Активный иммунитет растений проявляется в виде комплекса ответных реакций на воздействие патогенных организмов или продуктов их жизнедеятельности. Сущность активного иммунитета сводится к определенным биохимическим процессам. Как отмечал И. И. Мечников, существует два типа защитных реакций организма на инфицирование. В одних случаях они направлены на обезвреживание токсических выделений патогена, в других, и главным образом, — непосредственно на подавление самого возбудителя. Учение Мечникова о двух типах защитных реакций в полной мере подтверждают данные, полученные при изучении иммунитета растений. Характер защитных реакций растений определяется в основном типом паразитизме и способом питания патогена.
К факторам активного иммунитета относят реакцию сверхчувствительности, активацию и перестройку деятельности ферментных систем, образование фитоалексинов, фагоцитоз.
Результаты активных защитных реакций могут проявляться либо в локализации патогена, либо в замедлении его распространения в растительных тканях, либо в его гибели и предотвращении болезни растения.
Обычно вопрос о совместимости или несовместимости возбудителя и растения-хозяина решается только после проникновения возбудителя в растение. Как правило, возбудитель грибной или вирусной природы проникает в растение независимо от того, является оно хозяином или нет. Лишь после этого на уровне плазма- леммы клетки происходят генетически регулируемые процессы узнавания. При этом экзогенные сигналы, или элиситоры, связываются пока мало исследованными рецепторами. Элиситоры даже в очень малых концентрациях способны вызывать каскад защитных реакций растения-хозяина еще на стадии заражения растения возбудителем. Действие их неспецифично, они индуцируют общую активацию устойчивости. Установлена структура лишь некоторых из них, например олигомеров хитина, хитоназы и глюканов. Это арахидоновая и эйкозопентаэновая кислоты, некоторые гликопротеиды из грибов, олигогалактурониды, системин, салициловая, изоникотиновая, линоленовая и жасмоновая кислоты у растений.
Экзогенные элиситоры преобразуются на плазмалемме в эндогенные сигналы. Первой реакцией при этом, вероятно, является фосфорилирование протеинов, в котором участвуют разные ферменты (фосфолипаза, протеинкиназа, плазмалемма — АТФаза). Эти эндогенные сигнальные молекулы вызывают у растений все дальнейшие защитные реакции. Через цитоплазму эти молекулы попадают в ядро клетки и активируют гены устойчивости. Сначала происходит индукция или стимуляция транскрипции и трансляции РНК, что приводит к образованию ферментов. Они катализируют синтез генных продуктов, связанных с защитными реакциями. Сигналы могут действовать только в отдельных или соседних клетках либо путем транслокации попадать в более далекие свободные от поражения части растения и индуцировать там защитные реакции. Последовательность этих реакций называют сигнальными цепями, под которыми понимают совокупность всех реакций от рецепции сигнала до фенотипического проявления реакции. Последовательность таких реакций пока не установлена, поэтому сигнальные цепи носят частично гипотетический характер.
Результатом активизации устойчивости может быть образование структур (раневой перидермы, лигнина), с помощью которых растение пытается предотвратить заселение и инкапсулировать возбудителя в местах его проникновения. При развитии реакции несовместимости у двудольных растений наблюдается усиленное накопление в клеточных оболочках гликопротеидов. У однодольных (ячменя) при поражении мучнистой росой в клеточной оболочке накапливается белок тионин.
Сверхчувствительность. Один из наиболее эффективных и распространенных механизмов устойчивости растений — реакция сверхчувствительности. Она индуцируется многими возбудителями и протекает очень быстро: происходит гибель клеток хозяина в местах проникновения патогена. Мертвые клетки становятся для патогена барьером, изолирующим его от живой ткани (рис. 4).

Реакция сверхчувствительности возникает в ответ на заражение устойчивых сортов биотрофами, поскольку эта группа паразитов способна использовать для питания только живые клетки. Отмирание окружающих тканей ведет к голоданию биотрофов, а затем и к их гибели. Факультативные паразиты (некротрофы) способны продолжать развитие в мертвых тканях как сапротрофы. Однако в ряде случаев реакция сверхчувствительности является важным фактором иммунитета и к факультативным паразитам, гибель которых наступает в результате отравления образующимися токсинами. В данном случае защитная реакция растения направлена непосредственно против патогена.
