Системная приобретенная устойчивость

Описанные выше химические процессы и соединения связаны с локальной устойчивостью растений и оперируют непосредственно в месте заражения. Однако еще 100 лет тому назад исследователи знали, что растение, пережившее инфекцию, становится устойчивым к последующему заражению. В 1933 г. американский фитопатолог Честер, обобщив около 200 публикаций, описал явление, которое он назвал физиологическим приобретенным иммунитетом. В то время ученые считали, что иммунитет растений аналогичен иммунному ответу млекопитающих. По крайней мере три различных процесса относили тогда к категории приобретенного иммунитета: перекрестную защиту от вирусов (устойчивость к высокопатогенному штамму вируса растений, зараженных слабопатогенным штаммом родственного вируса), микробный антагонизм или биоконтроль и приобретенную устойчивость. Впервые понятие системной приобретенной устойчивости (systemic acquired resistance — SAR), также как термин локальной приобретенной устойчивости (localized acquired resistance LAR) было введено немецким ученым Россом в 1961 г. на основании исследования табака, инфицированного ВТМ. Системная приобретенная устойчивость развивалась в тканях инфицированного растения, свободных от заражения, тогда как локальная — непосредственно в месте инфицирования. Таким образом, системная приобретенная устойчивость — вторичный иммунный ответ на заражение, возникающий вследствие наличия локальной устойчивости.
Начиная с середины 70-х гг., больших успехов в индуцировании SAR добилась школа, возглавляемая американским фитопатологом Дж. Кучем. Объектом работы этих исследователей были растения семейства тыквенных. Для индукции устойчивости использовали непатогенов этих растений, непатогенные штаммы патогенов, сами патогены и, наконец, продукты метаболизма паразита и хозяина. Оказалось, что огурцы могли быть системно защищены от возбудителя антракноза с помощью инокуляции грибом их первого настоящего листа. Тот же результат был получен на дынях и арбузах, которые удавалось системно защитить от грибных, бактериальных и вирусных болезней предварительным локальным инфицированием первых настоящих листьев. Такие опыты были проведены не только в теплицах, но и на полях. Механическое поранение листьев, также как их повреждение сухим льдом и некоторыми химикатами не вызывало защиты. Неспецифическая устойчивость, индуцируемая либо возбудителем антракноза, либо вирусом некроза табака, защищала растения по крайней мере против 13 видов патогенов, включая облигатные и факультативные паразитические грибы, вирусы и бактерии, вызывающие локальные и системные инфекции. SAR коррелировала с системным накопление межклеточной кислой пероксидазы и хитиназы, ингибиторов протеиназ, лигнина и отложением каллозы, т. е. факторами иммунного ответа.
Системная устойчивость появлялась через 48-72 часа после заражения листа-индуктора, затем достигала своего максимума, причем этот период совпадал с появлением симптомов на листе-индукторе. Установлено, что системная устойчивость транспортируется по растению снизу вверх. Так, прививка дыни или арбуза на подвой огурца, содержащего лист-индуктор, индуцировал устойчивость в привое. Термическая обработка флоэмы черешка листа-индуктора блокировала сигнальный транспорт устойчивости. Чрезвычайно интересным представляется то обстоятельство, что устойчивость передается растениям-регенерантам через культуру тканей.
Однако наше понимание биохимических механизмов, связанных с SAR, мало прогрессировало до открытия PR-белков, коррелирующих с распространением SAR. Их обнаружение помогло найти маркеры SAR, которые предшествовали бы биохимическим ответам. С этой целью были изолированы кДНК, которые образуются в свободных от инфекции тканях зараженных растений. Таким образом, используя систему табак — ВТМ, были обнаружены мРНК по крайней мере 9 семейств генов, которые постоянно индуцируются в незараженных листьях зараженных растений. Они получили название семейства SAR-генов. Начало экспрессии SAR-генов составляет примерно 6 часов после заражения и соответствует периоду, когда устойчивость может быть определена фенотипически. Более того, абиотические агенты, которые индуцируют устойчивость, такие как салициловая или 2,6-дихлоризоникотиновая кислоты, вызывают экспрессию того же спектра SAR-генов и примерно с той же интенсивностью. Таким образом, экспрессия SAR-генов коррелирует с состоянием устойчивости.
Некоторые SAR-гены, очевидно, играют активную роль в устойчивости. Так, оказалось, что ряд кодируемых кДНК белков или имели непосредственную антимикробную активность, или обладали ферментативными свойствами, приводящими к созданию антимикробных белков. К их числу относятся классы SAR-генов, кодирующие β-1,3-глюканазы и хитиназы.
