Тарчевский, Игорь Анатольевич - Сигнальные системы клеток растений = Plant cell signaling systems. Сигнальные системы клеток и их роль в жизнедеятельности растений Сигнальные системы клеток растений

05.03.2020

Чтобы сузить результаты поисковой выдачи, можно уточнить запрос, указав поля, по которым производить поиск. Список полей представлен выше. Например:

Можно искать по нескольким полям одновременно:

Логически операторы

По умолчанию используется оператор AND .
Оператор AND означает, что документ должен соответствовать всем элементам в группе:

исследование разработка

Оператор OR означает, что документ должен соответствовать одному из значений в группе:

исследование OR разработка

Оператор NOT исключает документы, содержащие данный элемент:

исследование NOT разработка

Тип поиска

При написании запроса можно указывать способ, по которому фраза будет искаться. Поддерживается четыре метода: поиск с учетом морфологии, без морфологии, поиск префикса, поиск фразы.
По-умолчанию, поиск производится с учетом морфологии.
Для поиска без морфологии, перед словами в фразе достаточно поставить знак "доллар":

$ исследование $ развития

Для поиска префикса нужно поставить звездочку после запроса:

исследование*

Для поиска фразы нужно заключить запрос в двойные кавычки:

" исследование и разработка"

Поиск по синонимам

Для включения в результаты поиска синонимов слова нужно поставить решётку "# " перед словом или перед выражением в скобках.
В применении к одному слову для него будет найдено до трёх синонимов.
В применении к выражению в скобках к каждому слову будет добавлен синоним, если он был найден.
Не сочетается с поиском без морфологии, поиском по префиксу или поиском по фразе.

# исследование

Группировка

Для того, чтобы сгруппировать поисковые фразы нужно использовать скобки. Это позволяет управлять булевой логикой запроса.
Например, нужно составить запрос: найти документы у которых автор Иванов или Петров, и заглавие содержит слова исследование или разработка:

Приблизительный поиск слова

Для приблизительного поиска нужно поставить тильду "~ " в конце слова из фразы. Например:

бром~

При поиске будут найдены такие слова, как "бром", "ром", "пром" и т.д.
Можно дополнительно указать максимальное количество возможных правок: 0, 1 или 2. Например:

бром~1

По умолчанию допускается 2 правки.

Критерий близости

Для поиска по критерию близости, нужно поставить тильду "~ " в конце фразы. Например, для того, чтобы найти документы со словами исследование и разработка в пределах 2 слов, используйте следующий запрос:

" исследование разработка"~2

Релевантность выражений

Для изменения релевантности отдельных выражений в поиске используйте знак "^ " в конце выражения, после чего укажите уровень релевантности этого выражения по отношению к остальным.
Чем выше уровень, тем более релевантно данное выражение.
Например, в данном выражении слово "исследование" в четыре раза релевантнее слова "разработка":

исследование^4 разработка

По умолчанию, уровень равен 1. Допустимые значения - положительное вещественное число.

Поиск в интервале

Для указания интервала, в котором должно находиться значение какого-то поля, следует указать в скобках граничные значения, разделенные оператором TO .
Будет произведена лексикографическая сортировка.

Такой запрос вернёт результаты с автором, начиная от Иванова и заканчивая Петровым, но Иванов и Петров не будут включены в результат.
Для того, чтобы включить значение в интервал, используйте квадратные скобки. Для исключения значения используйте фигурные скобки.

Действие элиситорных препаратов обусловлено наличием в их составе особых биологически активных веществ. По современным представлениям сигнальные вещества или элиситоры - это биологически активные соединения различной природы, которые в очень низких дозировках, измеряемых мили-, микро-, а в отдельных случаях - и нанограммами, вызывают каскады различных ответных реакции растений на генетическом, биохимическом и физиологическом уровнях. Воздействие их на фитопатогенные организмы осуществляется посредством влияния на генетический аппарат клеток и изменения физиологии самого растения, придания ему большей жизнестойкости, сопротивляемости различным негативным факторам среды.

