Химические продукты, которые паразит выделяет в зараженное растение для установления взаимоотношений с ним, называют иммуномодуляторами. Они могут быть двух типов: супрессоры, или импедины, которые подавляют защитный эффект хозяина, и элиситоры, или индукторы, которые, наоборот, вызывают протекание защитных реакций.
Иммуносупрессоры. Классификация иммуносупрессоров представлена на следующей схеме.

Неспецифические супрессоры не участвуют в системе взаимоотношений типа «ген-на-ген». Они являются общими факторами патогенности, без которых паразит не смог бы преодолевать факторы полевой и истинной устойчивости живых растений.
Высокомолекулярные неспецифические супрессоры. Это ферменты, разрушающие клеточные покровы растений. За исключением вирусов, большинство которых «въезжает» в растительную клетку с помощью стилета насекомых, паразиты (грибы и бактерии) должны преодолеть полисахаридный барьер клеточной стенки. Наиболее активны ферменты, вызывающие деградацию пектина, связывающего структурные полисахариды (целлюлозу и гемицеллюлозу) в единый комплекс и составляющего основу срединной пластинки — межклеточного цемента, объединяющего клетки в ткань. По своей химической природе пектин представляет собой линейную цепь соединенных глюкозидными α-1,4-связями молекул полигалактуроновой кислоты, метилированных по шестому углероду и имеющих редкие веточки, составленные из молекул рамнозы (метилрамнополигалактуронан) (рис. 20). У грибов и бактерий обнаружен набор разнообразных ферментов, разрушающих пектин, — пектиназ. Одни из них (пектинметилэстеразы — ПМЭ) деметилируют молекулу. Свободные карбоксильные группы полигалактуроновой кислоты соединяются с ионами двухвалентных металлов (Са, Mg) с образованием набухающих в воде пектатов, которые препятствуют ксилемному току и являются одной из причин инфекционного увядания растений. Другие ферменты (полигалактуроназа — ПГ, пектатлиаза — ПЛ) разрезают молекулу полигалактуроновой кислоты на отдельные фрагменты — олигогалактурониды, не способные к связыванию других полисахаридов клеточной стенки. Действие разных пектиназ показано на рисунке 20.

Если биотрофные паразиты, питающиеся содержимым живых клеток, образуют эти ферменты в низких концентрациях, позволяющих сделать в клеточной стенке лишь небольшое отверстие для прохождения инфекционной гифы, то некротрофы снимают оболочку со значительной части клетки. Поскольку клеточная стенка выполняет роль каркаса, поддерживающего протопласт, ее удаление приводит к разрыву содержимого вследствие тургорного давления. Мертвая же клетка не обладает иммунными свойствами и заселяется любыми микроорганизмами, которых она может удовлетворить как источник питания. Мацерация клеток приводит к возникновению сухих (грибных) и мокрых (бактериальных) гнилей.
Низкомолекулярные неспецифические супрессоры. К ним относят вивотоксины — низкомолекулярные метаболиты грибов и бактерий, выделяемые в зараженное растение (in vivo), а не только в искусственную питательную среду, в которой выращивают данный микроорганизм, и вызывающие типичные симптомы болезни (некрозы, увядание).
Токсическое действие вивотоксинов обусловлено их влиянием на разные стороны метаболизма растений. По механизмам токсичности их можно разделить на несколько групп.
Ингибиторы ферментов растений. Таковы табтоксин фитопатогенной бактерии Pseudomonassyringae pv. tabaci, фазеолотоксин P. suringae pv. phaseolicola, тентоксин гриба Alternaria alternata. Например, табтоксин — дипептид, соединенный с (β-лактамовым кольцом (рис. 21). В зараженном растении растительные протеазы отщепляют активную часть токсина табтоксинин-β-лактам — ингибитор фермента глютаматсинтетазы. Вследствие снижения активности этого фермента накапливается его предшественник аммоний, вызывающий разобщение фосфорилирования, ингибирование фотосинтеза и дыхания. Эти нарушения обмена проявляются как системный хлороз и задержка роста.

Мембраноактивные вещества. Многие вивотоксины фитопатогенных грибов из родов Fusarium [фузариевая кислота (рис. 22)], Rhinchosporium, Phoma, Cephalosporium, Fusicoccus и бактерий из родов Clavibacter, Pseudomonas (коронатин, сирингомицины) обладают сильным мембранотропным действием. Они индуцируют потерю метаболитов и некрозы клеток, влияют на трансмембранный перенос ионов и ритм работы устьиц, вызывая увядание растений.

