Доклад: Патогенеза и устойчивости растений

Физиолого-биохимические исследования фитопатогенеза в Беларуси были инициированы В.Ф. Купревичем [101], а затем продолжались в работах З.Я. Серовой [102-110], Э.П. Комаровой [111], В.В. Карпука [28-30], А.П. Волынца, В.П. Шуканова [112-115] и др. сотрудников лаборатории физиологии патогенеза и болезнеустойчивости растений Института экспериментальной ботаники Национальной Академии Наук.

Было установлено, что патогенный гриб, исчерпав запасенные в споре продукты, внедряется в растение и начинает питаться за счет его клеток [31-37,42,58].

Первые этапы инфекционного процесса (проникновение возбудителя в ткани растения-хозяина) направлены на избегание узнавания патогена растением. Однако нарушения эктофитного развития на нехозяинных и устойчивых растениях допускают образование инфекционных структур гриба и внедрение его в ткани и клетки растений [38,42,48,58,59]. На сле­дующих этапах патологического процесса реакция сортов различается сильнее. У устойчивых сортов после проникновения гриба в клетку ее ядро, органеллы и все содер­жимое начинают темнеть и погибают вместе с гифами [72-75]. В восприимчивых разновидностях такой реакции не происходит. Клетки, в которые проникают гаустории гриба, про­должают функционировать, наблюдается как бы симби­оз патогенного организма с высшим растением [34,39,50,57,77]. Некротические процессы в клетках хозяина наступают поздно, после деградации цитоплазмы и утилизации ее веществ паразитом [69]. Интенсивность реакции защиты при разных сочетаниях хозяина и патогена неоди­накова: чем устойчивее сорт, тем реакция сверхчувствительности идет быстрее.

Активные реакции защиты растения связаны с изменениями в обмене веществ, как ра­стения, так и паразита [73-75]; они регулируются компонентами клеточных стенок и мембран, патогенезозависимыми ферментными и цитоскелетными белками, нуклеиновыми кислотами, вторичными метаболитами различной химической природы и другими факторами [36,37,54,72-75,106-113].

При развитии реакции несовместимости у двудольных растений наблюдается усиленное накопление в клеточных оболочках гликопротеидов. У злаковых растений при поражении мучнистой росой в клеточной обо­лочке накапливается белок тионин. Изменения свойств белков, проис­ходящие в растениях при инфекции, влияют на ход обмен­ных процессов клеток и на результат заражения. Многочисленных исследований свидетельствуют о том, что белки играют ведущую роль в защитных реакциях растения; что наряду с уси­лением дыхания процесс заражения нередко сопровождается воз­растанием ферментативной активности и появлением новых фер­ментов, белков и других веществ, ранее отсутствующих у хозяина и паразита [41,108,110].

Проникновение патогена в клетки растения-хозяина изменяет метаболизм растения, кото­рый у устойчивых форм направлен на подавление инфекционно­го начала [105]. Проявление заболевания растения заключается, в пер­вую очередь, в повышении интенсивности дыхания и активиза­ции ряда окислительных и гидролитических ферментов: пероксидаз, фенолоксидаз, глюканаз, хитиназ, протеаз, нуклеаз, фосфатаз и других [29,111,112]. В тканях в очаге поражения происходит так называемый окислительный и лизосомальный взрыв [117,118].

Окислительные ферменты являются участниками биохимических процессов, происходящих в результате взаимодействия растений и паразита [104,116]. Результаты многих исследований свидетельствуют о нали­чии положительной корреляции между устойчивостью растения к заражению и активностью протекающих в нем окислительных процессов. У восприимчи­вых растений под влиянием паразита наблюдаются распад окислительных систем и нарушение отдельных звеньев обмена веществ. У устойчивых сортов активная реакция на заражение сопровожда­ется усилением энергетического обмена. Под влиянием окислительных систем растения проис­ходит снижение активности гидролитических ферментов патоге­на, нейтрализация его токсинов [20,116].

Устойчивость хозяина к токсинам и экстрацеллюлярным ферментам патогена может также определяться способностью растительных клеток к быстрому формированию изолирующих папиллярных наслоений в периплазматическом пространстве, содержащих каллозу, фенольные соединения, белки [29,43,69,75]. Деятельность окислительных ферментов как факторов фитоиммунитета может проявляться и в процессах, ве­дущих к образованию между паразитом и здоровой растительной тканью защитного барьера из пробки и слоя клеток, которые при­водят к локализации очагов болезни. Барьер из пробки может препятствовать распространению токсинов и ферментов из пораженных тка­ней.

Известно, что ак­тивность многих ферментов подавляют фенольные вещества различной степени сложности и продукты их окисления. Поэтому на степень поражения растений могут влиять количество и качественный состав фенольных, пектиновых, белковых веществ, ионов и других кофакторов, без которых невозможна высокая активность экзоферментов и распространие патогена в ткани хозяина. Эти соединения могут оказывать влияние как на инактивацию ферментов паразита, так и на ингибирование их синтеза [79,80,112].

Важную роль в механизмах иммунитета растений отводят фитоалексинам – низкомолекулярным антибиотическим веще­ствам, синтезируемыми растениями при взаимодействии с возбудителями заболеваний [20,119,120]. Фитоалексины неспецифичны по отношению к патогену, т.к. синтез одного фитоалексина, характер­ного для данного растения, может быть вызван разными патогена­ми. Большинство фитоалексинов обладает фунгистатическим действием. Установлено, что грибы, паразитирующие на растении, более устойчивы к фитоалексинам, вырабатываемым данным растением, чем непатогенные виды. К настоящему времени из растений выделено более 200 фитоалексинов: больше всего из сем. бобовых, пасленовых и меньше всего – из злаковых [120]. Так, зерновые культуры (пшеница, ку­куруза, рожь) содержат глюкозиды дегидрооксибензоксазолиноны и фермент глюкозидазу, взаимодействие которых в пораженных тканях приводит к образованию веществ с фунгицидными свойствами. При взаимодействии патогена с растением может синтезироваться несколько фи­тоалексинов. Способность растения вырабатывать несколько фитоалексинов позволяет успешно противостоять разным патоге­нам. По химической природе фитоалексины относят к различным классам веществ вторичного обмена, таким как полиацетиле­ны, терпеноиды, полифенолы, изофлавоноиды, стильбены и др. [120,121].