Взаимоотношение растений с окружающим миром, как высокоорганизованных элементов экологических систем, осуществляется путем восприятия физических и химических сигналов, поступающих извне и корректирующих все процессы их жизнедеятельности посредством влияния на генетические структуры, иммунную и гормональную системы. Исследование сигнальных систем растений - это одно из самых многообещающих направлений в современной клеточной и молекулярной биологии. В последние десятилетия учеными достаточно много внимания уделялось изучению сигнальных систем, отвечающих за устойчивость растений к фитопатогенам .

Биохимические процессы, происходящие в клетках растений, строго скоординированы целостностью организма, которая дополняется их адекватными реакциями на потоки информации, связанные с различными воздействиями биогенных и техногенных факторов. Эта координация осуществляется за счет работы сигнальных цепей (систем), которые сплетаются в сигнальные сети клеток. Сигнальные молекулы включают в работу большинство гормонов, как правило, не проникая внутрь клетки, а взаимодействуя с молекулами-рецепторами внешних клеточных мембран. Эти молекулы представляют собой интегральные мембранные белки, полипептидная цепь которых пронизывает толщу мембраны. Разнообразные молекулы, инициирующие трансмембранную передачу сигналов, активируют рецепторы в нано-концентрациях (10-9-10-7 М). Активированный рецептор передает сигнал внутриклеточным мишеням - белкам, ферментам. При этом модулируется их каталитическая активность или проводимость ионных каналов. В ответ на это формируется определенный клеточный ответ, который, как правило, заключается в каскаде последовательных биохимических реакций. Помимо белковых посредников в передаче сигналов могут участвовать и относительно небольшие молекулы-мессенджеры, функционально являющиеся посредниками между рецепторами и клеточным ответом. Примером внутриклеточного мессенджера является салициловая кислота, участвующая в индукции стрессовых и иммунных реакций растений. После выключения сигнальной системы мессенджеры быстро расщепляются или (в случае катионов Са) откачиваются через ионные каналы. Таким образом, белки образуют своеобразную «молекулярную машину», которая, с одной стороны, воспринимает внешний сигнал, с другой, - обладает ферментной или иной активностью, моделируемой этим сигналом .

В многоклеточных растительных организмах передача сигнала осуществляется через уровень общения клеток. Клетки «разговаривают» на языке химических сигналов, что позволяет осуществлять гомеостаз растения как целостной биологической системы. Геном и сигнальные системы клеток образуют сложную самоорганизующуюся систему или своеобразный «биокомпьютер». Жестким носителем информации в нем является геном, а сигнальные системы играют роль молекулярного процессора, выполняющего функции оперативного управления. В настоящее время мы располагаем только самыми общими сведениями о принципах работы данного чрезвычайно сложного биологического образования. Во многом остаются еще невыясненными молекулярные механизмы сигнальных систем. Среди решения многих вопросов предстоит расшифровка механизмов, обусловливающих временный (преходящий) характер включения тех или иных сигнальных систем, и в то же время, длительную память об их включении, проявляющуюся, в частности, в приобретении системного пролонгированного иммунитета .

Между сигнальными системами и геномом существует двусторонняя связь: с одной стороны, ферменты и белки сигнальных систем закодированы в геноме, с другой - сигнальные системы управляются геномом, экспрессируя одни и супрессируя другие гены. Этот механизм включает рецепцию, преобразование, умножение и передачу сигнала на промоторные участки генов, программирование экспрессии генов, изменение спектра синтезируемых белков и функциональный ответ клетки, например, индукцию иммунитета к фитопатогенам .

В качестве сигнальных молекул или элиситоров, проявляющих индукционную активность, могут выступать различные органические соединения-лиганды и их комплексы: аминокислоты, олигосахариды, полиамины, фенолы, карбоновые кислоты и эфиры высших жирных кислот (арахидоновая, эйкозапентаеновая, олеиновая, жасмоновая и др.), гетероциклические и элементоорганические соединения, в том числе некоторые пестициды и др. .

К вторичным элиситорам, образующимся в клетках растений при действии биогенных и абиогенных стрессоров и включающимся в сигнальные сети клеток, относят фитогормоны: этилен, абсцизовую, жасмоновую, салициловую кислоты, а

также полипептид системин и некоторые другие соединения, которые вызываютэкспрессию защитных генов, синтез соответствующих белков, образование фитоалексинов (специфические вещества, обладающие антимикробным действием и вызывающие гибель патогенных организмов и пораженных клеток растений) и, в конечном итоге, способствуют формированию системной устойчивости у растений к негативным факторам среды .