Генераторы активных форм кислорода. Некоторые фитопатогенные грибы из родов Cercospora, Cladosporium, Alternaria, Elsinoe, Flypocrella образуют циклические соединения — пренилированные хиноны (рис. 23), для проявления токсичности которых в отношении растений-хозяев требуется свет, то есть они относятся к группе фотосенсибилизаторов. В результате абсорбции энергии света фотосенсибилизаторы конвертируются в энергетически активное состояние и приобретают способность при взаимодействии с молекулярным кислородом генерировать его активные формы — супероксид-радикал (О2), пероксид водорода (Н2О2), гидроксил-радикал (ОН-) и синглетный кислород (О2).

Все они обладают высокой токсичностью и вызывают повреждения в клетках растений.
Ингибиторы синтеза белка. Трихотеценовые токсины фузариевых грибов (рис. 24) ингибируют синтез белка у эукариот. Эти токсины представляют интерес, потому что, во-первых, их продуценты вызывают экономически очень важные болезни пшеницы, ячменя, кукурузы и, во-вторых, содержащие токсины растительные продукты токсичны для людей и сельскохозяйственных животных (вызывают потерю аппетита, дерматиты, анемию, геморрагический сепсис, иммуносупрессию).

Специфические супрессоры определяют круг растений-хозяев, ибо они подавляют защитные реакции или инактивируют их продукты только у определенных видов растений, что позволяет продуцентам специфических супрессоров заселять такие растения.
Ферменты, деградирующие фитоантиципины и фитоалексины. У многих паразитов обнаружены ферменты, изменяющие структуру фитоалексинов и фитоантиципинов и снижающие их токсичность. Известно несколько групп таких ферментов.
Гликозидазы. Эти ферменты отщепляют глюкозу и другие сахара от гликозида, переводя его в нерастворимую форму агликона. Например, штаммы возбудителя корневой гнили злаков Geumannomyces graminis, способные заражать корни овса, отличаются от авирулентных штаммов наличием фермента авенациназы, отщепляющей остатки Сахаров от сапонина авенацина и переводящей его в нерастворимую менее активную форму.
Томатиназа (Р-гликозидаза) паразита томата Septoria lycopersici, отщепляя глюкозу от стероидного гликоалкалоида а-томатина, переводит его в более токсичный Р2-томатин. Последний, в свою очередь, подавляет индукцию защитной ответной реакции, поскольку интерферирует с фундаментальными путями передачи сигнала, ведущими к возникновению устойчивости.
Гидролиазы. Изменяют молекулу присоединением к ней воды. Например, патогены сорго Gloeosporium sorghi и лядвенца Stemphylium loti с помощью фермента цианидгидролиазы осуществляют конверсию цианида (синильной кислоты) в менее токсичный формамид.
Деметилазы. Отщепление от некоторых соединений метальных групп сильно снижает их патогенность. Например, штаммы гриба Nectria haematococca (анаморфа Fusarium solani), способные заражать горох, имеют фермент пизатиндеметилазу, отщепляющую метальную группу от молекулы пизатина (рис. 25).

