Участие сигнальных молекул в процессе формирования устойчивости растений к нематодам

УЧАСТИЕ СИГНАЛЬНЫХ МОЛЕКУЛ В ПРОЦЕССЕ ФОРМИРОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ К НЕМАТОДАМ

Зиновьева С.В., Удалова Ж.В. *, Васюкова Н.И.,

ГерасимоваН.Г., Озерецковская О.Л.**

*Центр паразитологии ИПЭЭ РАН **Институт биохимии им А.Н.Баха РАН

Седентарные нематоды причиняют колоссальный ущерб промышленному растениеводству. Ежегодные потери исчисляется миллиардами долларов. В связи с запретом на использование многочисленных синтетических препаратов наиболее актуальны и востребованы экологически безопасные методы защиты растений. Одним из таких методов является активирования механизмов естественного иммунитета с помощью элиситоров и сигнальных молекул. Установлено, что процесс распознавания элиситоров в растениях осуществляется с помощью сигнальных систем, которые определяют реакцию клеток на различные воздействия (Тарчевский, 2002). В зависимости от типа инфицирования и характера стресса, растения активируют различные сигнальные системы. Наиболее известными медиаторами сигнальных систем являются салициловая (СК) и жасмоновая (ЖК) кислоты. Эти кислоты являются участниками системной сигнальной трансдукции, связанной с передачей стрессовых сигналов от поверхности инвазированной клетки до ядра, а также дистанционно по всем клеткам, усиливая экспрессию защитных генов. В иммунном ответе ЖК вызывает: синтез экстенсинов, приводящих к укреплению клеточной стенки и замедлению роста, что неблагоприятно для патогенов; синтез белков-тионинов, связывающихся с мембранными структурами патогена с токсическим эффектом; синтез фитоалексинов; фенолов (в том числе СК) и пептида системина (Чуб, 2003). Последние исследования продемонстрировали, что ЖК включается в защитные ответы растений против патогенов, жизнедеятельность которых связана с механическим повреждением клеток растения-хозяина. Фитонематоды вызывают поранение клеток, поэтому, логично предположить, что защитный ответ на нематоду может быть связан с ЖК и её производными. В настоящее время имеется много данных, показывающих, что СК играет центральную роль в защите растений от биотрофных патогенов. В ответ на внедрение патогенов уровень СК возрастает. Даже при простом механическом повреждении активизируется начальный фермент биосинтеза салицилата - фенилаланинаммиаклиаза (ФАЛ). В ответ на обработку растений СК запускается синтез PR-белков (pathogenesis related proteins). СК, вызывая образование ФАЛ, увеличивает собственный биосинтез. СК может связываться с некоторыми железосодержащими белками, например, с каталазой. При этом активность

201

каталазы падает, а концентрация перекиси водорода и других активных форм кислорода растет, что приводит к "окислительному взрыву" в месте атаки патогеном или обработки элиситором, а также возникновению микровзрывов в местах, удаленных от места первоначальной инфекции, которые вызывают индуцированную устойчивость (ИУ). Повышение концентраций активных форм кислорода стимулирует образование новых порций СК, что приводит к усилению защитного действия. Обработка СК может запустить реакцию сверхчувствительности. Установлена роль СК, как медиатора передачи сигнала во взаимоотношениях седентарных фитонематод и растений (Wubben, et al. 2008, Branch et al. 2007). Нами были получены данные, которые показали увеличение количества СК в инвазированных галловой нематодой тканях томатов, обработанных биогенными элиситорами (Васюкова и др.2003). На этой же паразито-хозяинной системе было показано, что различные способы обработки томатов СК снижает зараженность корней галловой нематодой (Sirohi et al., 2006, Molinari et al., 2008). Это указывает на то, что СК может выполнять роль элиситора устойчивости томатов к нематодам.

На модельной системе томаты Meloidogyne incognita изучали роль СК и ЖК как возможного компонента передачи сигналов при инвазии растений паразитическими нематодами при ИУ (Зиновьева и др, 2009, Васюкова и др., 2009). Индуктор системной устойчивости - водорастворимый низкомолекулярный хитозан. Элиситор - хитозан индуцирует в растениях и салицилатный, и жасмонатный пути метаболизма (Тютерев, Евстигнеева, 1995). Было показано, что растения, обработанные хитозаном, оказывались более устойчивыми к поражению нематодами и заметно лучше развивались по сравнению с контрольными растениями. Что касается нематод, то было обнаружено достоверное снижение размера самок и их плодовитости. Композиция хитозана и СК заметно увеличивала длину стебля и вес зеленой массы по сравнению с аналогичными показателями у необработанных растений и в большей степени снижала поражаемость растений нематодой, плодовитость которой также оказалась существенно ниже. Полученные данные дали основания предположить, что в случае обработки семян или растений СК совместно с элиситором-хитозаном экспрессия генов, контролирующих устойчивость растений, меняется наиболее сильно. С другой стороны, под воздействием хитозана активность ФАЛ инвазированного нематодой восприимчивого сорта томатов активируется больше, чем в 2 раза, тогда как в устойчивом сорте она несколько подавляется. Этот факт подтвердил ранее высказанное предположение, что при сравнении воздействия элиситоров на зараженные патогеном сорта растений, различающиеся по устойчивости к этому патогену, наибольшее стимулирование иммунных эффектов наблюдается у восприимчивых сортов. Можно предположить, что повышение активности ФАЛ связано с индукцией элиситором системной устойчивости растений. Предобработка же хитозаном семян устойчивого сорта томатов практически не повлияла на активность