В настоящее время наиболее изучены семь сигнальных систем клеток: циклоаденилатная, MAP-киназная (mitogen-activated protein-kinase), фосфатидокислотная, кальциевая, липоксигеназная, НАДФН-оксидазная (супероксидсинтазная), NO-синтазная. Ученые продолжают открывать новые сигнальные системы и их биохимических участников .

Растения в ответ на атаку патогенов могут использовать различные пути формирования системной устойчивости, которые запускаются разными сигнальными молекулами. Каждый из элиситоров, воздействуя на жизнедеятельность растительной клетки по определенному сигнальному пути, через генетический аппарат, вызывает широкий комплекс реакций, как защитного (иммунного), так и гормонального характера, приводящих к изменению свойств самих растений, что позволяет им противостоять целому комплексу стрессовых факторов. При этом в растениях осуществляется ингибирующее или синергирующее взаимодействие различных сигнальных путей, сплетающихся в сигнальные сети .

Индуцированная устойчивость по проявлению сходна с генетически обусловленной горизонтальной устойчивостью, с той лишь разницей, что характер ее определяется фенотипическими изменениями генома. Тем не менее, она обладает определенной стабильностью и служит примером фенотипической иммунокоррекции растительной ткани, поскольку в результате обработки веществами элиситорного действия изменяется не геном растений, а лишь его функционирование, связанное с уровнем активности защитных генов .

Определенным образом эффекты, возникающие при обработке растений иммуноиндукторами, родственны генной модификации, отличаясь от нее отсутствием количественных и качественных изменений самого генофонда. При искусственной индукции иммунных реакций наблюдаются только фенотипические проявления, характеризующиеся изменениями активности экспрессированных генов и характера их функционирования . Тем не менее, вызванные обработкой фитоактиваторами растений изменения обладают определенной степенью стойкости, что проявляется в индукции пролонгированного системного иммунитета, поддерживающегося в течение 2-3 и более месяцев, а также в сохранении приобретенных свойств растениями в течение 1-2 последующих репродукций .

Характер действия определенного элиситора и достигаемые эффекты находятся в самой тесной зависимости от силы формируемого сигнала или используемой дозировки. Данные зависимости, как правило, имеют не прямолинейный, а синусоидальный характер, что может служить доказательством переключения сигнальных путей при их ингибирующих или синергирующих взаимодействиях .Установлено также, что в условиях действия стрессовых факторов растения положительно реагируют на более низкие дозировки фитоактиваторов, что свидетельствует о более высокой выраженности их адаптогенного действия. Напротив, обработка данными веществами в больших дозировках, как правило, вызывала десенсибилизационные процессы в растениях, резко снижая иммунный статус растений и приводя к усилению восприимчивости растений к заболеваниям .

Президиум Российской академии наук
ПРИСУДИЛ
премию имени А.Н.Баха 2002 года
академику Игорю Анатольевичу ТАРЧЕВСКОМУ
за цикл работ «Сигнальные системы клеток растений»

Академик И.А. ТАРЧЕВСКИЙ
(Казанский Институт биохимии и биофизики КНЦ РАН, Институт биохимии им.А.Н.Баха РАН)

СИГНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ КЛЕТОК РАСТЕНИЙ

И.А.Тарчевский в течение почти 40 лет исследует влияние абиотических и биотических стрессоров на метаболизм растений. Последние 12 лет наибольшее внимание уделяется одному из наиболее перспективных направлений современной биохимии и физиологии растений — роли сигнальных систем клеток в формировании состояния стресса. По этой проблеме И.А.Тарчевским было опубликовано 3 монографии: «Катаболизм и стресс у растений» , «Метаболизм растений при стрессе» , и «Сигнальные системы клеток растений» . В 30 статьях И.А.Тарчевским и соавторами опубликованы результаты исследований аденилатциклазной , кальциевой , липоксигеназной и НАДФН- оксидазной сигнальных систем клеток растений. Исследуется NО-синтазная сигнальная система .

