Как растения защищаются от болезней
Шрифт:
Известен и другой способ растений избежать воздействия токсинов паразита — потерять к ним чувствительность, но это возможно только лишь по отношению к специализированным патотоксинам, имеющим в клетке определенную мишень действия. Что касается фито- и вивотоксинов, не обладающих избирательностью действия и одновременно нарушающих многие звенья обмена, то к ним вряд ли могут возникнуть нечувствительные формы. Вообще к ингибиторам, не имеющим определенной мишени, на которую они действуют, а неспецифически повреждающим многие «сайты», адаптация маловероятна. Возможно, поэтому к неспециализированным некротрофным паразитам, обладающим неспецифическими токсинами с широким спектром антибиотического действия, нет и не может быть устойчивых форм растений, а существуют только более или менее восприимчивые.
Примером устойчивости
Было испытано 182 клона сахарного тростника и установлено, что устойчивые к паразиту клоны устойчивы и к его токсину. В чем дело? Может быть, в устойчивых растениях токсин разлагается, поскольку в них есть ферменты, способные его детоксицировать? Определения показали, что это не так. Меченый токсин вводили в растения как устойчивых, так и восприимчивых клопов тростника, а затем спустя некоторое время определяли его количество, оставшееся в растениях. Разницы не нашли.
Картина несколько прояснилась, когда удалось обнаружить, что токсин связывается с цитоплазматической мембраной хозяина, однако не у всех клонов растений. Только у восприимчивых. Значит, у восприимчивых растений в отличие от устойчивых на мембране есть некое вещество — рецептор, который связывает токсин. И такой рецептор удалось выделить. Для этого мембрану восприимчивого клона обработали детергентом, а потом расфракционировали выделенные белки. Рецептор оказался белковым тетрамером, т. е. состоял из 4 белковых субъединиц, с молекулярной массой 48 000. Токсин связывается с рецептором на восприимчивых сортах, в результате чего их клетки погибали.
Далее оказалось, что мембрана устойчивого клона тоже содержала такой же (правда, не точно такой же!) белок. Во всяком случае, белок из устойчивого клона выделялся тем же способом и имел ту же молекулярную массу.
Более того, белок-рецептор устойчивого и восприимчивого сортов не смогли различить даже антитела кролика, поскольку они связывались как с одним, так и с другим белком.
Оказалось, что различие между белками, которое не заметили даже антитела, заключается в 4 аминокислотах (лизине, серине, глицине, глютаминовой кислоте). Эти аминокислоты маскируют у устойчивого клопа центры связывания белка с токсином, что и делает растение нечувствительным к нему. Кстати, если белок из устойчивого клона тростника обработать детергентом, в результате чего его маскировка нарушается, ои приобретает свойство связываться с токсином паразита, и растение из устойчивого превращается в восприимчивое. Наоборот, если ткани восприимчивого клона тростника обработать антисывороткой, полученной на их белок-рецептор, то восприимчивый клон тростника превратится в устойчивый. Дело в том, что имеющиеся в антисыворотке антитела свяжутся с белком-рецептором и защитят его от действия токсина.
Таким образом, из проведенных опытов можно сделать вывод, что восприимчивость растения зависит от наличия специфического рецептора, тогда как устойчивость определяется его отсутствием. Устойчивость в этом случае можно рассматривать не как активную защитную реакцию, а как пассивный признак.
Теперь относительно защиты от системы экзоферментов паразита, в первую очередь пектолитических, которым, как уже говорилось, принадлежит ведущая роль в патогенезе растений.
