогенов и запускающими реакции активной защиты. Эту форму иммунитета можно назвать иммунитетом, индуцированным эффекторами патогенов.
Что представляют собой MAMPs? Типичный MAMP – пептид, производное бактериального флагеллина, белка, который формирует жгутики. Другими элиситорами MAMP-типа являются липополисахариды, хитин грибов, фрагменты глюканов клеточной стенки грибов, эргостерол и т.д. Лучше всего изучен рецептор флагеллина. У арабидопсиса распознавание флагеллина зависит от рецепторного гена FLS2. В результате взаимодействия между флагеллином и продуктом гена FLS2, трансмембранной рецепторподобной протеинкиназой, происходит активация каскада митогенактивируемых протеинкиназ и в конечном итоге индукция комплекса защитных реакций, которые рассмотрели ранее.
Важно отметить, что врожденный иммунитет животных, и в частности человека, также индуцируется распознаванием MAMPs микроорганизмов, и у человека есть ген TLR5, кодирующий трансмембранный рецептор. TLR5 человека тоже распознает бактериальный флагеллин и также после распознавания запускает реакции врожденного иммунитета. Однако гомология последовательностей между белками FLS2 и TLR5 отсутствует, что свидетельствует об аналогии, а не о гомологии.
Кроме флагеллина, есть и другие MAMPs, и их обнаружение, а также поиск соответствующих рецепторов растений являются одним из направлений актуальных научных исследований в области иммунитета растений.
Рекомендуемые материалы
MAMPs-индуцируемый иммунитет часто называют базовой или базальной устойчивость растений.
Взаимодействие «ген-на-ген». Гены устойчивости и кодируемые ими белки. Гены, кодирующие детерминанты эффектор–индуцируемого иммунитета называют генами устойчивости. Специализированные эффекторы патогена, которые распознаются продуктами генов устойчивости, называют также белками авирулентности. Соответственно, кодирующие эти белки гены называют генами авирулентности.
Взаимодействие белков устойчивости и белков авирулентности на генетическом уровне представляет собой взаимодействие, называемое взаимодействием «ген-на-ген». Впервые его выявил в 1940-х годах американский фи-топатолог Флор (Flor, 1971) для взаимодействия растений льна с возбудителем ржавчины грибом Melampsora lini. Заражая разные сорта льна различными биотипами возбудителя, он обнаружил, что наблюдаемые данные хорошо объясняются предположением, что каждому гену устойчивости растения, имеющему доминантный аллель устойчивости, соответствует комплиментарный ген гриба, имеющий доминантный аллель авирулентности. Таким образом, при взаимодействии ген-на-ген устойчивость растений является специфической и индуцируется тогда, когда продукты генов устойчивости растительного организма распознают продукты генов, определяющих авирулентность фитопатогена. В дальнейшем это предположение было подтверждено для многих других патосистем, включающих самых различных растений-хозяев и патогенов, представленных вирусами, бактериями, грибами, нематодами, насекомыми и даже цветковыми растениями.
Как очевидно, в рамках современных представлений взаимодействие «ген-на-ген» – это специфическое взаимодействие эффекторов вирулентности патогена и белков устойчивости растений.
Гены R кодируют сравнительно небольшое число типов белков с общими консервативными аминокислотными мотивами. В число таких общих структурных тем входят сайт связывания нуклеотидов (nucleotide-binding site, NBS), обогащенный лейцином повтор (leucine-rich repeat, LRR), область с гомологией цитоплазматическим доменам рецепторного белка Toll Drosophila и рецептора интерлейкина-1 млекопитающих (Toll/Interleukin-1 resistance, TIR), суперспиральная структура (coiled–coil structure, СС), трансмембранный домен (transmembrane domain, TM) и домен серин/треонин–специфической протеинкиназы (serine/threonine protein kinase domain, PK).
Основное количество генов устойчивости растений кодируют внутриклеточные белки, имеющие домены NBS и LRR. Сайты связывания нуклеотидов (NBS) присутствуют в многочисленных АТФ– и ГТФ–связывающих белках и найдены у членов многих белковых семейств. Домены NBS белков-продуктов генов устойчивости растений характеризуются несколькими высоко консервативными аминокислотными мотивами, включая связывающую фосфат петлю (P-петлю) и киназные сайты.