Внешне реакция сверхчувствительности проявляется в виде некрозов, которые наиболее четко выражены при внедрении в растение облигатных паразитов и факультативных сапротрофов, оптимально приспособленных к обмену веществ растения-хозяина.
Установлено, что первые этапы патологического процесса (проникновение возбудителя в ткани растения-хозяина) у устойчивых и восприимчивых сортов протекают одинаково. На последующих этапах патологического процесса реакция сортов резко меняется. У восприимчивых сортов гриб внедряется в клетки и питается за счет растения. Клетки, в которые проник гриб, продолжают функционировать. При этом наблюдается как бы симбиоз патогенного организма с высшим растением. У устойчивых сортов после проникновения гифы в клетку ее ядро и все содержимое начинают темнеть и погибают вместе с гифой.
В некоторых случаях реакция сверхчувствительности не ограничивается гибелью только инфицированных клеток: отмирают и граничащие с ними клетки. Гибель клетки вместе с паразитом прерывает инфекционный процесс и предотвращает дальнейшее развитие болезни. Скорость и интенсивность реакции сверхчувствительности при разных сочетаниях хозяина и патогена неодинакова: чем устойчивее сорт, тем быстрее развивается реакция сверхчувствительности. Так, красный клевер, устойчивый к Erysiphe hiligoni, мгновенно реагирует на вторжение паразита. При этом происходит быстрая дезорганизация и гибель пораженных и некоторых примыкающих к ним клеток, а также гиф гриба. В случае восприимчивых разновидностей такой реакции не наблюдалось. Аналогичные явления были обнаружены при взаимодействии сортов пшеницы с возбудителями ржавчины. При проникновении ржавчинных грибов в растения на листьях пшеницы появляются хлоротичные пятна, переходящие впоследствии в некротические. У устойчивых сортов некрозы выражены более четко, чем у восприимчивых. У неустойчивых сортов пустулы крупные, бархатистые, обесцвечивание тканей вокруг них не происходит. У высокоустойчивых сортов некрозы имеют вид мелких точек, пустулы не развиваются. Это проявление высшего типа устойчивости — иммунитета.
Следует отметить, что механизм реакции сверхчувствительности у растений пока полностью не выяснен. Остается открытым вопрос, обусловлена ли гибель возбудителя отмиранием клетки или оба они отмирают по другой причине, например, в результате образования фитоалексинов. Процессы эти в разных системах «растение—возбудитель» могут протекать неодинаково.
Окислительные процессы. После проникновения патогена в клетку растения-хозяина изменяется метаболизм растения, который у устойчивых форм направлен на подавление инфекционного начала. Проявление заболевания растения заключается, в первую очередь, в повышении интенсивности дыхания и активизации ряда окислительных ферментов. По А. Н. Баху, токсины ряда микроорганизмов могут разрушаться оксидазами животного и растительного происхождения. Этой функции оксидаз, связанной с активизацией дыхательного газообмена, А. Н. Бах отводил решающую роль в явлениях иммунитета живых организмов. Кроме того, А. Н. Бах отмечал специфическую роль оксидаз в защитных реакциях, эта группа ферментов принимает активное участие в процессах восстановления поврежденных тканей растения. Результаты многих исследований свидетельствуют о наличии положительной корреляции между устойчивостью растения к заражению и активностью протекающих в нем окислительных процессов.
Степень активации окислительных ферментов под действием патогена определяется устойчивостью к нему растительной ткани. У устойчивых сортов активная реакция на заражение сопровождается усилением энергетического обмена (рис. 5). У восприимчивых растений под влиянием паразита наблюдаются распад окислительных систем и нарушение отдельных звеньев обмена веществ (рис. 6). Под влиянием окислительной системы растения происходит снижение активности гидролитических ферментов патогена, нейтрализация его токсинов. Защитные реакции, направленные на подавление ферментов паразита, называются антиферментными, а направленные на разрушение токсинов паразита — антитоксическими.