Импедины. В отличие от вивотоксинов, которые разрушают растительную ткань, молекулы супрессоров импединов лишь предотвращают появление устойчивости, позволяя патогенным организмам колонизировать растение. Супрессоры вирулентных к данному растению видов и штаммов патогенов так воздействуют на растительные клетки, что они теряют способность противостоять последующему заражению невирулентными штаммами и видами. В частности, пептидный супрессор паразита гороха Mycosphaerella pinodes ингибирует индукцию в листьях гороха стрессовых ферментов ФАЛ и халконсинтетазы и накопление фитоалексина пизатина. Супрессор Phytophthora infestans — р-глюкан, выделяемый вирулентными расами, ингибирует образование раневой перидермы в клубнях восприимчивых сортов картофеля и накопление фитоалексинов. Именно по этой причине партии клубней картофеля с высоким процентом зараженности фитофторозом обычно сгнивают не от этой болезни, а от болезней, вызываемых некротрофными гнилостными грибами и бактериями, защиту от которых снимают супрессоры фитофторы.
Патотоксины. В отличие от вивотоксинов некоторые токсины фитопатогенных грибов оказывают повреждающее действие только на определенные виды и даже сорта растений. Они получили название патотоксинов. Например, линейный поликетид (рис. 26) — токсин гриба Cochliobolus heterostrophus (анаморфа Bipolaris maidis) вызывает очень сильное поражение только таких сортов кукурузы, в которые для получения высокоурожайных гибридов введен ген цитоплазматической мужской стерильности (цмс), локализованный в митохондриях. Этот ген контролирует синтез белка с молекулярной массой 13 кД (URF13), локализованного на внутренней мембране митохондрий и являющегося мишенью действия токсина. В соединении с токсином белок URF13 полимеризуется и образует трансмембранные каналы, через которые происходит утечка метаболитов (потери Са2+, НАД , разобщение окислительного фосфорилирования). Белки цитоплазматической, митохондриальной и хлоропластной мембран являются специфическими сайтами связывания и других патотоксинов. Поэтому устойчивость к патотоксинам обусловлена главным образом отсутствием рецепции (потерей рецепторного мембранного белка) или разрушением токсина. Например, сорта кукурузы, устойчивые к грибу Cochliobolus carbonum, продуцируют фермент, разрушающий его токсин.

Элиситоры. Как вытекает из ранее изложенного, для установления взаимоотношений с растением-хозяином паразит выделяет многочисленные метаболиты. В процессе коэволюции у растений возникли механизмы рецепции некоторых метаболитов паразитов и передачи сигнала о появлении чужого организма для инициации защитных реакций. Вещества паразита, индуцирующие протекание защитных реакций у растений, получили название элиситоров. Как и иммуносупрессоры, элиситоры бывают неспецифическими, вызывающими протекание защитных реакций как в устойчивых, так и в восприимчивых видах и сортах растений, и специфическими, которые вызывают защитные реакции только в устойчивых сортах растений.
Неспецифические элиситоры. Первые этапы взаимодействия паразитов с растениями обусловлены контактами клеточной стенки гриба или бактерии с цитоплазматической мембраной растительной клетки. Поэтому многие компоненты клеточной стенки грибов обладают элиситорными свойствами, вызывающими защитную ответную реакцию растения. Основные составные части грибной клеточной стенки (β-1,3-глюкан и линейный полимер ацетилглюкозоамина хитин. Обрывки этих молекул — олигосахариды являются хорошо исследованными элиситорами. Например, обработка семядолей сои гептаглюкозидом (олигомер, состоящий из семи глюкозных остатков) Phytophthora sojae (рис. 27) в концентрации 10 нМ индуцирует образование в них фитоалексина глицеоллина. Из плазмалеммы сои выделен белок-рецептор, связывание которого с глюкозидом приводит к изменению ионных каналов мембраны, потере К и Сl~ и, наоборот, повышенному поступлению Са2+ и Н~, генерации активных форм кислорода, активизации иммунной реакции клетки. Активными элиситорами являются хитин, его деацетилированная форма хитозан и их фрагменты (олигомеры), а также гликопротеиды, входящие в состав клеточных стенок грибов. Полисахариды клеточных стенок грибов — высокомолекулярные соединения, ковалентно связанные друг с другом и другими соединениями, поэтому они могут выполнять элиситорные функции только будучи предварительно деградированными и переведенными в растворимую форму соответствующими ферментами. Ранее было сказано, что среди PR-белков растения обнаружены ферменты (β-глюканаза и хитиназа, которые расцепляют молекулы глюкана и хитина на отдельные низкомолекулярные фрагменты, проникающие в растение и играющие роль элиситоров.

Элиситорной активностью обладают и некоторые внутриклеточные соединения фитопатогенов. Например, в клетках Phytophthora infestans содержится полиненасыщенная жирная арахидоновая кислота, содержащая четыре двойные связи (рис. 28). Она освобождается из проростков спор и вызывает протекание активных защитных реакций в зоне заражения, в частности накопление фитоалексинов.