В сторону карбоксильного конца по отношению к сайту связывания нуклеотидов, белки R этого класса имеют область обогащенных лейцином повторов (LRR). Этот домен состоит из неполных повторов, содержащих 23 или 24 аминокислоты, порядок расположения которых выявляет хорошее соответствие консенсусу цитоплазматического LRR: Лей-x-x-Лей-x-x-Лей-x-x-Лей-x-Лей-x-x-(Асн/Цис/Тре)-x-(x)-Лей-х-х-Иле-Про-x-x. Фактическое число повторов варьирует как между разными генами устойчивости, так и между членами одного генного семейства, и в типичном случае составляет от 10 до 40.
Класс NBS-LRR можно разделить на два подкласса в зависимости от структурной особенности NH2-терминальной области белков. Многие члены NBS-LRR класса генов устойчивости кодируют аминотерминальные домены с гомологией цитоплазматическим областям рецепторного белка Toll Drosophila и рецептора интерлейкина-1 млекопитающих. Этот домен белков R был обозначен как TIR.
Для членов другого подкласса характерным является формирование на аминном конце суперспиральной структуры (CC), которая представляет собой содержащие от двух до пяти спиралей узлы, имеющие специфическую упаковку аминокислот на поверхности раздела спираль–спираль. Вероятно, группа CC-NB-LRR генов охватывает множество субсемейств, варьирующих по размеру и локализации суперспирального домена. Ряд генов этого же подкласса кодируют белки, не имеющие определенного домена на аминотерминальном конце.
В 2002 году, в результате анализа генома растений арабидопсиса экотипа Col-0, были выявлены два новых семейства TIR-кодирующих генов и, соответственно, их белковых продуктов. У семейства TIR-X отсутствует домены NBS и LRR, а у семейства TIR-NBS отсутствует домен LRR. У данного экотипа арабидопсиса было выявлено 27 генов и три псевдогена семейства TIR-X и 20 генов и один псевдоген семейства TIR-NBS. Показано, что 85% генов TIR-X и 40% генов TIR-NBS постоянно экспрессируются в растениях на невысоком уровне. Присутствие обеих семейств генов TIR продемонстрировано также у хвойных растений. Вероятно, эти гены кодируют не функциональные белки, а являются попросту продуктами деградации или делеций TIR-NBS-LRR генов. Эти гены также могут кодировать аналоги адаптерных небольших TIR-белков, которые функционируют в системе врожденного иммунитета млекопитающих.
Кроме этого, в том же 2002 году клонирование гена устойчивости арабидопсиса RRS1-R, который обуславливает устойчивость к Ralstonia solanacearum, выявило, что этот TIR-NBS-LRR ген на карбоксильном конце содержит потенциальный сигнал ядерной локализации и домен WRKY. Этот консервативный домен, состоящий из 60 аминокислот, характерен для факторов транскрипции, найден только у растений и задействован во многих биологических процессах. Таким образом, вероятно, белок–продукт данного гена выполняет свою функцию в ядре клетки растения, являясь потенциальным фактором транскрипции.
Весьма интригующим оказался факт, что сайт связывания нуклеотидов R-белков растений имеет наибольшее подобие доменам NBS эффекторов гибели клетки белков CED-4 нематод и Apaf-1 млекопитающих, которые активируют вовлеченные в апоптоз протеазы CED-3 и caspase-9 соответственно. Подчеркивая эту гомологию, домен NBS белков растений часто называют доменом NB-ARC (чтобы выдвинуть на первый план разделяемые подобия этой области с человеческим Apaf-1, R-белками растений и белками CED-4 нематод). Одной общей, хотя и не строго универсальной, особенностью функции NBS-LRR-белков растений является сверхчувствительная гибель клетки в участке заражения в течение реакций устойчивости. Функциональное подобие между этим ответом и апоптозом животных и структурное подобие доменов NBS у R-белков растений и белков CED-4 и Apaf-1 является поразительным.
Удивительным является также структурное подобие между внутриклеточными NBS-LRR-белками растений и внутриклеточными NBS-LRR-белками млекопитающих (белками Nod). В геноме человека имеется около 30 генов Nod, продукты которых, вероятно, играют роль во врожденном иммунитете как внутриклеточные рецепторы, обусловливающие распознавание консервативных лигандов микробных патогенов типа липополисахаридов бактерий, то есть по сути являются MAMPs-рецепторами. У человека белки Nod опосредованно активируют фактор транскрипции NF-κΒ.