Нужно сказать, что стратегия обороны растения от экзоферментов у некротрофов и биотрофов не может не быть различной. Для защиты от некротрофов, для которых быстрая гибель растительных клеток является залогом их успешного паразитирования, экзоферменты паразита должны быть как можно скорее инактивированы. Защита от биотрофов предполагает не столько инактивирование фермента, сколько его регулирование. Некоторая доля активности ферментов, в частности пектолитических,
Регулирование действия пектолитических ферментов, как, впрочем, и некоторых других экзоферментов фитопатогенов, достигается с помощью нескольких механизмов. Это прежде всего регулирование на уровне образования молекул фермента либо за счет его подавления, либо, наоборот, индуцирования. Дело в том, что пектолитические ферменты у паразитов вырабатываются только в том случае, если в среде, где они растут, присутствует пектин, который и вызывает их образование. Это так называемое явление субстратной индукции. Таким образом, пектолитические ферменты индуцируются только веществами, которые им предстоит разлагать. Поэтому наличие либо отсутствие субстрата так же, как его состав, является средством регулирования синтеза этих ферментов.
Одним из способов регулирования ферментов является их катаболитная репрессия. Катаболитная репрессия — механизм экономного и целесообразного образования лишь тех ферментов, которые позволяют организму существовать с наименьшими энергетическими затратами. Предположим, у микроорганизма есть на выбор несколько источников питания. В таком случае он будет в первую очередь потреблять те вещества, использование которых ему наиболее выгодно. Например, в среду с пектином, где растет некий фитопатоген, добавляется глюкоза. Естественно, что паразит предпочтет глюкозу пектину, поскольку для использования пектина его нужно сначала разложить, а для этого образовывать ферменты, расщепляющие его пектиновые вещества, тогда как можно начать прямо с глюкозы, для превращения которой ферменты всегда имеются в наличии. Патоген начинает потреблять глюкозу вместо пектина, а пектолитические ферменты за ненадобностью перестает образовывать. Вот и получается, что добавление глюкозы (катаболита) к пектину подавляет (репрессирует) выделение паразитом пектолитических ферментов. Это и есть катаболитная репрессия.
Явление катаболитной репрессии удалось использовать для защиты от болезни платана. На места поражения наливали раствор сахара, в результате чего образование грибом экзоферментов, являющихся фактором его патогенности, прекращалось. Так сахаром удавалось вылечить болезнь.
Предохранить клеточные стенки растений от действия разрушающих ферментов возможно и с помощью их суберинизации и лигнификации. Суберин и лигнин, откладываясь в составе стенок, стабилизируют их и делают содержащиеся в них вещества недоступными для ферментов фитопатогенов.
И все-таки главным фактором защиты от экзоферментов фитопатогенов является их инактивирование с помощью различного рода ингибиторов. Важная роль в этом принадлежит фенольным соединениям, особенно продуктам их окисления, которые являются мощными факторами песпецифического ингибирования ферментов паразита.
Дело в том, что окисленные производные фенолов легко образуют комплексы с SH-, NH2– и NH-группами белков-ферментов, в результате чего последние теряют сдою активность.
Подобный механизм ингибирования может иметь значение и в защите растений от некротрофиых патогенов, и в явлении сверхчувствительности, возникающей в ответ на проникновение несовместимых биотрофов. Например, катехины, присутствующие в клеточных стенках плодов винограда, подавляют активность пектолитических ферментов возбудителя серой гнили, причем чем больше их содержание, тем выше степень устойчивости. А продукты окисления хлорогеновой и кофейной кислот, содержащиеся в некротизирующихся в ответ на проникновение возбудителя фитофтороза тканях картофеля, подавляют пектиназы этого паразита.
Но если паразиты имеют ферменты, разрушающие клеточные стенки растения, то и растения в свою очередь тоже образуют ряд ферментов, повреждающих клеточные стенки паразитов: если стенки патогена состоят из хитина — хитиназы, если из глюкана — различного рода глюканазы и т. д. В ответ на это паразит образует ингибиторы, подавляющие действие этих ферментов. Получается, что взаимоотношения паразита и хозяина заключаются в непрерывном процессе взаимной индукции: субстрат (клеточная стейка паразита) индуцирует ее разрушающий фермент, а присутствие фермента индуцирует у паразита ингибитор, его подавляющий.