Механизмы устойчивости к биотрофам

Как упоминалось неоднократно, по стратегиям паразитизма, фитопатогенные организмы подразделяются на биотрофов, некротрофов и гемибиотрофов. В случае биотрофов, легко представить, что обусловленная генами R устойчивость и путь передачи сигналов через СК приведет к устойчивости, поскольку в случае сверхчувствительной гибели клеток растения такой патоген будет лишен пищи. Однако в случае некротрофов можно представить, что запрограммированная гибель клеток будет просто облегчать жизнь патогену.

Поддержка этому предположению была получена при проведении экспериментов с мутантными растениями арабидопсиса с дефектами в разных путях передачи сигналов. Мутантные растения, у которых была блокирована передача сигналов через салициловую кислоту, действительно утрачивали устойчивость к биотрофному оомицету Peronospora parasitica, но мутации не оказывали влияние на устойчивость к некротрофу Alternaria brassicicola. И наоборот, мутация, которая блокировала путь передачи сигналов через ЖК, в значительной степени снижала устойчивость к A. brassicicola, но не влияла на устойчивость к P. parasitica. Подобные наблюдения приводят к предположению, что защитные отклики растения «подогнаны» под атакующего патогена; при этом зависимая от СК защита действует против биотрофов, а зависимые от ЖЕ и ЭТ отклики действуют против некротрофов. Однако, как это часто бывает с простыми и элегантными объяснениями, дальнейшие исследования выявили, что в общем это предположение верное, однако реальная ситуация значительно сложнее.

Устойчивость к P. parasitica

Во взаимодействии P. parasitica - Arabidopsis известно наибольшее количество генов устойчивости и генов авирулентности, по сравнению с другими системами арабидопсис-патоген. В данной патосистеме, как предполагается, ассоциированное со сверхчувствительной гибелью клеток продуцирование реактивных видов кислорода не является необходимым для устойчивости. Так, двойной мутант AtrbohD/F не может образовывать перекиси водорода, но мутантные растения оказались более устойчивыми, чем растения дикого типа со слабым уровнем устойчивости. Таким образом, критической оказалась гибель клеток, а не образование реактивного кислорода.

Мутации eds1 или pad4, которые ассоциированы с зависимым от СК путем передачи сигналов, вызывали ослабление устойчивости к некоторым изолятам P. parasitica. В растениях с мутацией eds1 сверхчувствительная гибель была утрачена полностью, и авирулентный патоген стал полностью вирулентным. У растений с мутацией pad4 сверхчувствительная гибель клеток происходила, но не с такой скоростью, как у растений дикого типа. В результате этого гифы гриб распространялись быстрее некроза и формировали разбросанное по листу спороношение. Интересно отметить, что зависимые от СК защитные механизмы имеют значение для ограничения роста P. parasitica и в совместимом взаимодействии, то есть тогда, когда у растений отсутствуют гены устойчивости к данным биотипам патогена.

В соответствии с представлением, что сигнальные пути СК эффективны против P. parasitica, SAR является эффективной против данного патогена. Индукция SAR СК или аналогами СК приводит к устойчивости восприимчивых в норме растений. Точно так же эффективна индукция SAR авирулентным изолятом.

Не удивительно, что мутантные растения, которые имеют конститутивно повышенные уровни СК или которые имеют конститутивно активные пути передачи сигналов СК, являются устойчивыми к P. parasitica. Однако работа с мутантными растениями арабидопсиса показала, что в устойчивости к данному биотрофу эффективны также сигнальные пути, зависимые от ЖК/ЭТ. Иначе говоря, для обеспечения устойчивости арабидопсиса к P. parasitica достаточно активации либо одного, либо другого сигнального пути. Вероятно, подобное утверждение следует делать с известной осторожностью, поскольку у некоторых мутантов предполагается взаимодействие сигнальных путей СК и ЭТ.

Обработка растений арабидопсиса экзогенной жасмоновой кислотой приводит к устойчивости к ранее вирулентному биотипу P. parasitica, хотя для развития устойчивости в данном случае необходима длительная экспозиция. К настоящему времени нет доказательств, что защитные отклики, зависимые от ЖК/ЭТ, активируются в норме при индукции устойчивости к P. parasitica, хотя этот вопрос является мало изученным.