Анализ особенностей катаболизма растений при стрессе позволил сделать вывод о сигнальной функции «обломков кораблекрушения» — олигомерных продуктов деградации биополимеров и «фрагментов» фосфолипидов . Сделанное в этой работе предположение об элиситорных (сигнальных) свойствах продуктов деградации кутина позднее было подтверждено зарубежными авторами .

Публиковались не только работы экспериментального характера, но и обзоры, в которых подводились итоги исследований сигнальных систем клеток растений отечественными и зарубежными авторами .

Начатые в лаборатории автора А.Н.Гречкиным и затем продолженные им в самостоятельной лаборатории исследования липидного метаболизма позволили получить результаты приоритетного характера, значительно расширившие представления о липоксигеназном сигнальном каскаде. Изучение влияния интермедиата НАДФН-оксидазной системы — салициловой кислоты на синтез белков привело к выводу о причине давно установленной биологической активности другого соединения — янтарной кислоты. Оказалось, что последняя является миметиком салицилата и обработка ею растений «включает» сигнальные системы, что приводит к синтезу салицилат-индуцируемых защитных белков и повышению устойчивости к патогенам .

Было обнаружено, что различные экзогенные стрессовые фитогормоны — жасмоновая, салициловая и абсцизовая кислоты вызывают индукцию синтеза как одних и тех же белков (что свидетельствует о «включении» этими гормонами одних и тех же сигнальных путей), так и специфичных для каждого из них белков (что указывает на одновременное «включение» и различающихся сигнальных каскадов) .
Впервые в мировой литературе И.А.Тарчевским был проведен анализ функционирования в растениях всех известных сигнальных систем клеток и возможностей их взаимовлияния, что привело к представлению о существовании в клетках не изолированных сигнальных систем, а о сигнальной сети, состоящей из взаимодействующих систем .

Была предложена классификация патоген-индуцируемых белков по функциональному признаку и сделан обзор особенностей синтеза «включаемого» различными сигнальными системами синтеза этих белков . Одни из них являются участниками сигнальных систем растений, и их интенсивное образование обеспечивает усиление восприятия, преобразования и передачи в генетический аппарат элиситорных сигналов, другие ограничивают питание патогенов, третьи катализируют образование фитоалексинов, четвертые — реакции укрепления клеточных стенок растений, пятые вызывают апоптоз инфицированных клеток. Функционирование всех этих патоген-индуцированных белков существенно ограничивает распространение инфекции по растению. Шестая группа белков может непосредственно действовать на структуру и функции патогенов, прекращая или подавляя их развитие. Некоторые из этих белков вызывают деградацию клеточной стенки грибов и бактерий, другие дезорганизуют функционирование их клеточной мембраны, изменяя ее проницаемость для ионов, третьи подавляют работу белок-синтезирующей машины, блокируя синтез белков на рибосомах грибов и бактерий или действуя на вирусную РНК.

Наконец, впервые был подведен итог работам по конструированию устойчивых к патогенам трансгенных растений, причем в основу этой обзорной работы была положена упомянутая выше классификация патоген-индуцируемых защитных белков , Особое внимание уделено результатам исследования с помощью трансгенных растений особенностей функционирования сигнальных систем клеток.

Исследования сигнальных систем клеток растений имеет не только большую теоретическую важность (так как они составляют основу молекулярных механизмов стресса), но и большое практическое значение, поскольку позволяют создавать эффективные антипатогенные препараты на основе природных элиситоров и интермедиатов сигнальных систем.

Различным аспектам функционирования сигнальных систем клеток растений были посвящены Тимирязевская, Костычевская и Сисакяновская лекции И.А.Тарчевского (последняя в соавторстве с А.Н.Гречкиным), а также выступления на Международных конференциях (в Венгрии, Англии, Франции, Польше, Турции, Израиле, Индии, Германии и др.).

За исследования одной из сигнальных систем — липоксигеназной, И.А.Тарчевский и чл.-корр.РАН А.Н.Гречкин в 1999 году были удостоены премии имени В.А.Энгельгардта Академии наук Республики Татарстан.

Во многих публикациях И. А.Тарчевского принимали участие в качестве соавторов его коллеги — член-корреспондент РАН А.Н.Гречкин, доктора биологических наук Ф.Г.Каримова, Н.Н.Максютова, В.М.Чернов, О.А.Чернова и кандидат биологических наук В.Г.Яковлева.