В 2001 году были обнаружены гены устойчивости, кодирующие белки, состоящие только из трансмембранного и суперспирального доменов. В этом клессе генов устойчивости пока известен только единственный локус RPW8 Arabidopsis, обуславливающий широкий спектр устойчивости к мучнистой росе (возбудители Erysiphe cichoracearum, E. cruciferarum, E. orontii и Oidium lycopersici). Этот локус содержит два доминантных гена, RPW8.1 и RPW8.2, имеющих только 50%-ную идентичность аминокислот. Каждый из них обуславливает широкий спектр устойчивости и кодирует небольшой, вероятно «заякоренный» в мембране белок с предполагаемыми суперспиральным и трансмембранным доменами и отсутствующей гомологией к другим известным белкам.
Другие классы генов устойчивости растений кодируют белки с внеклеточными регионами обогащенных лейцином повторов. Эти регионы либо связаны с внутриклеточным доменом протеинкиназы (такая структура генов устойчивости полностью соответствует рецептору флагеллина FLS2), либо не имеют внутриклеточного домена с известной функцией.
Белки, кодируемые генами устойчивости, являются рецепторами, которые непосредственно либо опосредованно распознают присутствие эффекторных белков патогенов в растительной клетке или в апопласте. Эффектор патогена, который распознается белками устойчивости, называют белком авирулентности. Далее запускаются реакции иммунитета, индуцируемого эффекторами патогенов. Как считается, эта форма иммунитета является более быстрой и более сильной версией иммунитета, индуцируемого ассоциированными с микробами молекулярными структурами. Однако качественных различий между этими формами иммунитета нет; рассмотренные выше реакции устойчивости растений наблюдаются и в одном, и в другом случаях.
Каким образом белки устойчивости обнаруживают присутствие в растительной клетке эффекторные белки патогенов? В некоторых случаях предполагается непосредственное взаимодействие белков устойчивости и авирулентности в цитоплазме растительной клетки; имеются также экспериментальные доказательства такого утверждения. В подобных случаях взаимодействие проходит по типу рецептор–лиганд, где рецептором служит белок устойчивости, а лигандом – белок авирулентности.
Во многих случаях, однако, непосредственного взаимодействия белков устойчивости и эффекторных белков патогена продемонстрировать не удалось. Альтернативной моделью является так называемая «гипотеза стража» (“guard hypothesis”), в соответствии с которой белки устойчивости являются «стражами» других белков растения – мишеней эффекторов вирулентности фитопатогенных организмов. В данном случае белок устойчивости обнаруживает не присутствие белка авирулентности как такового, а выявляет результат воздействия эффектора на мишень и, выявив изменение этой мишени, запускает реакции устойчивости. Например, в патосистеме арабидопсис–бактерия P. syringae эффекторный белок AvrPphB бактерии является протеинкиназой и разрушает одну из протеинкиназ растения. Белок устойчивости хозяина RPS5 распознает продукты этого расщепления и запускает реакции устойчивости.
Итак, белок устойчивости растения прямо или косвенно распознает наличие или активность белка-эфектора фитопатогенного организма, и запускает реакции устойчивости. Как эти реакции запускаются? Пока еще во многом этот процесс остается непонятным; относительно путей передачи сигналов имеются только предварительные сведения, которые пока еще невозможно свести к сколько-нибудь полному обобщению. Некоторая информация по данному вопросу имеется в рекомендуемых для данного курса статьях.
Эффекторы патогенов и их мишени в растительных клетках. Пока еще мало что известно относительно механизмов подавления MAMPs-индуцируемого иммунитета растений эффекторными молекулами патогенов.
Первый вопрос связан с тем, что поскольку основная часть белков, кодируемых генами устойчивости растений, являются внутриклеточными и не имеют никаких внеклеточных доменов, то является очевидным, что эффекторные молекулы многих фитопатогенных организмов должны попадать внутрь растительной клетки. Как они туда проникают?
Ответ на этот вопрос очевиден для фитопатогенных вирусов; фитопатогенные бактерии, так же как и бактерии, патогенные для человека и животных, свои эффекторные молекулы, являющиеся факторами вирулентности, доставляют в цитоплазму клеток хозяина посредством системы секреции белка типа III. Однако каким образом этого достигают фитопатогенные грибы и оомицеты?
