Как растения защищаются от болезней

Метлицкий Лев Владимирович

Большинство устойчивых растений в ответ на инфицирование образует большее количество фитоалексинов, чем восприимчивые.

Однако при оценке защитной роли фитоалексинов нужно учитывать не только их суммарное количество, по также скорость образования и местонахождение (локализацию фитоалексинов в растении). Правда, сделать это очень трудно.

Представьте себе сосуд ксилемы (трахею) хлопчатника, по которой снизу вверх от корней к листьям вместе с током воды распространяются споры возбудителя инфекционного увядания (вилта). Что происходит в устойчивом растении? Просвет сосуда быстро перекрывается за счет образования в нем тилл и пробок, о которых уже шла речь. В закупоренном сосуде прекращается ток воды и споры попадают в ловушку, накапливаясь в пространстве сосуда ниже места закупорки. Вот тут-то за них и принимаются

фитоалексины. Локальное местонахождение спор создает возможность создания вокруг них токсических концентраций антибиотиков, которые быстро с ними расправляются.

Вот так в хлопчатнике реализуется принцип «в нужное время, в нужном месте и в нужном количестве». Кстати, обратите внимание, что реализовать этот принцип возможно только, если в дело включаются два типа защитных реакций: формирование механических преград в виде пробок и образование фитоалексинов. Каждая реакция в отдельности не смогла бы сработать. Это и есть синергизм защитных реакций растений, при котором одна из них дополняет другую.

А в восприимчивом сорте хлопчатника споры паразита, не встречая препятствий со стороны растений, спокойно распространяются по его сосудам. Образование фитоалексинов происходит даже в большем объеме, чем в устойчивом сорте (во многих местах, где рассеяны споры паразита), да только это мало помогает. Восприимчивое растение тратит много сил на образование фитоалексинов, но не в состоянии вовремя остановить распространение спор и создать вокруг них токсическую зону, поэтому паразиту удается захватить все растение.

Известны данные, когда удаление фитоалексинов из тканей устойчивого растения превращает его в восприимчивое и, наоборот, добавление этих веществ к восприимчивому растению делает его устойчивым.

Если растение выдержать в плохих для него условиях (при повышенной температуре, недостатке кислорода), то его болезнеустойчивость падает и параллельно уменьшается способность образовывать фитоалексины. Б хороших условиях, наоборот, возрастает как устойчивость, так и образование антибиотиков. Интересно, что если после временного воздействия повышенной температуры растение вновь перенести в условия нормальной температуры, где оно через некоторый срок приходит в себя, то вместе с возвращением болезнеустойчивости восстанавливается и способность образовывать фитоалексины.

Если устойчивые растения обработать определенными ингибиторами обмена, которые, не затрагивая паразита, подавят в растительных тканях образование ферментов, ответственных за синтез фитоалексинов, то такие растения из устойчивых превращаются в восприимчивые. Более того, описаны случаи, когда устойчивое растение, в котором тем или иным способом подавлена способность к образованию фитоалексинов, становится восприимчивым не только к своему специализированному патогену, но и к тем микроорганизмам, которые никогда ранее это растение не поражали. Иными словами, фитоалексины защищают растение не только от его специализированных паразитов (сортовая устойчивость), но и от неспециализированных к нему патогенов (видовой иммунитет).

Можно привести еще много примеров того, как коррелирует устойчивость растений с их способностью образовывать фитоалексины. Однако ученые со свойственной им скрупулезностью требуют все новых и новых доказательств участия этих веществ в защите растений. Корреляция между их образованием и устойчивостью к болезням получена для десятков сортов растений. Однако когда сравнивают между собой разные сорта растений, всегда есть опасность, что их способность образовывать фитоалексины определяется какими-либо иными свойствами сорта, а не только его устойчивостью к тому или иному патогену. Генотип сортов может оказаться настолько различным, что их вообще трудно сравнивать между собой но устойчивости.

Более достоверные сведения можно получить на изогенных линиях растений. Эти линии выравнены по всем генам, кроме одного, в нашем случае по гену устойчивости к той или иной болезни. Правда, на практике получаются не изогенные, а скорее близкие к изогенным линии. Оказалось, что устойчивые линии кукурузы, льна, перца, томатов, сои образуют фитоалексины вдвое, втрое, а то и в десять раз интенсивнее, чем соответствующие восприимчивые линии.