Однако, несмотря на то, что участие фитоалексинов в защитных реакциях растений доказано, их образование еще не служат надежным препятствием для фитопатогенов. Поэтому фитоалексины, как и многие другие фунгитоксичные веще­ства, сейчас рассматриваются лишь одно из важных звеньев в многокомпонентной систе­ме реакций, обусловливающих устойчивость растений [18,23].

Методы, используемые в фитоиммунологии, чрезвычайно разнообразны. В настоящее время фитоиммунология представляет собой широко разветвленное комплексное научное направление, в котором находят применение новейшие достижения всех отраслей биологии.

Можно выделить несколько направлений фитоимму­нологии в соответствии с преимущественно применяемыми методами исследования:

• исследования структурных вопросов иммунитета: при изучении орган­ных, тканевых, клеточных, ультраструктурных, цитохимических механизмов устойчивости используют анатомические, цитологические, гистохимические, свето- и электронномикроскопические методы; в работах этого направления автор этой статьи принимал активное участие [31-46,50,51,55,57,64,69,75-77];

• исследования структурно-функциональных аспектов иммунитета: при изучении физиологических и химических механизмов взаимодействия организмов в патогенезе применяют цитофизиологические и биохимические методы; ряд работ нами выполнено в этом направлении [54,62,70,79,80,97];

• генетика патогенов изучает наследование патогенных свойств микроорганизмов и вредителей, а генетика устойчивости растений – закономерности на­следования признака фитоустойчивости; здесь отметим работы [21,122-127], в том числе выполненные в Беларуси [131];

• молекулярная биология и молекулярная генетика используют соответствующие методы для изучения структу­ры и функций генов устойчивости растений и вирулентности па­тогенов, проявлений иммунитета на молеку­лярном уровне, создают информационную базу для генетической инженерии и биотехнологии [23,73,132-138];

• популяционная биология изучает изменения в генофонде по­пуляций патогенов, взаимоотношения микроорганизмов и вреди­телей в био- и агроценозах [139-142]; такие исследования проводятся и в нашей республике [143].

Структурные исследования механизмов фитопатогенеза проводились во многих лабораториях мира и определялись прогрессом в создании все более совершенных микроскопов. В частности, такие работы выполнялись в Москве в лаборатории физиологии иммунитета растений вначале с использованием световой микроскопии, а позже и электронной [94,144,145]. В конце 20 в. это научное направление продолжилось в Минске в работах автора данной статьи [28-30].

В Беларуси физиолого-биохимические исследования фитопатогенеза, начатые В.Ф. Купревичем [101], получили развитие в трудах З.Я. Серовой и соавт. [102-110]. Были выполнены серии работ по изучению фотосинтеза, дыхания, нуклеинового и белкового обмена у злаков при поражении возбудителями ржавчины, мучнистой росой, снежной плесени, гельминтоспориоза. Важным положением ее исследований, имеющих непреходящее теоретическое и практическое значение, является вывод об участии ядерного генома в создании и функционировании фитопатосистем и развитии восприимчивочти и устойчивости. З.Я. Серова выдвинула концепцию о том, что патологический процесс динамически неоднороден и включает как устойчивые, так и патологические реакции растительного организма на внедрение грибного патогена. Из этих воззрений вытекает, что устойчивость является необходимым компонентом патологических изменений и что кроме известных защитных (антиинфекционных) свойств она обладает еще иным предназначением – способностью регулировать возникновение биотрофности в прогрессивной сопряженной эволюции организмов [105]. Связь этой концепции с патофизиологической идеей паразитизма наделяет ее свойствами надорганизменной системы, в которой осуществляются разнообразные взаимодействия: адаптация организмов, интегрирующая виды в онто- и филогенезе [107]. Взгляды на эволюцию фитопаразитизма у грибов З.Я. Серовой близки к идеям В. Ройтмана, С. Беэра, рассматривающих паразитизм как форму симбиотических отношений [146].

Концепция, выдвинутая З.Я. Серовой, помимо своей теоретической стороны, имеет также важный и нетривиальный прикладной аспект. В частности, она пишет: «Мы пытаемся выяснить зако­номерности формирования у инфицированных растений эндогенных форм защиты, сенсибилизирующих систему симбиотических связей, влияющих на сохранение биоразно­образия в природе и устойчивости агроценозов. Но по­скольку отсутствует однозначная зависимость между био­разнообразием, болезнеустойчивостью и продуктивностью агроэкологических систем, необходимо выяснить, что важ­нее для общества – сохранить целостность биосферы или необоснованно высокий потенциал продуктивности, после чего прекратить гонку за урожайностью и отдать предпоч­тение изучению путей, повышающих адаптационные воз­можности сельскохозяйственных культур. Реализация этой задачи базируется на познании фундаментальных принци­пов интегрирования видов и функционирования их в ходе конвергентных преобразований» [107].

Физиолого-биохимическое направление изучения фитопатогенеза продолжается и дополняется исследованиями веществ, выполняющих в инфицированных растениях защитную и регуляторную функции [111-115,147-149].