Фитопатогенные грибы и оомицеты – внеклеточные паразиты; даже если гифа гриба или гаустория проникают через клеточную стенку растения, они не попадают внутрь живой клетки.
В ходе заражения, патоген проникает через клеточную стенку хозяина и инвагинирует плазматическую мембрану клетки хозяина, формируя гаусторию. Таким образом, гаустория остается отделенной от цитоплазмы клетки хозяина стенкой гаустории, зоной, которую называют экстрагаусториальным матриксом, и экстрагаусториальной мембраной, которая формируется инвагинированной плазматической мембраной хозяина. Гаустории имеют большое значение в обеспечении хозяина питательными веществами. Считается также, что гаустория является центром клеточной коммуникации, через который проходит обмен информации между хозяином и патогеном при установлении успешных биотрофных отношений, однако по сегодняшний день природа этих коммуникационных процессов остается неясной. Некоторые гемибиотрофные грибы и оомицеты, такие как Phytophthora, также образуют гаустории, но в противоположность облигатным биотрофам эти патогены инициируют гибель клетки хозяина в течение более поздней некротрофной стадии инфекции.
Каким образом в клетку растения доставляют свои белки образующие гаустории грибы и оомицеты, долгое время это было совершенно непонятным, и только начиная с 2004 года, в этом вопросе был совершен определенный прорыв.
Одним из первых был клонирован кодирующий эффекторный белок ген AvrL567 возбудителя ржавчины льна гриба Melampsora lini. В дальнейшем был клонирован и ряд других генов. Все эти гены кодируют небольшие белки, имеющие сигнальные пептиды экспорта из клетки, за исключением генов возбудителя мучнистой росы. Таким образом, эти белки покидают гаустории и выходят в экстрагаусториальный матрикс. Первый важный вопрос – как они попадают в цитоплазму клетки растения-хозяина.
Исследования с грибам Uromyces fabae, возбудителем ржавчины бобовых, показали, что в экстрогаусториальном матриксе присутствуют несколько белков, секретированных гаусторией, но только один, белок авирулентности Uf-RTP1, попадал в клетку хозяина. Таким образом, механизм транспорта белков в клетку растения из экстрагаусториального матрикса действует избирательно.
Экстрагаусториальная мембрана, как считается, заново синтезируется по мере роста гаустории, и хотя непрерывность плазматической мембраны растения сохраняется, по многим физическим и биохимическим особенностям экстрагаусториальная мембрана отличается от остальной части плазмалеммы клетки растения. Экстрагаусториальный матрикс, по-видимому, является особым компартментом. Ржавчинные грибы имеют особый утолщенный регион посередине шейки гаустории; эта структура называется воротничком (neckband) и отделяет экстрагаусториальный матрикс от апопласта растения. Возбудители настоящей мучнистой росы также формируют на шейке гаустория подобный воротничок; однако у оомицетов такая структура неизвестна, за исключением Albugo candida, который образует подобную воротничку структуру, которая, однако, отличается от воротничка грибов. Тем не менее, у некоторых оомицетов найден отдельный электронноплотный регион между стенкой гаустория и отложением каллозы у растения; это отложение часто называют воротничком или папиллой. Предполагается, что это вещество образует пробку, аналогичную воротничку у грибов. Таким образом, гаустория окружена отдельным закрытым компартментом, формирование которого вероятно облегчает контроль потоков сигналов и питательных веществ.
Интригующим наблюдением у некоторых возбудителей ржавчины было обнаружение протяженных трубчатых образований экстрагаусториальной мембраны, которые проникают в цитоплазму клетки хозяина. Такие образования наблюдались в тесном контакте с эндоплазматическим ретикулюмом растения и с диктиосомами; это указывает на обмен материалами между экстрагаусториальной мембраной и внутренними мембранами клетки растения. Далее, на концах этих трубчатых образований в клетках растения наблюдалось почкование и формирование структур, напоминающих везикулы. Таким образом, вся эта система и может обеспечить перемещение белков гриба из экстрагаусториального матрикса в клетку хозяина.
Хотя граница раздела гаустория-хозяин представляет собой модифицированную окружающую среду, которая благоприятствует переносу белков, эффекторные белки ржавчинных грибов также могут иметь внутренний механизм транспорта через мембрану. Ряд исследований косвенно указывает, что по крайней мере ряд белков авирулентности имеют сигнал их поглощения клеткой растения посредством эндоцитоза с участием неизвестного пока рецептора хозяина.
