Врожденный иммунитет — шестая линия обороны

В ответ на выработанные паразитами способы избегания защитных свойств поврежденной клетки растение выработало систему врожденного иммунитета — создание защитных свойств у живых клеток. Эта защита основана на наличии в цитоплазматической мембране специальных белковрецепторов, узнающих определенные молекулы, находящиеся на поверхности клеток паразита. Интересно, что врожденный иммунитет, основанный на наличии структурно сходных мембранных рецепторов (Toll-рецепторов), присущ всем тканевым организмам — растениям, насекомым, позвоночным животным, включая человека. К молекулам, которые определяются этими рецепторами, относятся: белок флагеллин — строительный материал жгутиков бактерий; вещества, из которых построены бактериальные капсулы; полисахариды, входящие в состав клеточных стенок грибов, — глюкан и хитин; некоторые липиды псевдогрибов (арахидоновая кислота фитофторы) и др. Эти соединения получили название неспецифических элиситоров. Поскольку они всегда присутствуют и одними из первых контактируют с плазматической мембраной, их узнавание очень удобно для растения. После взаимодействия происходит передача сигнала в ядро, и начинаются иммунные процессы. Они заключаются в том, что, с одной стороны, изменяется активность (экспрессия) ряда генов, и начинается синтез продуктов, токсичных для микроорганизмов, а с другой — происходит гибель зараженной и прилегающих к ней клеток, возникает реакция сверхчувствительности.

Токсичные вещества представляют собой высокомолекулярные антимикробные белки (тионины, дефензины, ингибиторы вирусов, белки, связанные с патогенезом, и другие) и низкомолекулярные фитоалексины. В отличие от защитных продуктов, описанных выше, они образуются не в результате разложения имевшихся в здоровых клетках нетоксичных форм (глюкозидов), а в результате нового синтеза. И поскольку для их синтеза необходимо взаимодействие мембранных рецепторов растительной клетки с поверхностными молекулами паразитов, они образуются в ответ не на ранение клеток, а только на заражение.

Белки, связанные с патогенезом, синтезируются в ответ на заражение, причем значительно активнее в устойчивых растениях, нежели в восприимчивых. Среди них встречаются ферменты глюканаза и хитиназа, разрушающие полисахариды, из которых составлена клеточная стенка грибов, — глюкан и хитин; ферменты, участвующие в синтезе и превращении фенолов — растительных соединений, обладающие антимикробным действием; ингибиторы протеаз ферментов грибов и бактерий, разлагающих растительные белки; антивирусные белки, тормозящие репликацию (размножение) вирусов в клетке, и др. Они не только осложняют питание, рост и размножение паразитов в теле хозяина, но и обладают прямым антимикробным действием. Исследование структуры и регуляции синтеза этих белков очень важно, так как кодирующие их гены можно с помощью методов генной инженерии переносить в геном восприимчивых растений и тем самым повышать их устойчивость.

Фитоалексины — низкомолекулярные антибиотические соединения, которые растения синтезируют в ответ на заражение. Обычно в одном виде растения синтезируется несколько родственных, но химической природе фитоалексинов (например, у картофеля обнаружены три циклических сесквитерпеноида — ришитин, любимин и фитуберин). Родственные виды, относящиеся к одному ботаническому семейству, образуют родственные фитоалексины (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Сесквитерпеновые фитоалексины пасленовых растений^[1]

Роль фитоалексинов в самозащите растений чрезвычайно велика.

1. Фитоалексины часто обусловливают то, что Н. И. Вавилов назвал видовым иммунитетом, а в зарубежной литературе называют нехозяйской устойчивостью. Например, возбудитель мучнистой росы гороха Eiysiphe pisi индуцирует в зараженном горохе образование фитоалексина пизатина в концентрации в семь раз ниже летальной для него, а возбудитель мучнистой росы пшеницы Blumeria (Eiysiphe) graminis - в 50 раз выше летальной для него. Поэтому первый гриб способен поражать горох, а второй не может в нем развиваться.

2. Фитоалексины являются важным фактором сортовой устойчивости, так как в устойчивых сортах образуются в гораздо более высокой концентрации, чем в восприимчивых. Например О. Л. Озерецковская изучала образование фитоалексинов в клубнях картофеля в ответ на заражение их двумя расами возбудителя фитофтороза^[2] Хотя генетическая основа устойчивости этих сортов была различной, все они были устойчивы к расе 0 и поражались расой 1.2.3.4 (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Концентрация фитоалексинов (мкг/мл) в клубнях картофеля, зараженных совместимой авирулентной (0) и несовместимой вирулентной (1.2.3.4) расами Phytophthora infestans (по О. Л. Озерецковской)

Из приведенных в таблице данных видно, что все изученные сорта образуют в ответ на заражение авирулентной расой (0) гораздо более высокие концентрации фитоалексинов, чем в ответ на заражение вирулентной расой.

3. Фитоалексины — важный фактор приобретенной устойчивости. Если в растительном сообществе присутствуют разные по степени устойчивости виды, а на них паразитируют различные по вирулентности штаммы паразита, то возможна ситуация, при которой нападение невирулентного паразита на устойчивый вид вызовет образование в нем высокой концентрации фитоалексина, которая предотвратит последующее заражение этого растения вирулентным штаммом паразита. Следовательно, фитоалексины могут быть факторами иммунизации растений, создания у них приобретенного иммунитета.

Реакция сверхчувствительности представляет собой программируемую гибель зараженной и окружающей ее клеток, называемую биологами апоптозом. Она проявляется в разных формах.