В 2001 году по инициативе И.А.Тарчевского и при его участии в качестве председателя Оргкомитета в Москве был проведен Международный симпозиум по сигнальным системам клеток растений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тарчевский И.А. Катаболизм и стресс у растений. Наука. М. 1993. 83 c.
2. Тарчевский И.А. Метаболизм растений при стрессе. Избранные труды. Изд.»Фэн» (Наука). Казань. 2001. 448 с.
3. Тарчевский И.А.Сигнальные системы клеток растений. М.: Наука, 2002. 16,5 п.л. (в печати).
4. Максютова Н.Н., Викторова Л.В., Тарчевский И.А. Действие АТФ и ц-АМФ на синтез белков зерновок пшеницы. // Физиол. биохим. культур. растений. 1989. Т. 21. № 6. С.582-586.
5. Grechkin A.N., Gafarova T.E., Korolev O.S., Kuramshin R.A., Tarchevsky I.A. The monooxygenase pathway of linoleic acid oxidation in pea seedlings. / In: «Biological Role of Plant Lipids». Budapest: Akad. Kiado. New York, London. Plenum. 1989. P.83-85.
6. Tarchevsky I.A., Grechkin A.N. Perspectives of search for eicosаnoid analogs in plants. / In: «Biological Role of Plant Lipids». Budapest: Akad. Kiado. New York, London. Plenum. 1989. P.45-49.
7. Гречкин А.Н., Кухтина Н.В., Курамшин Р.А., Сафонова Е.Ю., Ефремов Ю.Я., Тарчевский И.А. Метаболизация коронаровой и верноловой кислот в гомогенате эпикотилей гороха. // Биоорган. химия. 1990. Т.16. N 3. С. 413-418.
8. Grechkin A.N., Gafarova T.E., Tarchevsky I.A. Biosynthesis of 13-oxo-9(Z), 11(E)-tridecadienoic acid in pea leaf homogenate. / In: «Plant Lipid Biochemistry. Structure and Utilization». London. Portland Press. 1990. P. 304-306.
9. Grechkin A.N., Kuramshin R.A., Tarchevsky I.A. Minor isomer of 12-oxo-10,15-phytodienoic acid and the mechanism of natural cyclopentenones formation. / In: «Plant Lipid Biochemistry. Structure and Utilization». London. Portland Press. 1990. P.301-303.
10. Tarchevsky I.A., Kuramshin R.A., Grechkin A.N. Conversation of α-linolenate into conjugated trienes and oxotrienes by potato tuber lipoxygenase. / In: «Plant Lipid Biochemistry. Structure and Utilization». London. Portland Press. 1990. P. 298-300.
11. Гречкин А.Н., Курамшин Р.А., Тарчевский И.А. Образование нового α-кетола гидропероксид-дегидразой из семян льна. // Биоорган. химия. 1991. Т. 17. № 7. С. 997-998.
12. Grechkin A.N., Kuramshin R.A, Safonova E.Y., Yefremov Y.J., Latypov S.K., Ilyasov A.V., Tarchevsky I.A. Double hydroperoxidation of linolenic acid by potato tuber lipoxygenase. // Biochim. Biophys. Acta. 1991. V. 1081. N 1. P. 79-84.
13. Тарчевский И.А. Регуляторная роль деградации биополимеров и липидов. // Физиол. растений. 1992. Т. 39. N 6. С.156-164.
14. Тарчевский И.А., Максютова Н.Н., Яковлева В.Г. Влияние салициловой кислоты на синтез белков проростков гороха. // Физиология растений. 1996. Т.43. N 5. С. 667-670.
15. Тарчевский И.А., Максютова Н.Н., Яковлева В.Г., Чернов В.М. Микоплазма-индуцированные и жасмонат-индуцированные белки растений гороха. // Доклады РАН. 1996. Т. 350. N 4. С. 544 — 545.
16. Чернов В.М., Чернова О.А.,Тарчевский И.А. Феноменология микоплаз-менных инфекций у растений. // Физиол. растений. 1996. Т. 43. N.5. С. 721 — 728.
17. Тарчевский И.А. О вероятных причинах активирующего действия янтарной кислоты на растения./ В кн.»Янтарная кислота в медицине, пищевой промышленности, сельском хозяйстве». Пущино. 1997. С.217-219.