На инактивацию ферментов паразита или на ингибирование их синтеза могут оказывать влияние фенольные соединения, аминокислоты или катионы металлов, от которых зависит активность ряда ферментов. Фенолы и продукты их окисления подавляют активность многих ферментов. Устойчивость может быть также связана с отсутствием в клетках растения субстрата для ферментов, без которых невозможно заселение хозяина возбудителем. Катионы кальция, бария и магния могут влиять на активность пектолитических, а возможно, и других ферментов и благодаря этому играть определенную роль в устойчивости растений. Устойчивость к инфекции определяется устойчивостью клеток к токсическим выделениям патогена. При внедрении гиф Botrytis сіnerea в ткани неустойчивых сортов капусты наблюдается быстро распространяющееся потемнение тканей. Мицелий гриба на пораженной ткани можно обнаружить уже в первые дни заражения.
У устойчивых сортов потемнение тканей и налет конидиеносцев возбудителей заболевания появляются лишь на восьмые сутки. Различия в площади, занятой мицелием, и площади, потемневшей от действия токсина, у восприимчивого сорта и почти полное совпадение этих показателей у устойчивого сорта свидетельствуют о том, что именно инактивация токсинов определяет защиту от патогена.
Деятельность окислительных ферментов как факторов активного иммунитета растений может проявляться и в процессах, ведущих к образованию между паразитом и растительной тканью защитного слоя клеток, который изолирует патоген. При заражении клубней картофеля возбудителем обыкновенной парши (Streptomyces scabies) у устойчивого сорта вокруг внедрившегося паразита быстро возникает слой пробки, тогда как у восприимчивого сорта развитие пробки происходит медленнее и оказывается неэффективным. Успешное образование барьера из пробки приводит к локализации очагов болезни. Барьер из пробки может препятствовать распространению токсинов из пораженных тканей. Таким образом, окислительные ферменты являются активными участниками биохимических процессов, происходящих в результате взаимодействия растений и паразита. Интенсивность и характер этих процессов, их влияние на конечный исход заражения зависят от присущих хозяину и патогену особенностей обмена веществ, а также от тех изменений, которые возникают в обмене веществ в результате их взаимодействия. Эти сдвиги в обмене обусловлены изменениями в деятельности ферментов.
Белковый обмен. Все активные защитные реакции растения связаны с существенными изменениями в обмене веществ как растения, так и паразита. Регуляторами этих изменений являются нуклеиновые кислоты, белки и ферменты.
Белки играют ведущую роль в защитных реакциях растения, а следовательно, и в фитоиммунитете. Еще в 1940 г. Н. И. Вавилов подчеркивал возможность того, что по мере изучения химической природы белков, различной у видов и сортов, природа иммунитета станет более понятной. Он констатировал также, что наряду с усилением дыхания процесс заражения нередко сопровождается возрастанием ферментативной активности и появлением новых ферментов, белков и других веществ, ранее отсутствующих у хозяина и паразита.
Результаты многочисленных исследований свидетельствуют о том, что белковый обмен играет важную роль в защитных реакциях растений. Одним из основных показателей приспособленности патогенов к обмену веществ растения-хозяина служит сходство в строении белков восприимчивого растения и соответствующего паразита. Т. И. Федотова в 1935 г. обнаружила сходство иммунологических свойств белков возбудителей болезней и их растений- хозяев, а в 1966 г. ей удалось выделить иммунологически сходные компоненты белков, связанные с проявлением паразитизма у возбудителей. Предположения о существовании общих антигенов у паразита и восприимчивого растения послужили основой для работ по изучению роли белков в иммунитете растений. М. С. Дунин с сотрудниками изучали устойчивость растений к заболеваниям с помощью серологического метода, основанного на учете антигенной специфичности белков устойчивых и восприимчивых к заболеванию форм.