Примечательной особенностью белков авирулентности фитопатогенных оомицетов является присутствие консервативного, недавно выявленного мотива, и полученные в последние полтора года доказательства указывают, что этот мотив действует как специфический сигнал нацеливания белка в клетку хозяина. Подобный сигнал отсутствует у возбудителей ржавчины; таким образом, ржавчинные грибы и оомицеты используют разные механизмы доставки белков авирулентности в клетки растения. Очень интересно, что данный сигнал оомицетов имеет удивительное подобие сигналу белков, продуцируемых возбудителями малярии человека (Plasmodium falciparum); эта гомология служит дополнительным доказательством эволюционного родства простейших с оомицетами.
Итак, эффектор фитопатогена оказался в клетке растения. Что он там делает? Какие процессы подавляет и на какие белки нацеливается? Ответы на эти вопросы являются ключевыми для понимания функции эффекторов. Наиболее полная к настоящему времени информация в этом направлении имеется для бактериальных патогенов.
Разные штаммы разных видов фитопатогенных бактерий доставляют от 15 до 30 разных эффекторов в клетки хозяина с использованием системы секреции белка типа III. Поскольку, по всей видимости, реакции иммунитета, индуцированного ассоциированными с микроорганизмами молекулярными структурами и иммунитета, индуцированного эффекторами патогенов, являются сходными и в значительной степени перекрываются, эффекторные белки вирулентности патогенов в той или иной степени влияют и на одну, и на другую формы иммунитета растений. Кроме того, из-за функциональной избыточности эффекторных белков очень сложно оценить вклад и механизм действия каждого из них. Однако накопленные к настоящему времени данные позволяют сделать определенные обобщения.
Так, некоторые эффекторы блокируют защитные отклики, связанные с укреплением клеточной стенки. Например, белок AvrPto бактерии P. syringae блокирует образование папилл у арабидопсиса. Это блокирование независимо от салициловой кислоты и обусловлено, по всей вероятности, нарушением экспрессии генов секретируемых белков клеточной стенки растений. В то же время эффекторные белки AvrE и HopPtoM этой же бактерии блокируют образование папилл посредством ингибирования синтеза каллозы в зависимых от салициловой кислоты реакциях иммунитета.
Некоторые эффекторы производят манипулирование сигнальными путями гормонов растений для изменения характера реакций защиты. Как подробнее будет сказано далее, сигнальные пути, зависимые от салициловой кислоты (СК), ведут к индукции реакций устойчивости к биотрофным и гемибиотрофным патогенам (включающим обычно реакцию сверхчувствительности и индукцию системной приобретенной устойчивости), в то время как сигнальные пути, зависимые от жасмоновой кислоты (ЖК) и/или этилена, приводят к индукции реакций устойчивости к некротрофам, насекомым-вредителям и повреждениям. ЖК является фитогормоном, который индуцируется при повреждениях, питании насекомых-вредителей и поражении некротрофными патогенами. Кроме того, ЖК принимает участие в процессах роста и развития растений, в частности при старении растений. Сигнальные пути СК и ЖК являются антагонистическими – при индукции сигнальных путей одного типа сигнальные пути другого типа индуцироваться уже не могут. Говоря другими словами, если у растений индуцировать сигнальный путь ЖК, то у них будут подавлены сигнальные пути салициловой кислоты, необходимые для развертывания эффективной устойчивости к биотрофам, и наоборот. Это обстоятельство широко используют фитопатогенные биотрофные бактерии, в частности P. syringae. Штаммы многих патоваров этих бактерий выделяю эффектор вирулентности небелковой природы – неспецифический фитотоксин коронатин. Данный фитотоксин является функциональным имитатором жасмоновой кислоты. Выделяя коронатин, бактерии вызывают у растений индукцию сигнальных путей ЖК; однако, поскольку эти бактерии являются биотрофными, опосредованная ЖК защита является неэффективной, и бактерии успешно паразитируют.
Помимо коронатина, по крайней мере еще два белковых эффектора вирулентности, AvrB и AvrRpt2, также индуцируют сигнальные пути жасмоновой кислоты, позволяя таким способом избежать индукции сигнальных путей СК. Молекулярная основа действия этих двух белков пока еще неизвестна.
