Перепрограммирование транскрипции и синтез pr белков и других связанных с защитой белков.

Термин «связанные с патогенезом белки» (PR белки) был первоначально использован для описания многочисленных внеклеточных белков, которые накапливаются в ответ на заражение ВТМ восприимчивых генотипов табака. В последствии, при ряде взаимодействий растение–патоген, дифференциальная индукция генов PR была найдена в ассоциации с несовместимостью. Более недавно, определение PR белки было расширено и включает локализованные внутри- и внеклеточно белки, которые накапливаются в интактных растительных тканях или культурах клеток после атаки патогенов или обработки элиситорами.

Играют ли PR белки причинную роль в устойчивости? Несколько PR белков обладают либо антигрибной, либо антибактериальной активностью in vitro и, как сейчас известно, являются хитиназами, или глюканазами, или связывают хитин. Деградация структурных полисахаридов клеточной стенки гриба, или нарушение архитектуры клеточной стенки, могут задерживать или сильно ослаблять рост грибов. Более того, конститутивная экспрессия PR белков с известной или неизвестной функцией в трансгенных растениях приводит к повышенной устойчивости к некоторым грибным патогенам. Ряд данных наводят на мысль, что для проявления устойчивости требуется координированная активность нескольких генов PR.

Основные обогащенные цистеином (тионины), выявляемые главным образом в злаках, являются другой группой связанных с защитой белков с известной антимикробной активностью. Подобно PR белкам, эти тионины также дифференцированно накапливаются в течение несовместимых взаимодействий.

Синтез фитоалексинов

Честь открытия фитоалексинов (ФА) принадлежит немецким фитопатологам Мюллеру и Боргеру. Долгое время ФА рассматривались как главный механизм устойчивос­ти растений. Однако в настоящий период помимо ФА в растениях обнару­жены и другие иммунные ответы. Конечно, ФА не утеряли свою значимость, одна­ко их уже следует рассматривать на фоне мультикомпонентного ответа растительной клетки.

К настоящему времени охарактеризовано около 350 ФА у растений из 30 семейств. Их большая часть принадлежит к семейству бобовых (около 130 ФА). Основное число ФА выделено из двудольных растений, но охарактеризованы и некоторые ФА однодольных, в частности у риса, ку­курузы, сорго, ячменя, овса, пшеницы, лука и лилий. ФА изолированы из листьев, стеблей, корней и плодов растений, хотя они не всегда пред­ставлены во всех органах. ФА являются липофильными соединениями, ло­кализованными вокруг места инфекции. Из-за разнообразия их структуры трудно судить о единых механизмах их антимикробной ак­тивности.

Фенилпропаноидные ФА приурочены к растениям семейства бобовых, пасленовых, вьюнковых, зонтичных и злаковых. Известна некоторая струк­турная специфичность ФА, отражающая таксономическое положение их продуцентов. Так, изофлавоноидные ФА, в основном, сосредоточены в растениях семейства бобовых, но их нет у пасленовых, и наоборот, сесквитерпеноидные ФА присущи пасленовым, но не обнаруживаются у бо­бовых.

Образование ФА тесно связано с реакцией СВЧ. Мертвые (некротизированные) клетки, образующиеся в ре­зультате реакции СВЧ, играют особую функциональную роль в явлении ус­тойчивости, поскольку они являются резервуарами для накопления ФА. Сами по себе мертвые клетки вряд ли могут остановить развитие патогена, но они являются местом складирования или вместилища ФА. Поэтому, что­бы судить о защитной роли ФА в качестве антигрибного барьера на пути распространения инфекции, надо рассчитывать их количество не на едини­цу веса инфицированной ткани, где присутствуют как живые, так и погиб­шие клетки, а на их концентрацию в некротизированных клетках. В таких клетках ФА накапливаются в чрезвычайно высоких антигрибных кон­центрациях, которые вряд ли могут выдержать живые растительные клетки.

Что заставляет перемещаться ФА из живых клеток, где они или их близ­кие предшественники образуются, в мёртвые, некротизированные, где они накапливаются, не известно. Возможно, накопление ФА в некротизирован­ных клетках определяется еще и тем, что системы деградации ФА в таких клетках подавлены. Иными словами присутствие ФА в мертвых клетках как бы саморегулируется, поскольку ФА в некрозе инактивируют систему их собственной деградаций, тем самым, способствуя их накоплению.