Большой интерес к проблеме совместимости растения-хозяина и патогена проявлял Стаман. Он предположил, что в случае поражаемое растения патогеном в них синтезируются ферменты со сходными свойствами. При взаимодействии восприимчивого растения и патогена происходит обмен между ферментными системами и образование своего рода гибридных ферментов, отличающихся по свойствам от ферментов растения и паразита. От характера изменений в обмене веществ растения-хозяина зависит исход взаимодействия, т. е. гибель паразита или поражение растения. Стаман считал, что успешное развитие болезни возможно только в случае сходства ферментных систем растения-хозяина и патогена.
О наличии связи между особенностями белкового обмена растения-хозяина и его восприимчивостью или устойчивостью к тому или иному заболеванию свидетельствуют результаты многочисленных работ отечественных и зарубежных исследователей. Так, Д. В. Липсиц установил, что белки устойчивых и восприимчивых к раку сортов картофеля различаются по некоторым физико-химическим показателям, например аминокислотному составу, иммунохимическим свойствам и т. д. Молекулярная структура белков неустойчивого сорта менее прочна, чем у устойчивого, поэтому при внедрении патогена они подвергаются изменениям, что приводит к повышению ферментативной активности и вызывает активную ростовую реакцию. В результате усиленного деления клеток происходит образование наростов. В тканях устойчивых сортов подобной реакции не наблюдается. К тому же белки устойчивых сортов более устойчивы к действию протеолитических ферментов, чем белки восприимчивых. Реакция растений на заражение может проявляться также в новообразовании белков с самыми разнообразными функциями, поскольку они не только участвуют во всех звеньях метаболизма, но и определяют фототипические свойства каждого организма, особенности его взаимодействия с паразитом. Изменения свойств белков, происходящие в растениях при заражении, влияют на ход всех обменных процессов клеток, а следовательно, и на результат заражения.
Были также высказаны предположения о том, что хозяин может изменить белковый обмен паразита, и о возможном влиянии аминокислот на устойчивость растений к патогенам. Очевидно, аминокислоты, изменяя метаболизм растения-хозяина, способствуют появлению фунгицидных или фунгистатических веществ либо вызывают какие-то изменения, в результате которых ткани растения становятся менее пригодными для питания патогена. Следовательно, ни одна из рассмотренных защитных реакций (активация дыхания и других окислительных процессов) не может осуществляться без участия белков и их мономеров, без предварительного воздействия на них.
Фитоалексины. Это низкомолекулярные антибиотические вещества, синтезирующиеся в растении в результате взаимодействия продуктов метаболизма растения-хозяина и возбудителя. Фитоалексины ингибируют развитие микроорганизмов, попадающих на растение. Впервые образование растениями фитоалексинов в ответ на инфекцию обнаружил К. О. Мюллер, который изучал образование некрозов при заражении клубней картофеля грибом Phytophthora infestans. В нашей стране теория фитоалексинов получила дальнейшее развитие в многочисленных исследованиях Л. В. Метлицкого, О. Л. Озерецковской и др.
Установлено, что синтез фитоалексинов живыми клетками — реакция не только на их поражение возбудителями болезней, но и на повреждение, воздействие других раздражителей, стресс и т. д. (рис. 7). Это временный процесс, который зависит от внешних условий (температуры, освещения, питания и т. д.). К настоящему времени из растений разных ботанических семейств выделено и идентифицировано более 200 фитоалексинов, из бобовых, пасленовых и др. — более 20, меньше всего их обнаружено у злаковых. При взаимодействии патогена с растением может синтезироваться несколько фитоалексинов. Так, при заражении Ph. infestans в клубнях картофеля образуются три фитоалексина (ришитин, любимин и фитуберин), а после инфицирования бобов вирусом некроза табака — четыре. Способность растения продуцировать не один, а несколько фитоалексинов позволяет ему успешно противостоять разным патогенам.