18. Гречкин А.Н., Тарчевский И.А. Липоксигеназная сигнальная система. // Физиол. растений. 1999. Т. 46. № 1. С. 132-142.
19. Каримова Ф.Г., Корчуганова Е.Е., Тарчевский И.А., Абубакирова М. Р. Na+/Ca+ -обмен в клетках растений. // Доклады РАН. 1999. Т.366. № 6. С. 843-845.
20. Каримова Ф.Г., Тарчевский И.А., Мурсалимова Н.У., Гречкин А.Н. Влияние продукта липоксигеназного метаболизма -12-гидроксидодеценовой кислоты на фосфорилирование белков растений. // Физиол. растений. 1999. Т.46. №1. С.148-152.
21. Тарчевский И.А. Взаимодействие сигнальных систем клеток растений, «включаемых» олигосахаридами и другими элиситорами. // «Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана». Материалы Пятой конференции. М. Изд-во ВНИРО. 1999. С.105-107.
22. Тарчевский И.А., Гречкин А.Н., Каримова Ф.Г., Корчуганова Е.Е., Максютова Н.Н., Мухтарова Л.Ш., Яковлева В.Г., Фазлиев Ф.Н., Ягушева М.Р., Палих Э., Хохлова Л.П. О возможности участия циклоаденилатной и липоксигеназной сигнальных систем в адаптации растений пшеницы к низким температурам. / В кн. «Грани сотрудничества. К 10-летию Соглашения о сотрудничестве между Казанским и Гиссенским университетами». Казань: УНИПРЕСС, 1999. С.299-309.
23. Тарчевский И.А, Максютова Н.Н., Яковлева В.Г., Гречкин А.Н. Янтарная кислота — миметик салициловой кислоты. // Физиол. растений. 1999. Т. 46. № 1. С. 23-28.
24. Гречкин А.Н., Тарчевский И.А. Липоксигеназный сигнальный каскад растений. // Научный Татарстан. 2000. № 2. С. 28-31.
25. Гречкин А.Н., Тарчевский И.А. Сигнальные системы клеток и геном. // Биоорганическая химия. 2000. Т. 26. № 10. С. 779-781.
26. Тарчевский И.А. Элиситор-индуцируемые сигнальные системы и их взаимодействие. // Физиол. растений. 2000. Т.47.№ 2. С.321-331.
27. Тарчевский И.А., Чернов В.М. Молекулярные аспекты фитоиммунитета. // Микология и фитопатология. 2000. Т. 34. № 3. С. 1-10.
28. Karimova F., Kortchouganova E., Tarchevsky I., Lagoucheva M. The oppositely directed Ca+2 and Na+ transmembrane transport in algal cells. // Protoplasma. 2000. V. 213. P. 93-98.
29. Tarchevsky I.A., Karimova F.G., Grechkin A.N. and Moukhametchina N.M. Influence of (9Z)-12-hydroxy-9-dodecenoic acid and methyl jasmonate on plant protein phosphorylation. // Biochemical Society Transactions. 2000. V. 28. N. 6. P. 872-873.
30. Тарчевский И.А. Патоген-индуцируемые белки растений. // Прикладная микробиология и биохимия. 2001. Т. 37. № 5. С. 1-15.
31. Тарчевский И.А., Максютова Н.Н., Яковлева В.Г. Влияние салицилата, жасмоната и АБК на синтез белков. // Биохимия. 2001. Т. 66. N. 1. С. 87-91.
32. Yakovleva V.G., Tarchevsky I.A., Maksyutova N.N. Influence of NO donor nitroprusside on protein synthesis in pea seedlings. // Abstracts of International Symposium «Plant Under Environmental Stress». Moscow. Publishing House of Peoples’ Friendship University of Russia. 2001. P. 318-319.
33. Yakovleva V.G., Maksyutova N.N., Tarchevsky I.A., Abdullaeva A.R. Influence of donor and inhibitor of NO-synthase on protein synthesis of pea seedlings. // Abstracts of International Symposium «Signalling systems of plant cells». Moscow, Russia, 2001, June, 5-7. ONTI, Pushchino. 2001. P. 59.