ФА являются достаточно слабыми антигрибными агентами. Доказательств их пере­движения в растениях не существует. Однако скорость накопления ФА и их локализация в месте инфекции способствует поддержанию в растении токсичной для грибов концентрации. Исход взаимоотношений растения и паразита зависит от двух факторов: от количества образовавшегося ФА и от чувствительности к нему патогена.

Хотя большинство растений продуцируют ФА, существуют виды (огурцы, дыни и арбузы), образование ФА в которых не установлено, хотя есть все основания предполагать их присутствие.

Синтез салициловой кислоты (SA) и бензойной кислоты (BA)

Несовместимые патогены, грибы ли, вирусы или бактерии, часто вызывают накопление как свободных BA и SA, так и их соответственных гликозидных конъюгатов, с наивысшими концентрациями, формирующимися в непосредственной близости к сайту инфекции. Индукция этих веществ обычно ассоциирована с HR. Биохимические пути, приводящие к биосинтезу SA в течение защитного отклика, сейчас относительно хорошо установлены, но их регуляция может различаться между видами растений. SA происходит из фенилпропаноидного пути, но, как представляется (по крайней мере в табаке), синтез SA не регулируется на уровне транскрипции PAL. Вместо этого, высвобождение BA из предсуществующих BA конъюгатов индуцирует растворимую цитохром Р450 монооксигеназу (BA2-H), которая превращает BA в SA. Активность фермента BA2-H сильно индуцируется перед проявлением HR. Однако, у Arabidopsis и других видов, предсуществующие конъюгаты BA могут отсутствовать. В этих случаях, увеличение уровней SA требует увеличения активности PAL. Интересно, что окислительный стресс, вызванный озоном или ультрафиолетом, также запускает биосинтез SA в табаке, возможно посредством химического высвобождения BA из конъюгативных форм.

Неясно, является ли биосинтез SA причиной или следствием HR. Обе гипотезы могут быть правильными. Например, при высоких концентрациях, SA, как сообщают, ингибирует активность каталазы. Это может усилить окислительный стресс, имея результатом увеличение синтеза ROS. Более того, взаимодействия между SA и каталазой и/или аскорбатпероксидазой может привести к повреждающему свободному радикалу SA. Поскольку SA отдает электрон соединению I каталазы, она превращается в окисленную форму, SA^·. Этот свободный радикал SA может инициировать перекисное окисление липидов и может также модифицировать другие макромолекулы.

Были предположены также некоторый другие роли для SA и/или BA в защите растений. Оба вещества могут оказывать непосредственное антимикробное действие. Далее, применение экзогенной SA индуцировало координированную экспрессию PR генов у многих видов растений. Повышенные уровни SA могут также ингибировать индукцию экспрессии индуцируемых повреждением генов посредством блокирования биосинтеза жасмоновой кислоты (JA). Таким образом, при обусловленной генами R-Avr несовместимости с микробами, повышенные уровни SA обеспечивают то, что защитные механизмы, необходимые для задержки роста микроба, будут активироваться, тогда как при устойчивости к грызущим насекомым или мигрирующим нематодам, они не индуцируются.

Абсолютная потребность в SA показана при обусловленной генами устойчивости к различным вирусам, бактериям и грибам. Были сконструированы трансгенные линии табака и Arabidopsis, которые конститутивно экспрессировали бактериальный ген nahG, кодирующий фермент салицилатгидроксилазу. Салицилатгидроксилаза превращает SA в катехол, и эти трансгенные растения имели значительно сниженные уровни SA. Отсутствие накопления SA в этих nahG -экспрессирующих растениях коррелировала с ослабленным обусловленными генами R локальнымизащитными откликами и также с блокированием индукции различных защитных генов. Однако, при взаимодействии томат– C. fulvum, ген nahG не нарушал опосредованную генами Cf устойчивость. Очевидно, что роль SA в устойчивости является комплексной и может также изменяться от вида к виду.