Некоторые эффекторные белки бактерий вмешиваются в сверхчувствительную гибель клеток растений, которая почти всегда происходит при развитии реакций устойчивости, запускаемых белками-продуктами генов устойчивости растений в ответ на обнаружение эффекторных белков микроорганизмов. Интересно, что одни белковые эффекторы могут ингибировать реакцию сверхчувствительности, которая индуцируется распознаванием белками устойчивости растений других эффекторов патогенов. Иначе говоря, одни эффекторы могут маскировать присутствие других эффекторов. Например, белок HopAB1 (VirPphA) бактерии P. syrinage pv. phaseolicola маскирует присутствие эффекторного белка другого типа; при отсутствии HopAB1 у растений запускается реакции устойчивости (в том числе и сверхчувствительная гибель клеток растений). Однако если этот же штамм бактерий экспрессирует белок HopAB1, реакции сверхчувствительности не происходит.
Подобной активностью обладает также белок P. syringae pv. tomato HopAB2 (AvrPtoB). Он предотвращает сверхчувствительную гибель клеток растений томатов, которые в противном случае проявляют эффективную устойчивость, индуцируемую взаимодействием белков устойчивости растений с другими эффекторами патогена. Однако интересно, что ингибирование реакции устойчивости белком HopAB2 происходит не во всех случаях – при взаимодействии некоторых белков устойчивости растений с соответствующими эффекторными белками патогена реакция сверхчувствительности не предотвращается. Это свидетельствует о весьма сложных и запутанных молекулярных подробностях действия эффекторного белка.
Некоторые эффекторные белки патогенов предотвращают сверхчувствительную гибель клеток, индуцируемую в рамках устойчивости нехозяина (например, HopA1 (HopPsyA) P. syringae у растений арабидопсиса и табака).
Для некоторых эффекторных белков бактерий известны молекулярные мишени-белки растений; более подробная информация имеется в предлагаемой дополнительной литературе.
Роль эффекторных белков фитопатогенных вирусов и фитопатогенных грибов и оомицетов ясна значительно меньше, чем бактериальных эффекторов.
Контрастные механизмы устойчивости к биотрофам и некротрофам.
Растения могут подвергаться атакам потенциальных патогенов, и их многочисленные защитные механизмы могут включаться атакой патогена. Однако для успешного выживания и размножения защитный отклик должен тонко регулироваться, поскольку активация защитного отклика оказывает вредное влияние на рост растений.
Молекулярные механизмы, лежащие в основе активации защитного отклика, исключительно сложны. Если говорить об устойчивости, обусловленной взаимодействием белков-продуктов генов устойчивости и генов авирулентности, то эта устойчивость обычно сопровождается окислительной вспышкой, то есть быстрым образованием реактивных видов кислорода. Продуцирование ROS необходимо для другого компонента устойчивости, сверхчувствительной гибели клеток. Зависимая от генов R устойчивость также ассоциирована с активацией сигнальных путей, зависимых от салициловой кислоты (SA).
Однако некоторые другие защитные отклики растений контролируются механизмами, зависимыми от этилена (ET) и/или жасмоновой кислоты (JA). Эти последние механизмы в значительной степени перекрываются с откликами на повреждение, которые также находятся под контролем этилена и жасмоната. Сигнальные пути, связанные с SA, JA, и ET, в значительной степени взаимодействуют. SA и JA обладают взаимным ингибиторным действием в отношении экспрессии многих генов. Индуцированная экспрессия ряда генов требует как ET, так и JA, тогда как экспрессия других генов нуждается только в одном сигнале из этих двух. Известны также случаи негативного взаимодействия между передачами сигналов ET и JA.
У арабидопсиса при индукции реакций устойчивости синтезируется ряд фитоалексинов. Для одного из них, камалексина, имеется мутанты с нарушенной функцией гена синтеза камалексина, PAD3, который кодирует P450 монооксигеназу CYP71B15, которая вероятно является ферментом синтеза камалексина. Использование соответствующей мутации позволяет оценить значение камалексина в устойчивости.
При исследованиях арабидопсиса в качестве биотрофных патогенов используют оомицет P. parasitica, вызывающий ложную мучнистую росу, а также возбудители настоящей мучнистой росы Erysiphe orontii и Erysiphe cichoracearum. К биотрофам также относится бактерия P. syringae. Однако в настоящее время ее чаще рассматривают как гемибиотрофа.
