Оксилипиновые иммунностимуляторы устойчивости сельскохозяйственных растений к стрессам

Оксилипиновые иммунностимуляторы устойчивости сельскохозяйственных растений к стрессам

Каскад биохимических реакций метаболизма полиеновых жирных кислот приводит к образованию широкого спектра оксигенированных интермедиатов, в том числе, фитопростаноидных оксилипинов. Оксилипины вовлечены в стимуляцию иммунитета при воздействии патогенов на возделываемые культуры, а также модулирование ответных реакций организма на неблагоприятные условия внешней среды.

Рассматривая проблему продовольственной безопасности с позиции экологии необходимо отметить, что в настоящее время агропромышленные приоритеты Российской Федерации сопряжены главным образом с решением биотехнологических проблем. Селекция основных возделываемых культур: пшеницы, риса, кукурузы, картофеля и др. в последние десятилетия шла на отбор высокопродуктивных сортов и гибридов при одновременном применении разнообразных пестицидов [1]. Широкое использование техногенных средств (минеральных удобрений, гербицидов, фунгицидов, орошения) в земледелии, а также хранении и переработки агропромышленного сырья оказывают негативное влияние на стабильность обеспечения качественными продуктами питания.

В этой связи в общую проблему ресурсосбережения необходимо включить и ряд других подходов, в частности, минимизировать загрязнения агробиоценозов слаборазлагающимися пестицидами за счет внедрения антистрессовых биологических препаратов [2]. Например, от поражения фитофторозом урожай картофеля может снизиться на 15−20%, а в годы интенсивного развития болезни (дождливая и умеренно теплая погода во второй половине вегетации) — на 50% и более. Разработка технологии биорациональных фунгицидов и новых подходов повышения устойчивости агрокультур к стрессовым условиям, основанные на стимулировании естественных защитных механизмов растений остается актуальным и требует поиск инновационных решений.

Данная статья нацелена на анализ рациональных подходов конструирования экобезопасных биопрепаратов на основе фитопростаноидных оксилипинов растительных масел в биотехнологии защиты картофеля.

Выделение оксилипинов проводили по методике, описанном в работе [10]. Объектом исследования устойчивости к патогенам служили клубни картофеля (Solanum tuberosum L.) восприимчивого к фитофторозу сорта Леони. Из клубней картофеля вырезали диски толщиной 14 мм и диаметром 24 мм. На поверхность дисков наносили по 50 мкл испытуемых биоактивных молекул: в качестве индукторов устойчивости использовали жасмоновую кислоту, оксилипиновый биопрепарат в концентрациях 10−7 М, 20 мкг/мл соответственно.

Спустя 48 ч эту же поверхность картофельных дисков инфицировали зооспорами возбудителя фитофтороза Phytophthorainfestans (Mont.) de Bary при нагрузке 104 спор/мл. Контролем служили диски картофеля, на поверхность которых наносили воду. Контрольные и опытные диски инкубировали на увлажненной подложке в чашках Петри.

Наблюдения за ростом возбудителя фитофтороза на дисках картофеля позволили установить различия в скорости роста патогена в контроле и опытных вариантах (рис. 1). Результаты подсчета показали, что в контроле степень поражения дисков составляла 34 ± 3%, на клубнях, предобработанных оксилипинами 20 ± 2% соответственно, а на дисках при воздействии жасмоновой кислоты, только 15 ± 1%. Таким образом, как показывают результаты исследований, у клубней картофеля в формировании защитного ответа к возбудителю фитофтороза доминирует жасмонатная сигнальная [7] система.

Рис. 1. Степень пораженности клубней картофеля фитофторозом при обработке иммунностимуляторами (1 — контроль, 2 -жасмоновая кислота, 3 — оксилипиновый биопрепарат)

На сегодняшний день достаточно подробно изучен метаболизм полиненасыщенных жирных кислот липидов, в частности, биохимический каскад арахидоновой кислоты [8, 11, 14]. Оксилипиныбиологически активные кислородсодержащие производные полиеновых (арахидоновая, линоленовая и др.) кислот, которые биогенетически близки к изопреноидам. Оксилипины in vivo являются сигнальными молекулами, образующиеся ферментативно или свободнорадикально из ненасыщенных высших жирных кислот у аэробных организмов.

Биосинтез оксилипинов у растений включает несколько параллельных ветвей и по названию первого энзима соответствующего метаболизма различают: путь алленоксидсинтазы, гидропероксидлиазы, дивинилэфирсинтазы, пероксигеназы, эпоксиалкогольсинтазы и другие, в которых образуются разнообразные интермедиаты [12]. Образование фитопростаноидных оксилипинов может происходить и без участия ферментов, только в результате действия свободных радикалов и активных форм кислорода.