Расоспецифические элиситоры. Вернемся к квадратной сетке, описывающей диаллельные взаимоотношения растения-хозяина и паразита в системе «ген-на-ген» (см. табл. 3). Устойчивое состояние (несовместимость) развивается только в том случае, если комплементарные гены хозяина и паразита находятся в доминантном состоянии. Если же один из них или оба гена рецессивны, то растение восприимчиво, а паразит вирулентен (состояние совместимости). Эти данные были интерпретированы следующим образом: ген устойчивости R-ген контролирует синтез специфического белка-рецептора, а ген авирулентности (Аvr-ген) — специфического элиситора. Их взаимодействие приводит к индукции защитных реакций. Если у растения отсутствует рецептор или у паразита элиситор, то защитная реакция не развивается. Отсутствие рецепции может быть вызвано делецией генов хозяина и паразита (рецептора или элиситора нет вообще) или мутациями этих генов (взаимодействие элиситор-рецептор ослаблено или потеряно).
У вирусов роль элиситоров выполняют вирусные белки, которые синтезируются внутри зараженных клеток растений. В частности, структурный белок ВТМ узнается продуктом гена N' устойчивого табака Nicotiana sylvestris, фермент РНК-полимераза — продуктом гена. Утабака N. glutinosa, а транспортный белок — продуктом гена Тm2 устойчивых сортов томата.
У бактерий обнаружены семейства гомологичных Аѵг-белков. Белок AvrBs2 Xanthomonas vesicatoria и его гомолог у X. campestris рv. alfalfae обладают свойствами фермента, участвующего в синтезе и гидролизе фосфодиэфирных связей между углеводами или фосфолипидами. Кодируемые геном AvrBs3 X. vesicatoria и гомологичными генами X. campestris pv. mahacearum, X. citri и X. oryzae pv. oryzae белки индуцируют реакции устойчивости, однако их инактивация в результате мутаций приводит к общему снижению патогенное. Семейство АvrВsЗ-белков необходимо для размножения фитопатогенных бактерий в растении и развития симптомов болезней.
Установлена структура Avr-белков и у некоторых грибов. Белок Аѵг9 С ladosporium fulvum, вызывающий защитные реакции у сортов томата, имеющих ген С/9, представляет собой пептид из 28 аминокислот, накапливающийся в межклеточной жидкости пораженных листьев. Функции Ауг9-белка неизвестны, но, по-видимому, он участвует в поступлении азота, так как синтезируется в зараженных растениях, a in vitro только в условиях азотного голодания. Регулятором его активности является белок Nrfl — центральное звено в поступлении и метаболизме нитратного азота у гриба.
У гриба Pyricularia oryzae (телеоморфа Magnaporihe grizea) установлена структура нескольких avr-тенов и кодируемых ими белков. Ген AVR-Pita локализован в теломерной области хромосомы, что обусловливает его нестабильность вследствие частых перестроек. (Нестабильность вирулентных рас этого гриба давно вызывала удивление фитопатологов; есть данные, что из одного пятна можно изолировать много моноспоровых штаммов, различающихся вирулентностью на сортах риса.) Элиситор Avr-Pita состоит из 176 аминокислот. Функционально он представляет собой цинкзависимую протеазу. Ген AVR-Pita экспрессируется на поздних этапах патогенеза, что связано, по-видимому, с необходимостью использовать находящиеся в зараженной клетке белки для питания. Другой avr-белок— Асеl оказался ферментом поликетидсинтетазой, участвующей в синтезе вторичных метаболитов поликетидной структуры (в частности, меланина).
Возбудитель пятнистости ячменя гриб Rhinchosporium secalis выделяет в растение несколько белков, вызывающих некрозы, и названных NIP-белками. Они неспецифически токсичны для разных растений, то есть являются вивотоксинами. Один из них — NIP1 оказался расоспецифическим элиситором для сортов ячменя, имеющих ген устойчивости Rrsl. Детерминанты токсичности и индукции защитных реакций находятся на разных концах молекулы этого белка и, по-видимому, взаимодействуют с разными рецепторами.
Элиситоры и паразитическая приспособленность. Благодаря своей структуре белки-элиситоры проходят через мембраны и отщепляются протеазами в процессе созревания элиситора (у грибов) или транспортируются из клетки с помощью специального секреторного механизма (у бактерий). Находясь вне протопласта клетки хозяина, они играют роль во взаимоотношениях с внешней средой (например, продукт ayr9 Cladosporium fulvum участвует в метаболизме азота в условиях азотного голодания). Попадая в клетку из внутриклеточных паразитических структур (гаусторий) или с помощью секреторных систем (Hrp-пили бактерий), они участвуют в патогенезе, разлагая полимеры клетки хозяина (AvrPi-ta Magnaporthe grisea), подавляя защитные свойства (NIP1 Rhinchosporium secalis), обеспечивая размножение паразита и развитие симптомов болезни (семейство АугВЗ-белков у ксантомонад). У вирусов в роли специфических элиситоров выступают внутриклеточные белки, как структурные, так и ферментные.
Приспособленностью или фитнесом (по-английски fitness, W) называют вклад индивидуума в генный пул следующей генерации. Фитнес популяции за какой-либо отрезок времени равен отношению (г) численностей за это время (In W= г). Если популяция представлена одним клоном, то фитнес всех ее членов будет одинаковым. Однако реальные популяции состоят из генотипов, имеющих различный фитнес. Разница между фитнесом лучшего генотипа и средним фитнесом популяции называют генетическим грузом (L). Груз может быть сегрегационным и мутационным. Первый обусловлен преимуществом гетерозигот, при размножении которых выщепляются гомозиготы с более низким фитнесом. Поскольку большинство фитопатогенов гаплоидны, причем многие из них агамны, вклад сегрегационного груза в общую приспособленность невелик.
Мутационный груз обусловлен непрерывным спонтанным мутационным процессом, вследствие которого возникают мутанты с пониженным фитнесом. Допустим, что в популяции встречается два аллеля одного локуса — нормальный А и мутантный а. Приспособленность первого WA = 1, а второго Wa — 1 — S, где S — коэффициент отбора (показатель мутационного груза). Если частота дикого фенотипа равна p, а мутантного — q (р + q = \), то средняя приспособленность популяции будет равной 1 — Sq. При значении выше, чем q, мутантные фенотипы не будут накапливаться в популяции. Общее число мутантов (а) будет слагаться из частоты мутаций А — > а и коэффициента отбора против мутантного фенотипа (S). Следовательно q = m/S(\ + m), где m — частота мутантного генотипа. Поскольку т — очень малая величина, 1 + m ≈ 1, q ~ m/S, a S = m/q. Следовательно, зная частоту мутантного генотипа и частоту мутаций, можно вычислить S.
Поскольку расширение вирулентности сопровождается потерей или изменением структуры элиситора, оно сопровождается снижением приспособленности в паразитической или сапрофитной фазе жизненного цикла паразитов. В эпидемиологии есть даже понятие «цена вирулентности». В таблице 3 изображены диаллельные взаимоотношения паразита и растения-хозяина в системе «ген-на-ген». Если эти же взаимоотношения выразить не в качественных, а в количественных (популяционных) показателях, то они примут следующий вид (табл. 4).