Устойчивость растений к патогенам определяется, как было установлено Х.Флором в 50-е годы 20 века взаимодействием комплементарной пары генов растения-хозяина и патогена, соответственно, гена устойчивости (R) и гена авирулентности (Аvr). Специфичность их взаимодействия предполагает, что продукты экспрессии этих генов участвуют в распознавании растением патогена с последующим активированием сигнальных процессов для включения защитных реакций.

В настоящее время известно 7 сигнальных систем: циклоаденилатная, MAP-киназная (mitogen-activated protein-kinase), фосфатидокислотная, кальциевая, липоксигеназная, НАДФ·Н-оксидазная (супероксидсинтазная), NO-синтазная.

В пяти первых сигнальных системах посредником между цитоплазматической частью рецептора и первым активируемым ферментом являются G-белки. Эти белки локализованы на внутренней стороне плазмалеммы. Их молекулы состоят из трех субъединиц: a, b и g.

Циклоаденилатная сигнальная система. Взаимодействие стрессора с рецептором на плазмалемме приводит к активации аденилатциклазы, которая катализирует образование циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) из АТФ. цАМФ активирует ионные каналы, включая кальциевую сигнальную систему, и цАМФ-зависимые протеинкиназы. Эти ферменты активируют белки-регуляторы экспрессии защитных генов, фосфорилируя их.

MAP-киназная сигнальная система. Активность протеинкиназ повышается у растений, подвергнутых стрессовым воздействиям (синий свет, холод, высушивание, механическое повреждение, солевой стресс), а также обработанных этиленом, салициловой кислотой или инфицированных патогеном.

В растениях функционирует протеинкиназный каскад как путь передачи сигналов. Связывание элиситора с рецептором плазмалеммы активирует МАР-киназы. Она катализирует фосфорилирование цитоплазматической киназы МАР-киназы, которая активирует при двойном фосфорилировании треониновых и тирозиновых остатков МАР-киназу. Она переходит в ядро, где фосфорилирует белки-регуляторы транскрипции.

Фосфатидокислотная сигнальная система. В клетках животных G белки под воздействием стрессора активируют фосфолипазы C и D. Фосфолипаза С гидролизует фосфатидилинозитол-4,5-бифосфат с образованием диацилглицерола и инозитол-1,4,5-трифосфата. Последний освобождает Са2+ из связанного состояния. Повышенное содержание ионов кальция приводит к активации Са2+-зависимых протеинкиназ. Диацилглицерол после фосфорилирования специфичной киназой превращается в фосфатидную кислоту, которая является сигнальным веществом в животных клетках. Фосфолипаза D непосредственно катализирует образование фосфатидной кислоты из липидов (фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин) мембран.

У растений стрессоры активируют G белки, фосфолипазы С и D у растений. Следовательно, начальные этапы этого сигнального пути одинаковы у животных и растительных клеток. Можно предположить, что в растениях также происходит образование фосфатидной кислоты, которая может активировать протеинкиназы с последующим фосфорилированием белков, в том числе и факторов регуляции транскрипции.

Кальциевая сигнальная система. Воздействие различных факторов (красного света, засоления, засухи, холода, теплового шока, осмотического стресса, абсцизовой кислоты, гиббереллина и патогенов) приводит к повышению содержания ионов кальция в цитоплазме за счет увеличения импорта из внешней среды и выхода из внутриклеточных хранилищ (эндоплазматического ретикулума и вакуоли)

Повышение концентрации ионов кальция в цитоплазме приводит к активации растворимых и мембранносвязанных Са2+-зависимых протеинкиназ. Они участвуют в фосфорилировании белковых факторов регуляции экспрессии защитных генов. Однако было показано, что Са2+ способен непосредственно влиять на человеческий репрессор транскрипции, не задействуя каскад фосфорилирования белков. Также ионы кальция активируют фосфатазы и фосфоинозитспецифичную фосфолипазу С. Регулирующее действие кальция зависит от его взаимодействия с внутриклеточным рецептором кальция - белком кальмодулином.