Метаболические трансформации полиненасыщенных жирных кислот растительных масел начинаются под воздействием различных факторов. Например, липазы (энзимы) активируются патогенами, стрессовыми фитогормонами, элиситорами, абиогенными стрессорами. В ответ на внутренние или внешние сигналы липазы отщепляют свободные полиеновые кислоты (линоленовая кислота) от липидов [16]. Затем липоксигеназы (абиотические и биотические стрессоры вызывают энзимную активацию липоксигеназ) стереоспецифически окисляют девятый или тринадцатый атом углеродного скелета жирной кислоты, формируя гидропероксиды соответствующих кислот (рис.2):

Рис. 2. Схема метаболических трансформаций оксилипинов

Вслед за образованием пероксидных интермедиатов пути биосинтеза разветвляются, и образовавшиеся 9- и 13-гидропероксиды жирных кислот используются в качестве субстратов различных ферментов и синтезируются разнообразные метаболиты, включая: циклопентеноновые соединения (оксофитодиеновая и жасмоновая кислоты), альдегиды, альдокислоты (травматин — раневый фитогормон), дивиниловые эфиры (колнеловая кислота), эпоксиды, эпоксиспирты, кетоны и другие биоактивные соединения.

Некоторые из обнаруженных оксилипиновых метаболитов контролируют рост и развитие растений, участвуют в формировании устойчивости к патогенам и адаптации к действию неблагоприятных факторов. Летучие соединения гидропероксидлиазной ветви являются активными участниками сложной сигнальной системы, обеспечивающей экологические взаимодействия с другими растениями и насекомыми [15].

Другая защитная функция оксилипинов, включая жасмонаты, — активация механизмов обезвреживания токсинов и ксенобиотиков. Имеется множество подтверждений защитной роли этих метаболитов при биотических стрессах, однако, некоторые из этих соединений выполняют протекторные функции и при абиотических стрессах [6]. Уровень жасмонатов, включая конъюгаты жасмоновой кислоты с аминокислотами (изолейцином), возрастает в ответ на осмотический стресс и дефицит воды. Временное и краткосрочное увеличение уровня жасмонатов является быстрым ответом на дегидратацию, по времени опережающим накопление абсцизовой кислоты — фитогормона, отвечающего, главным образом, за устойчивость к абиотическим стрессам, таким как засуха, повышенные концентрации соли, низкие температуры.

Не только жасмоновая кислота, но и ее оксилипиновые предшественники инициируют образование стрессовых белков, в том числе ингибиторов протеиназ. Летучие оксилипины являются активными биорегуляторами экологических взаимоотношений в агробиоценозе с вредителями. Накопление жасмонатов при низких температурах и их защитный эффект были продемонстрированы на сельскохозяйственных культурах. Спонтанное образование окисленных производных жирных кислот происходит и в здоровом агрокультурном растении, растущем в оптимальных условиях, но интенсивность биосинтеза многократно увеличивается при «атаке» патогенов.

Образующиеся в результате действия свободных радикалов и активных форм кислорода фитопростаны (фитопростаноиды) индуцируют экспрессию генов, вовлеченных в процессы детоксикации. Одновременно циклопентеновые фитопростаноиды активируют сигнальную фрактальную систему, которая связана с оксидативным стрессом. Данные биорегуляторы отвечают за рост и развитие, фертильность, старение и защитные реакции агрокультур. Нами была показана ростстимулирующая активность фитопростаноидных оксилипинов на проростках ячменя [9].

Оксилипины не только являются сигнальными медиаторами при передаче преобразованной информации к геному клетки, но и выполняют ряд других функций. Так, была показана роль оксилипинов как биорегуляторов, корректирующих действие фитогормонов при стрессе различной природы [13]. Установлено влияние оксилипинов на синтез вторичных метаболитов и зарегистрировано, что оксилипины являются элиситорами и образуются в клетках растений в местах инфицирования, вызывая экспрессию защитных генов, биосинтез соответствующих белков, образование фитоалексинов и, в конечном итоге, способствуют формированию иммунитета сельскохозяйственных растений к патогенам.

Таким образом, представлены современные работы, которые раскрывают молекулярные механизмы действия оксилипиновin vivo. Приведены данные об участии оксилипинов в переносе стрессовых сигналов, регуляции экспрессии стресс-индуцируемых генов, а также о взаимодействии оксилипинов с многочисленными сигнальными путями на супрамолекулярном уровне [5] растительной клетки. Описаны фитогормональные механизмы действия оксилипинов, позволяющие сельскохозяйственному растению приспосабливаться к стрессовым условиям, а также более специфичные защитные ответы, регулируемые оксилипинами при тех или иных абиотических и биотических стрессах. Рассмотрены вопросы, касающиеся разработки новых подходов к повышению устойчивости агрокультур к стрессовым условиям, основанные на стимулировании естественных защитных механизмов оксилипинами.