Показатель устойчивости сорта / можно вычислить, сравнивая интенсивность размножения паразита на устойчивом и восприимчивом сортах. По многим данным t приближается к 1, а 1 — t приближается к 0. 5 — цена вирулентности, то есть налог, который выплачивает паразит за способность размножаться на устойчивом генотипе хозяина. Методы его расчета различны. Некоторые показатели S приведены ниже:
Puccinia graminis avenae — 0,126 (против лишних генов вирулентности);
P. striiformis — 0,435 (против вирулентной расы);
Cochliobolus heterostrophus — 0,302 (против расы 0 на Т-цитоплазме), 0,120 (против расы Г на нормальной цитоплазме);
С. carbonum — 0,58 (против расы О), 0,17 (против расы 5);
Phytophthora infestans — 0,622 (против гена вирулентности расы /).
Как видно, цена вирулентности разных генов одного и того же паразита может отличаться.
Если продукт паразита, который растение узнает как элиситор, очень важен для жизнеобеспечения (fitness), то его потеря или изменение структуры может трагически сказаться на жизнеспособности (интенсивности споруляции, патогенности, способности сохраняться вне растения) и численность вирулентной расы будет невысокой. В таких случаях ВУ, несмотря на теоретическую возможность ее преодоления вирулентными расами, будет долгое время оставаться стабильной. Например, найдено много штаммов ВТМ, поражающих вид табака Nicotiana sylvestris, потому что изменения в структуре белка оболочки вируса, при которых он перестает узнаваться как элиситор, не сказываются на жизнеспособности вируса. Однако N. glutinosa и гибриды с ним культурного табака много лет сохраняют устойчивость к вирусу, хотя их посевы занимают значительные площади. Это связано с тем, что элиситор для них — фермент РНК-полимераза вируса, изменения структуры которого ухудшают его работу и сильно снижают fitness.

---

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:

Добавить