По химической природе фитоалексины относятся к разным классам соединений вторичного обмена, таким, как полиацетилены (вайероновая кислота), полифенолы (госсипол), изофлавоноиды (пизатин, фазеоллин, глицеоллин), терпеноиды (ришитин, капсдиол) и стилбены (ресвератрол). Фитоалексины характерны для вида, рода высшего растения. Фитоалексины растений близких таксонов сходны по своей химической структуре. Наиболее известные фитоалексины фазеоллин (С20Н18О4) из фасоли (его индукторы Botrytis cinerea, Monilia fructigena, Uromyces phaseoli, Colletotrichum spp.), пизатин (С174Н1О6) из гороха (его индукторы Fusarium solani f. sp. pisi, F. ssp. phaseoli), ришитин (О14Н2202) из томата, клубней картофеля (их индукторы Fulvia fulva, Ph. infestans) и др.
Фитоалексины, по-видимому, неспецифичны по отношению к патогену, так как синтез одного и того же фитоалексина, характерного для данного растения, может быть вызван разными патогенами. Установлено, что грибы, паразитирующие на растении, более устойчивы к фитоалексинам, вырабатываемым данным растением, чем непатогенные виды. Так, гриб Ascochyta pisi, паразитирующий на горохе, менее чувствителен к пизатину и более чувствителен к фазеоллину из фасоли, на которой он не паразитирует.
Доказано, что большинство фитоалексинов обладает фунгистатическим действием, хотя количественных данных по этому показателю пока недостаточно. Так, зерновые культуры (пшеница, кукуруза, рожь) содержат глюкозиды дегидрооксибензоксазолиноны и фермент глюкозидазу, взаимодействие которых в пораженных тканях приводит к образованию аглюконов — веществ с фунгицидными свойствами.
В некоторых случаях фитоалексины, несомненно, играют существенную роль в защитных реакциях. Однако не всегда и не во всех растениях, в которых образуются, они служат препятствием для фитопатогенных грибов. Например, доказано участие фитоалексина глицеоллина в устойчивости сои к грибу Phytophthora megosperma var. sojae, однако в старых растениях, когда снижается его синтез, устойчивость растений повышается. При повышенной температуре восприимчивые сорта сои синтезируют большое количество глицеоллина, однако не приобретают при этом устойчивости. Вероятно, фитоалексины, как и другие токсичные вещества, — лишь один из компонентов в чрезвычайно сложной системе реакций, обусловливающих устойчивость растений. Более подробно материалы, касающиеся раздела «Факторы активного иммунитета», будут рассмотрены в главе «Генетика, биохимия и молекулярная биология иммунитета растений».
Фагоцитоз. Этот процесс был впервые обнаружен у животных И. И. Мечниковым. Он же создал фагоцитарную теорию защиты животного организма от инфекции. Согласно этой теории, у животных есть специальные клетки (фагоциты), обладающие способностью захватывать паразита и переваривать его с помощью ферментов. У растений в отличие от животных нет фагоцитов. Однако еще в начале XX в. появились сообщения о том, что у растений обнаружен сходный процесс внутриклеточного переваривания, получивший название фагоцитоза. Поскольку такая способность у растений проявляется лишь в отношении патогенных организмов, она была отнесена к факторам активного иммунитета. Фагоцитоз четко проявляется в случае эндотрофной микоризы, когда гриб развивается внутри корней растения и лишь небольшая его часть проникает из корней в почву. Эндотрофная микориза развивается следующим образом: гифы гриба проникают через корневые волоски в эпидермальные клетки, а затем в клетки первичной коры, в которых происходят защитные реакции, вызывающие замедление распространения в них мицелия: гифы либо становятся клубочкообразными, либо у них разветвляются верхушки с образованием так называемых арбускул. Внутриклеточные клубочки гиф постепенно перевариваются клетками и исчезают. Арбускулы теряют способность к росту, и дальнейшее распространение мицелия по клеткам первичной коры прекращается. Такие взаимоотношения обнаружены на микоризах деревьев, злаков и других растений. У злаков, например, Fusarium oxysporum образует эндотрофную микоризу. При этом иногда наблюдается частичное или полное переваривание гиф в клетках корня. Очевидно, благодаря фагоцитарным свойствам клетки сдерживают распространение гриба, не дают ему перейти к паразитическому образу жизни, однако не уничтожают его полностью. Подобное равновесие между корнями злаков и грибом непостоянно и зависит от факторов внешней среды.

---

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:

Добавить