Несмотря на то, что вектор развития экономики России ориентирован на развитие биотехнологических инновационных проектов, которые дают наибольший экономический эффект, в то же время их успешная реализация не гарантирована. В настоящее время остаются востребованными сбор и анализ информации о наиболее значимых научных результатах для оценки их коммерческого потенциала, проведение предварительных маркетинговых исследований, управление качеством [3], а также экспертная оценка перспективных научных разработок.

Коммерциализацию научных разработок и технологий однозначно связывают с инновационной деятельностью, в ходе которых научный результат или технологическая разработка [4] реализуются с получением дохода. Коммерциализация научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) — достаточно сложный, трудоемкий процесс, связанный с практическим использованием результатов научных исследований и разработок для вывода на рынок новых или улучшенных продуктов, услуг и т. п. Коммерциализация технологий на базе иммуностимулирующих оксилипинов апробирована посредством участия в проекте «Старт» (табл. 1):

Таблица 1 — График реализации инновационного проекта оксилипиновых биопрепаратов по программе «Старт»

В заключении отметим, что оксилипины индуцируют систему устойчивости биотехнологически ценных культур, в том числе и картофеля, к действию неблагоприятных факторов. Регуляция развития растительного организма в агробиоценозе и его взаимодействие с окружающей средой осуществляется благодаря скоординированному действию множества сигнальных и регуляторных систем, образующих фрактальную многокомпонентную сигнально-регуляторную сеть. Коммерциализация биотехнологических разработок на основе оксилипиновых иммунностимуляторов апробирована в инновационном проекте по программе «Старт».

• 1. Жученко А. А. Адаптивное растениеводство (эколого-генетические основы). Теория и практика. — М.: Агрорус, 2008. — 816 с.
• 2. Захаренко В. А. Биотехнологии и защита растений // Защита и карантин растений. — 2015. — № 11. — С. 3−6.
• 3. Иванова О. В. Словарь основных терминов управления качеством. — Уфа: РИЦ БашГУ, 2014. — 68 с.
• 4. Коротаев В. Н., Мыльников Л. А. Вопросы развития инновационной инфраструктуры и коммерциализации научных разработок в Пермском национальном исследовательском политехническом университете // Инновации. — 2012. — № 11(169). — C. 20−27.
• 5. Машуков Н. И., Халиков Р. М., Хараев А. М. Стабилизация и модификация молекулярных структур. — Saarbrucken: Palmarium Academic Publishing, 2014. 210 с.
• 6. Савченко T. B. Застрижная O.M., Климов B.B. Оксилипины и устойчивость растений к абиотическим стрессам // Биохимия. — 2014. — Т.79. № 4. — С. 460−477.
• 7. Тарчевский И. А. Сигнальные системы клеток растений. — М.: Наука, 2002. 294 с.
• 8. Умаров И. А., Гилязетдинов Ш. Я., Халиков Р. М., Ибрагимов Р. И. Оксилипиновые биопрепараты для использования в защите картофеля // Биомика. — 2012. — Т.3. — № 1. — С.107−108.
• 9. Умаров И. А., Халиков Р. М. Иммуннои ростстимулирующая активность фитопростаноидных оксилипинов // Инновационная наука. — 2017. — № 1−2. — С.24−26.
• 10. Халиков Р. М., Латыпова З. Б. Разработка фитопростаноидного биопрепарата: один из подходов уменьшения техногенного прессинга на природные ландшафты // NAUKA-RASTUDENT.RU. — 2014. — № 1 (01). — С. 5.
• 11. Халиков Р. М., Маликова А. Ш. Супрамолекулярное ингибирование активности энзима циклооксигеназы аспирином // NAUKA-RASTUDENT.RU 2016. — No. 04 (028). — С. 23.
• 12. Bottcher C., Pollmann S. Plant oxylipins: Plant responses to 12-oxo-phytodienoic acid are governed by its specific structural and functional properties FEBS Journal. — 2009. — V. 276. — Р. 4693−4704.
• 13. Durand T., Bultel-Poncе V., Guy A. et al. Isoprostanes and phytoprostanes: bioactive lipids. // Biochimie. — 2011. — V.93. — N.1. — P.52−60.
• 14. Eckard N. A. Oxylipinsignaling in plant stress responses // Plant Cell. — 2008. V.20. — N. 3. — P. 495−497.
• 15. Mosblech A., Feussner I., Heilmann I. Oxylipins: Structurally diverse metabolites from fatty acid oxidation // Plant Physiology and Biochemistry. — 2009. — V.47. — N. 6. — Р. 511−517.
• 16. Shimada T.L., Hara-Nishimura I. Leaf oil bodies are subcellular factories producing antifungal oxylipins // Current opinion in plant biology. — 2015. — V. 25. P. 145−150.