Апикальный некроз. Сверхчувствительностью обладают только клетки меристемы — верхушечной ткани, клетки которой делятся, и с помощью которой осуществляется рост растения. Такая реакция описана у английского сорта картофеля «Кинг Эдуард» по отношению к ХВК. Из зараженного листа этого сорта вирус распространяется с помощью ближнего и дальнего транспорта и оккупирует все растение. Но как только вирусные частицы достигают меристемы, ее клетки погибают, а вслед за ними погибает растение целиком. Для отдельного зараженного растения это плохо, так как ХВК на других сортах слабо влияет на ростовые процессы и незначительно снижает урожай. Но для популяции в целом — это полезное свойство, ибо зараженные растения погибают до начала клубнеобразования, и вирус не передается следующему поколению. В семеноводческих посадках картофеля проводят противовирусные прочистки — удаление зараженных растений, а у сорта «Кинг Эдуард» происходит естественная прочистка от вируса.

Самоампутация. У некоторых сортов перцев, зараженных ВТМ, и фасоли, зараженной бактерией псевдомонадой, инфекция распространяется, но листу, по после достижения листовой пяточки (места сочленения листа с черешком) ее клетки реагируют реакцией сверхчувствительности и погибают, и зараженный лист отваливается от растения. Таким образом, в отличие от первого типа, во втором погибает не все зараженное растение, а лишь зараженные листья.

Дырчатая пятнистость. В листьях некоторых двудольных растений, зараженных грибами и бактериями, после радиального распространения инфекции через несколько клеточных слоев возникает реакция сверхчувствительности, происходит гибель клеток, окружающих инфекционное место, и выпадение зараженного участка листа. Возникает дырка, как от прострела дробью, иногда окруженная красным кольцом вследствие накопления красящих производных фенола — антоцианов. Этот тип реакции характерен для косточковых плодовых культур — абрикосов, персиков, а также для сорного растения конского щавеля. Такая защитная реакция еще более экономна, так как растение, освобождаясь от инфекции, теряет только небольшие участки листа.

Точечный некроз или хлороз. Происходит еще более быстрое реагирование на инфекцию, что приводит к гибели небольшой группы клеток и проявляется в виде небольших некротических или хлоротических пятен на листьях (рис. 2.4; 2.5).

Рис. 2.4. Реакция сверхчувствительности:

капли с зооспорами Pkytophthora infestans через 12 ч после нанесения на листья восприимчивого (слева) и устойчивого (справа) сортов картофеля.

На устойчивом сорте под каплями образовались мелкие некрозы в местах внедрения проростков паразита (фото автора).

Рис. 2.5. Реакция сверхчувствительности:

схема внедрения паразитического гриба в ткань восприимчивого (верхний ряд) и устойчивых (средний и нижний ряды) сортов^[3]

Иногда клетки реагируют на заражение настолько быстро, и отмирает настолько малое их число, что симптомов заражения вообще не видно, для обнаружения инфекции необходимо микроскопировать окрашенные срезы листа. Такая форма реакции сверхчувствительности еще более экономна, так как освобождение от инфекции сопровождается гибелью всего нескольких клеток, поэтому она наиболее распространена.

Итак, при реакции сверхчувствительности:

• — биотрофные паразиты лишаются пищи (они не питаются содержимым мертвых клеток);
• — в ходе апоптоза образуются сигнальные молекулы, индуцирующие синтез защитных молекул в соседних живых клетках;

вследствие разрушения мембранного барьера усиливается приток к месту заражения токсичных продуктов (фитоалексинов, антимикробных белков), синтезируемых в этих соседних клетках.

R-белки — последняя линия обороны

Многие паразиты научились преодолевать и эту, описанную выше, линию обороны. Они синтезируют вещества, названные эффекторами, супрессорами, или специфическими элиситорами, которые прерывают сигнал к ядру, поступающий от мембранного рецептора после его взаимодействия с неспецифическим элиситором, т. е. нарушают систему врожденного неспецифического иммунитета. В ответ на это растение образует специальные R-белки (названные по первой букве английского слова resistance — устойчивость), которые узнают структуру эффектора и, связывая его, открывают путь к активации иммунного ответа, заблокированный эффектором. Начинается «гонка вооружений» непосредственно у пас на глазах. У паразита в результате мутаций или других генетических событий изменяется структура эффектора, который перестает узнаваться R-белком. В популяции растений также происходит возникновение нового варианта R-белка, который приобретает способность узнавать новый вариант эффектора, и т. д. Этапы этого процесса можно изобразить следующим образом.

И так далее.

Таким образом, разнообразие защитных молекул, которое внутри тела позвоночных животных создается системой синтеза антител, у растений обычно не содержится в одном организме, а рассыпано в виде генетических различий членов популяции. Следовательно, генетическое разнообразие растительных популяций — важнейшее условие их стабильности. При этом важную роль играет следующее обстоятельство. Изменение структуры эффекторной молекулы паразита, которая перестает узнаваться.

R-белком растения и делает паразита способным заражать устойчивые ранее растения, может снизить общую жизнеспособность и патогенность паразита. Следовательно, чем больше ранее устойчивых сортов может заразить штамм паразита, имеющий ряд мутантных изменений эффекторных молекул, тем ниже его жизнеспособность. В фитопатологии используется термин «цена вирулентности» — плата за возможность развития на устойчивых сортах. Все это должно учитываться при планировании программ селекции и сорторазмещения (см. гл. 4).

• [1] Метлицкий Л. В. Иммунологический контроль в жизни растений. М.: Наука. 1987.
• [2] Озерецковская О. Л. Антибиотические вещества картофеля и их роль в устойчивости к Phytophthora infestans (Mont.) de Вагу. Автореферат дисс… д-ра биологических наук. М, 1975.
• [3] The hypersensitive response is associated with host and nonhost resistance to Phytophthora infestans / V. G. A. Л. Vleeshouwers fet al) // Planta. 2000. № 210. P. 853—864.