Наиболее изученные некротрофные патогены арабидопсиса – грибы Botrytis cinerea and Alternaria brassicicola.
Сигнальные пути, зависимые от салициловой кислоты
Сверхчувствительная гибель клеток или нападение определенных патогенов запускают активацию зависимых от SA сигнальных путей. Уровни SA увеличиваются, и это приводит к активации различных генов защиты, включая PR-1. Основная часть SA у арабидопсиса синтезируется из изохоризмата, а не по пути фенилаланина. Однако некоторая часть ее синтезируется через фенилаланин.
Ген NPR1 действует ниже точки биосинтеза салициловой кислоты в салицилат–зависимом пути передачи сигналов. Когда уровни SA низкие, белок NPR1 существует в виде олигомерной формы в цитоплазме. При повышении концентрации салициловой кислоты олигомеры диссоциируют на мономеры из-за восстановления дисульфидных связей, соединяющих олигомеры. Далее мономеры входят в ядро, где они взаимодействуют с факторами транскрипции TGA-типа. Для активации экспрессии гена PR-1 необходимы TGA 2, 5 и 6. Для полной экспрессии данного гена необходим также фактор транскрипции WRKY70.
Некоторые зависимые от SA защитные отклики являются независимыми от гена NPR1, что свидетельствует о существовании другой ветви пути передачи сигналов, связанного с салициловой кислотой. Фактор транскрипции AtWhy1 индуцируется заражением бактерией P. parasitica и обработкой SA, но не зависит от NPR1. Данный фактор транскрипции также является необходимым для полной экспрессии гена PR-1. Таким образом, фактор транскрипции AtWhy1 может представлять собой часть зависимого от салициловой кислоты, но независимого от NPR1 сигнального пути. А в экспрессию салициловой кислотой гена R-1, как очевидно, вносят вклад оба сигнальных пути.
Упорядочить все события, происходящие в зависимом от салициловой кислоты сигнальном пути непросто, поскольку он включат несколько обратных связей. Гибель клетки запускает образование салициловой кислоты, но салициловая кислота также запускает гибель клетки. Сверхчувствительная гибель клеток приводит к активации сигнала SA по всему астению. В последствии, растение, зараженное авирулентным патогеном, развивает устойчивость к последующему заражению патогенами, которые чувствительны к защитным откликам, регулируемым через салициловую кислоту. Это явление называют системной приобретенной устойчивостью (SAR).
Сигнальные пути, зависимые от жасмоновой кислоты и этилена
Зависимые от жасмоната сигнальные пути функционируют посредством усиления синтеза JA в ответ на атаку патогена с последующим увеличением экспрессии защитных генов, таких как PDF1.2. Зависимые от жасмоновой кислоты сигнальные пути также важны в фертильности растений, в ответ на повреждение и питание насекомых. Некоторые регулируемые жасмоновой кислотой гены также регулируются этиленом. В случае PDF1.2, индукция экспрессии требует и JA и ET. В противоположность этому, индуцируемый жасмоновой кислотой ген VSP1 для своей экспрессии не требует этилена.
В регуляцию уровней JA, по-видимому, вовлечены синтазы целлюлозы растений. Ген JAR1 кодирует аминосинтетазу жасмоновой кислоты, которая может формировать коньюгаты между жасмоновой кислотой и несколькими аминокислотами, включая изолейцин. Именно изолейциновый коньюгат может быть активной формой жасмоновой кислоты.
Жасмоновой кислотой индуцируется целый ряд факторов транскрипции, в частности ERF1, RAP2.6 (семейство AP2), и JIN1 (AtMYC2). ERF1 объединяет сигналы от ЖК и этилена, и его экспрессия требует обоих гормонов. Для генов, которые были изучены в этом отношении к настоящему времени, установлено, что те, которые индуцируются ERF1, репрессируются JIN1. В свою очередь гены, которые активируются фактором транскрипции JIN1, репрессируются ERF1. Первая группа генов, индуцируемая ERF1, по-видимому важна в устойчивости к болезням, поскольку сверхэкспрессия ERF1 на фоне мутации jin1 приводит к повышению устойчивости к некротрофным патогенам. Детальная роль фактора транскрипции RAP2.6 остается пока не изученной.