Другой класс SAR-генов кодирует богатую цистеином группу белков, называемых тауматинами. Тауматин-подобные белки известны как антигрибные продукты, активность которых определяется их способностью нарушать мембранную целостность, что является основанием для названия этого класса перматины.
Одна из групп SAR-генов — PR-1 белки, функция которых пока неясна, однако известно, что они широко распространены у покрытосемянных растений. PR-1 белки из табака и томатов подавляют in vitro рост Phytophthora infestans.
Дальнейшее подтверждение участия SAR-генов в устойчивости следует из опытов с трансгенными растениями. Табак и капуста, несущие ген хитиназы из бобов, оказались защищенными от Rhizoctonia solani. Высокий уровень экспрессии PR-1 в трансгенных растениях табака приводил к снижению заболеваемости Peronospora tabacina и Phytophthora nicotiana. Таким образом, некоторые SAR-гены кодируют белки, обладающие антимикробной активностью, и экспрессия этих генов в растениях обеспечивает возрастание SAR.
Данные по экспрессии генов SAR стали быстро накапливаться после включения в поле их исследований модельного растения Arabidopsis, у которого SAR-гены относятся к тому же семейству, как и у табака. В других случаях, к примеру, в огурцах, SAR-гены отличаются от генов табака. Возможно, что разные таксономические группы растений могут иметь собственную сеть SAR-генов, которые возникают в ответ на эволюционный прессинг специфических патогенов.
Основной вопрос, который интересует сейчас всех исследователей, — это каким образом индуцируется устойчивость в тканях растений, находящихся на расстоянии от места инфекции. Предполагается, что в растениях существуют некие мобильные молекулы, которые могут активировать механизм устойчивости в клетках, удаленных от места инфекции. Существование подобных мобильных сигналов было предсказано Россом. Предложено несколько критериев, которым должны удовлетворять соединения, претендующие на роль межклеточных системных сигнальных молекул. Последние должны синтезироваться в растении, передвигаться по нему, количественно возрастать после повреждения растительной ткани и индуцировать защитные механизмы. В ряде опытов показано, что сигнал индукции SAR передается по флоеме. При нарушении флоемного транспорта у окольцованных растений, нарушается и индукция SAR.
Как было рассмотрено ранее, существуют по крайней мере два параллельные пути передачи межклеточных сигналов. Первый из них связан с молекулами, сигнализирующими о поранении растительной ткани, независимо от того, является ли это поранение механическим или вызвано некротрофными патогенами и вредителями. Сигнальной молекулой этого типа является жасмоновая кислота (ЖАК). Второй тип сигнальных молекул специфичен только для патогенной инфекции — бактериальной, грибной или вирусной. Сигнальной молекулой второго типа является салициловая кислота (СК). О том, что эти два пути относительно независимы, свидетельствуют опыты с мутантами арабидопсиса. У него сигнал от жасмоновой кислоты передается на управляющий белок Coip, который индуцирует экспрессию жасмонат-зависимых генов (ген ингибитора протеиназы PIN и др.). Мутация coip, блокирующая чувствительность гена PIN к ЖАК, подавляет устойчивость к некротрофным паразитам Botrytis cinerea и Alternaria brassicola, но не влияет на устойчивость к биотрофу Peronospora parasitica. С другой стороны, мутация гена NPRl, белок которого — активный передатчик сигнала с CK на SAR-гены (PRl и др.), значительно снижает базовую устойчивость к Р. parasitica, но не влияет на устойчивость к В. cinerea и A. brassicola. Более того, между этими двумя сигнальными путями существует интерференция. Например, некротрофная бактерия Erwinia carotovora индуцирует синтез некоторых PR-белков (не SAR) у табака, но ингибирует экспрессию SAR-генов, а индукция SAR подавляет ответ на заражения Erwinia. CK оказывает регуляторное действие на биосинтез ЖАК — усиливает накопление важнейшего фермента биосинтеза алленоксидсинте-тазы, но ингибирует финальные шаги биосинтеза (фермент алленоксидциклазу) и тем самым супрессирует ответ на поранение.
Кроме CK и некоторых ее производных, жасмоновой кислоты и ее метилового эфира (Ме-ЖАК) кандидатами на роль системных сигналов служат системин и этилен, а также возможно, некоторые олигосахарины и абсцизовая кислота (рис. 9.10).