Собственно, что более всего смущает фитоиммунологов? Да тот же самый уже знакомый нам вопрос: а всегда ли в устойчивых растениях фитоалексины

образуются в нужном месте, в нужное время и в нужном количестве, чтобы покончить с паразитом? Таких данных пока еще очень мало. И не потому, что поведение этих веществ редко соответствует такому требованию, а потому, что методы определения их локального местонахождения еще не разработаны. К тому же о токсичности фитоалексинов мы пока еще судим только по тому влиянию, которое они оказывают на патогены, будучи добавленными в среду его роста. А будет ли эта величина соответствовать их токсичности в растительных тканях? Например, возбудитель корневой гнили гороха индуцирует в его тканях концентрации пизатина, в несколько десятков раз превышающие те дозы, при которых рост гриба полностью подавляется в пробирке, тем не менее это не мешает ему развиваться в содержащих пизатин тканях. Значит, токсичность веществ в растениях и в пробирке может не совпадать?

Тем не менее из числа всех биохимических показателей, известных нам, образование фитоалексинов лучше остальных коррелирует со свойством болезнеустойчивости. И это краппе важно, поскольку для решения ряда практических задач, таких, как селекция, интродукция, сортоиспытание растений, необходимы показатели, характеризующие устойчивость растительных тканей к болезням. Насколько нам известно, уже сейчас не без успеха предпринимаются попытки использовать фитоалексины как объективный критерий устойчивости растений.

Хотя роль фитоалексинов в сортовой устойчивости более очевидна, чем других групп антибиотиков, тем не менее многие специализированные патогены обладают способностью и их преодолевать. Если бы это было не так, то на свете не существовало бы пи специализированных патогенов, ни восприимчивых к ним сортов растений. Многие специализированные некротрофы обладают способностью разлагать образовавшиеся фитоалексины своего растения-хозяина — пизатин, фазеоллин, помеамарон, вайероновую кислоту, капсидиол и др. В основе процесса лежат самые разнообразные химические превращения — окисления, гидроксилирования и др. Часто детосикация осуществляется фитопатогеном в несколько этапов, причем каждый последующим продукт ферментативного превращения обладает меньшей фунгитоксичностыо, чем предыдущий. Например, пектрия галлообразующая детоксицирует фитоалексин яблони — бензойную кислоту в 2 этапа. Вначале бензойная кислота превращается в геоксибензойную, при этом токсичность по сравнению с исходной падала в 20 раз. Затем геоксибензойная кислота деградировала в протекатеховую, токсичность которой в 40 раз ниже исходной.

Интересно, что различные грибы детоксицируют один и тот же фитоалексин различными путями, а один и тот же патоген превращает родственные по строению фитоалексины одним и тем же путем.

Однако детоксикация фитоалексинов своего растения-хозяина не является единственным путем их преодоления. Другой возможностью является способность специфических патогенов препятствовать образованию фитоалексинов в растении. Это может достигаться за счет их способности проникать в растение незамеченным, о чем' пойдет речь при дальнейшем изложении. Такой механизм преодоления защитных реакций растения патогеном наиболее вероятен среди партнеров, взаимоотношения которых укладываются в систему геи — на — ген, т. е. для высокоспециализированиых биотрофов.

ЛИШЕНИЕ ПАТОГЕНА САМОГО НЕОБХОДИМОГО

Если целью паразита является превращение хозяина в источник своего питания, то растение, наоборот, стремится этого не допустить. Отсюда следует, что если растение сумеет превратить свои ткани в неудобоваримые, а то и просто в ядовитые для паразита, то оно перестанет им поражаться.

Малоспециализированные некротрофы слабо зависят от состава питательных веществ поражаемого ими растения. Прежде всего их биосинтетические возможности значительно шире, они больше привыкли рассчитывать на себя, чем на питающее их растение. Наоборот, высокоспециализированпые биотрофы потому и не могут существовать вне живой клетки, что используют готовые органические вещества, которые в них синтезируются. Иными словами, такие паразиты заставляют растения биосинтезировать определенные соединения вместо себя, а сами часто даже утрачивают эту способность. И одни из механизмов уже описанной реакции СВЧ как раз и состоит в лишении паразита необходимого ему питания и в навязывании голодовки.