Взаимодействия между сигнальными путями СК и ЖК/ЭТ
Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 10.1 Экономическое и социально-политическое развитие России.
Имеются множественные точки взаимодействия между путями передачи сигналов СК и ЖК/ЭТ. В большинстве случаев эти взаимодействия представляют собой взаимную репрессию, хотя некоторые гены индуцируются как экзогенной СК, так и эндогенной ЖК. Генетические нарушения, которые приводят к повышению уровня СК, обычно ассоциированы со сниженным уровнем ЖК. Молекулярные механизмы, ответственные за такое негативное взаимодействие между путями передачи сигналов СК и ЖК плохо понятны. По всей видимости, это взаимодействие осуществляется во многих точках.
Механизмы устойчивости к биотрофам и некротрофам
По стратегиям паразитизма, фитопатогенные организмы подразделяются на биотрофов, некротрофов и гемибиотрофов. В случае биотрофов, легко представить, что обусловленная генами R устойчивость и путь передачи сигналов через СК приведет к устойчивости, поскольку в случае сверхчувствительной гибели клеток растения такой патоген будет лишен пищи. Однако в случае некротрофов можно представить, что запрограммированная гибель клеток будет просто облегчать жизнь патогену.
Поддержка этому предположению была получена при проведении экспериментов с мутантными растениями арабидопсиса с дефектами в разных путях передачи сигналов. Мутантные растения, у которых была блокирована передача сигналов через салициловую кислоту, действительно утрачивали устойчивость к биотрофному оомицету Peronospora parasitica, но мутации не оказывали влияние на устойчивость к некротрофу Alternaria brassicicola. И наоборот, мутация, которая блокировала путь передачи сигналов через ЖК, в значительной степени снижала устойчивость к A. brassicicola, но не влияла на устойчивость к P. parasitica. Подобные наблюдения приводят к предположению, что защитные отклики растения «подогнаны» под атакующего патогена; при этом зависимая от СК защита действует против биотрофов, а зависимые от ЖК и ЭТ отклики действуют против некротрофов. Однако, как это часто бывает с простыми и элегантными объяснениями, дальнейшие исследования выявили, что в общем это предположение верное, но реальная ситуация значительно сложнее.
В общем, исследования с целым рядом биотрофных, гемибиотрофных и некротрофных патогенов арабидопсиса позволили установить, что устойчивость к биотрофам зависит от путей передачи сигналов салициловой кислоты, и не зависит от путей передачи сигналов жасмоновой кислоты и синтеза фитоалексина камалексина. Устойчивость к некротрофам опосредована путями передачи сигналов жасмоновой кислоты и/или этилена, зависит также от синтеза фитоалексина и не зависит от путей передачи сигналов салициловой кислоты.
Однако, например, в случае биотрофов связанные с ЖК и ЭТ защитные отклики могут быть эффективными, если их индуцировать до заражения патогеном. С другой стороны, некоторые компоненты зависимой от салициловой кислоты устойчивости могут быть необходимыми для патологического процесса, вызываемого некротрофными грибами, в частности B. cinerea. Так, в 2000 году было высказано предположение, что гибель клеток, вызываемая B. cinerea через индукцию сверхчувствительной гибели клеток, является важным компонентом вирулентности гриба. Гибель клеток растений, вызываемая B. cinerea, во многих отношениях напоминает сверхчувствительную гибель клеток: она ассоциирована с накоплением форм активного кислорода и с экспрессией в табаке ассоциированного со сверхчувствительным откликом гена HSR203J. Предварительное заражение арабидопсиса авирулентным штаммом биотрофа P. syringae приводит к сверхчувствительному отклику и усиливает рост B. cinerea. Иначе говоря, индукция устойчивости к биотрофному патогену повышает восприимчивость растения к некротрофному патогену. Пока сложно сказать, в какой степени можно обобщить это утверждение. Если вспомнить, что механизм действия специфических фитотоксинов также состоит в индукции реакции сверхчувствительности, то есть в индукции защитного отклика, который однако в таком случае не защищает растение, а наоборот делает его более доступным для патогена, то это может оказаться практически правилом – некротрофы «паразитируют» на защитных реакциях растения, эффективных против биотрофов. Однако для обоснованных утверждений такого рода исследователям необходимо накопить значительно больший объем информации.