В итоге, можно отметить, что, по всей видимости, контролируемая генами R устойчивость арабидопсиса к биотрофу P. parasitica основана на зависимых от СК путей передачи сигналов. Связанные с ЖК и ЭТ защитные отклики, как представляется, в норме не играют большой роли в устойчивости. Однако они могут быть эффективными, если их индуцировать до заражения патогеном.

Фитоалексин камалексин, по-видимому, не участвует в устойчивости в данном случае, поскольку лишенный камалексина мутант pad3 не выявляет повышенной восприимчивости.

Устойчивость к Erysiphe spp.

По отношению к возбудителям мучнистой росы эффективными являются защитные механизмы, связанные с СК. Зависимые от ЖК отклики не индуцируются, однако если их индуцировать искусственно, они также являются эффективными.

В случае мучнистой росы, синтез камалексина не индуцируется, и является ли этот фитоалексин эффективным, остается неизвестным.

Устойчивость к P. syringae

Для патосистемы арабидопсис - P. syringae известно большое количество генов устойчивости. Все они значительно ограничивают рост авирулентных изолятов бактерий. Окислительная вспышка, которая происходит в результате взаимодействия ген-на-ген, по видимому не играет главной роли в ограничении бактериального роста, поскольку двойной мутант AtrbohD/F, который имеет значительно сниженные уровни перекиси водорода, при заражении авирулентными бактериями ограничивал их рост в той же мере, в какой это наблюдалось для растений дикого типа.

В отношении сверхчувствительной гибели клеток, результаты исследований дают противоречивые результаты. Одни данные показывают, что сверхчувствительная гибель клеток хозяина не является очень необходимым компонентом устойчивости. В то же время другие исследователи приводят отличные данные, в соответствии с которыми сверхчувствительный отклик является обязательным атрибутом устойчивости к бактериям.

Исследования также показали, что связанные с СК сигнальные пути важны для устойчивости. Обработка растений экзогенной СК или аналогами СК ингибирует рост бактерий и приводит к индукции системной устойчивости.

Некоторые патовары бактерии P. syringae, по-видимому, используют изощренный механизм ингибирования зависимых от СК сигнальных путей посредством передачи сигналов, связанных с ЖК. Они продуцируют токсин, называемый коронатином, который состоит из двух остатков; одна из частей коронатина сходна с жасмоновой кислотой, а вторая – с предшественником этилена аминоциклопропанкарбоксильной кислотой. Такое структурное подобие приводит к предположению, что коронатин способствует вирулентности бактерий, влияя на пути передачи сигналов ЖК и/или ЭТ. Активирование этих путей передачи сигналов, как уже упоминалось, будет ингибировать путь передачи сигналов СК. Экспериментальные данные подтверждают это предположение и указывают, что активирование связанных с ЖК факторов транскрипции класса ERF, в частности RAP2.6и ERF1, является необходимым для вирулентности бактерий. Коронатин также необходим для системного эффекта, названного системной индуцированной восприимчивостью. Заражение вирулентным штаммом P. syringae pv. tomato приводит к системному повышению восприимчивости при последующем заражении.

Этот эффект может быть достигнут очищенным коронатином. Бактериальные штаммы, не продуцирующие коронатина, не вызывают системной приобретенной устойчивости. Если растения заражаются авирулентным штаммом, продуцирующим коронатин, то индукция системной восприимчивости происходит параллельно с индукцией системной приобретенной устойчивости. Если растения заражать авирулентным штаммом, не образующим коронатина, то системная приобретенная устойчивость является более сильно выраженной, чем в предыдущем случае.

В устойчивости к Pseudomonas также играет роль распознавание флагеллина рецептором, кодируемым геном FLS2. Флагеллин или его пептидные производные при посредстве FLS2 активируют каскад MAP-киназ и в конечном итоге факторы транскрипции WRKY22 и WRKY29; в конечном итоге активируется целый ряд генов. Взаимосвязи между сигналами, активированными флагеллином, СК и ЖК, пока остается неизвестными.