202

ФАЛ томатов. Таким образом, выявленная корреляция нематодоустойчивости томатов, достигаемой с помощью хитозана, с содержанием СК и активностью ФАЛ свидетельствует об их участии в процессах системной ИУ. Следует отметить, что кластер биогенеза вторичных соединений, реализуемый через шикимовую кислоту, куда включаются активность ФАЛ и СК, является источником большого числа соединений, таких как фенолы, фенилпропаноиды, производные лигнина и других веществ, участвующих в иммунных реакциях растений в ответ на нематодную инвазию. Показано, что при действии биогенных элиситоров и СК в инвазированных растениях наблюдались значительные изменения ряда биохимических критериев, характеризующих иммунное состояние растений, таких как состав и содержании свободных стеринов, необходимых для развития нематод, ауксотрофных по этим соединениям (Zinovieva et al., 1995); содержание PR-белков (хитиназы и Р-1,3 -глюканазы) (Зиновьева и др. 2001, 2002), которые способны разрушать клеточные стенки нематод, и, тем самым влиять на их жизнедеятельность, а также продуцировать олигомеры, обладающие иммунорегулирующими свойствами; активность пероксидазы, участвующей в сверхчувствительной гибели клеток растений и укреплении их клеточных стенок, что ограничивает развитие нематоды; активность липоксигеназы, с которой связано с образование сигнальных молекул, усиливающих действие элиситора патогена (Ильинская и др.2002).

Хитозан и ЖК оказывали стимулирующее действие на рост и развитие растений. Результаты исследований показали, что ЖК, так же как и элиситор-хитозан, снижает заражённость растений нематодами. Использование композиции элиситора с ЖК было более эффективным, чем применение индивидуальных соединений. Важно отметить, что обработка растений элиситором и особенно композицией элиситора с ЖК оказала сильное ингибирующее влияние на плодовитость нематод. Жасмонаты образуются из а-линоленовой кислоты при участии липоксигеназы-ЛОГ (Ильинская и др.2000). Если в растениях ингибировать работу липоксигеназы, жасмоновая кислота не образуется, что приводит к потере иммунитета к фитопатогенам. ЖК индуцирует экспрессию генов ЛОГ, которая включается в индукцию защитных ответов растения на внедрение патогенов (Feussner, Wastemack, 2002). Полученные нами результаты показали наличие корреляции между вызываемым элиситором уровнем системной устойчивости томатов и стимуляцией активности ЛОГ. Сочетание ЖК с хитозаном приводило к усилению способности хитозана стимулировать активность ЛОГ, в то время как при обработке семян томатов только раствором хитозана активность ЛОГ не отличалась от контрольного варианта. Достаточно четко определено стимулирующее влияние хитозана на активность ФАЛ. Незначительное подавляющее воздействие ЖК и композиции хитозана с ЖК на активность этого фермента неудивительно, поскольку биогенез фенилпропаноидов и жасмонатов осуществляется различными путями биогенеза. Кроме того,

203

взаимоотношения ЖК с СК могут быть не только синергическими, но и антагонистическими.

Полученные данные позволяют полагать, что ЖК принимает участие в процессе индуцирования нематодоустойчивости томатов, композиция, которой с элиситорами заметно способствует сопротивлению растений патогенам.

Выводы. Результаты проведенных исследований указывают на участие СК и ЖК в механизме ИУ растений при фитогельминтозах. Полученные данные об иммуномодулирующем действии биогенных элиситоров и сигнальных молекул растений свидетельствует о регуляторной роли этих механизмов в патогенезе и устойчивости растений при фитогельминтозах и позволяют наметить методические основы использования принципа иммунизации растений для повышения их устойчивости и борьбы с фитогельминтозами.

Работа поддержана грантами «Биоресурсы» и РФФИ.

Participation of signal molecules in formation of plant resistance to nematodes. Zinovjeva S.V., Udalova Zh.V., Vasukova N.I., Gerasimova N.G., Ozeretskovskaya O.L. Center of Parasitology, IPEE RAS. Bach Institute of Biochemistry, RAS.

Summary. The salycic and jasmonic acids participate in formation of plant induced resistance at phytohelminthoses. These signal molecules exibit a regulatory role in pathogenesis and resistance of plants at phytohelminthoses. One can design the methodic basis for immunization of plants with the aim to increase their resistance to nematodes.

ВЛИЯНИЕ СЕНСИБИЛИЗАЦИИ БЕЛКОВЫМ СОМАТИЧЕСКИМ ПРОДУКТОМ ИЗ ТКАНЕЙ ASCARIS SUUM НА СОСТОЯНИЕ ГЕНОМА СОМАТИЧЕСКИХ И ЭМБРИОНАЛЬНЫХ КЛЕТОК ВО ВРЕМЯ РАННЕГО ОРГАНОГЕНЕЗА ЭМБРИОНОВ КРЫС

Зорина В.В., Бекиш В.Я.

УО «Витебский государственный медицинский университет», Беларусь

Введение. Сенсибилизация белковыми соматическими продуктами из целых аскарид, кожно-мускульного мешка и полостной жидкости приводят к достоверному росту в костном мозге мышей количества поли- и нормохроматофильных эритроцитов с микроядрами на 7-й, 14-й дни после их первого введения [1].

Цель исследования - изучить влияние сенсибилизации белковым соматическим продуктом из тканей аскарид на цитогенетические изменения в соматических клетках самок-крыс при беременности и в эмбриональных

204