Липоксигеназная сигнальная система. Взаимодействие элиситора с рецептором на плазмалемме приводит к активации мембранносвязанной фосфолипазы А2, которая катализирует выделение из фосфолипидов плазмалеммы ненасыщенных жирных кислот, в том числе линолевой и линоленовой. Эти кислоты являются субстратами для липоксигеназы. Субстратами для этого фермента могут быть не только свободные, но и входящие в состав триглицеридов ненасыщенные жирные кислоты. Активность липоксигеназ повышается при действии элиситоров, заражении растений вирусами и грибами. Увеличение активности липоксигеназ обусловлено стимуляцией экспрессии генов, кодирующих эти ферменты.

Липоксигеназы катализируют присоединение молекулярного кислорода к одному из атомов (9 или 13) углерода цис,цис-пентадиенового радикала жирных кислот. Промежуточные и конечные продукты липоксигеназного метаболизма жирных кислот обладают бактерицидными, фунгицидными свойствами и могут активировать протеинкиназы. Так, летучие продукты (гексенали и ноненали) токсичны для микроорганизмов и грибов, 12-гидрокси-9Z-додеценовая кислота стимулировала фосфорилирование белков у растений гороха, фитодиеновая, жасмоновая кислоты и метилжасмонат через активирование протеинкиназ повышают уровень экспресии защитных генов.

НАДФ·Н-оксидазная сигнальная система. Во многих случаях заражение патогенами стимулировало продукцию реактивных форм кислорода и гибель клеток. Реактивные формы кислорода не только токсичны для патогена и инфицированной клетки растения-хозяина, но и являются участниками сигнальной системы. Так, перекись водорода активирует факторы регуляции транскрипции и экспрессию защитных генов.

NO-синтазная сигнальная система. В макрофагах животных, убивающих бактерии, наряду с реактивными формами кислорода действует окись азота, усиливающая их антимикробное действие. В животных тканях L-аргинин под действием NO-синтазы превращается в цитруллин и NO. Активность этого фермента была обнаружена и в растениях, причем вирус табачной мозаики индуцировал повышение его активности в устойчивых растениях, но не влиял на активность NO-синтазы в чувствительных растениях. NO, взаимодействуя с супероксидом кислорода, образует очень токсичный пероксинитрил. При повышенной концентрации окиси азота активируется гуанилатциклаза, которая катализирует синтез циклического гуанозинмонофосфата. Он активирует протеинкиназы непосредственно или через образование циклической АДФ-рибозы, которая открывает Са2+ каналы и тем самым повышает концентрацию ионов кальция в цитоплазме, что в свою очередь, приводит к активации Са2+-зависимых протеинкиназ.

Таким образом, в клетках растений существует скоординированная система сигнальных путей, которые могут действовать независимо друг от друга или сообща. Особенностью работы сигнальной системы является усиление сигнала в процессе его передачи. Включение сигнальной системы в ответ на воздействие различных стрессоров (в том числе и патогенов) приводит к активации экспрессии защитных генов и повышению устойчивости растений.

Индуцированные механизмы: а) усиление дыхания, б) накопление веществ, обеспечивающих устойчивость, в) создание дополнительных защитных механических барьеров, г) развитие реакция сверхчувствительности.

Патоген, преодолев поверхностные барьеры и попав в проводящую систему и клетки растения, вызывает заболевание растения. Характер заболевания зависит от устойчивости растения. По степени устойчивости выделяют четыре категории растений: чувствительные, толерантные, сверхчувствительные и крайне устойчивые (иммунные). Кратко охарактеризуем их на примере взаимодействия растений с вирусами.

В чувствительных растениях вирус транспортируется из первично зараженных клеток по растению, хорошо размножается и вызывает разнообразные симптомы заболевания. Однако и в чувствительных растениях существуют защитные механизмы, ограничивающие вирусную инфекцию. Об этом свидетельствует, например, возобновление репродукции вируса табачной мозаики в протопластах, изолированных из зараженных листьев растений табака, в которых закончился рост инфекционности. Темно-зеленые зоны, образующиеся на молодых листьях больных чувствительных растений, характеризуются высокой степенью устойчивости к вирусам. Клетки этих зон почти не содержат вирусных частиц по сравнению с соседними клетками светло-зеленой ткани. Низкий уровень накопления вирусов в клетках темно-зеленой ткани связан с синтезом антивирусных веществ. В толерантных растениях вирус распространяется по всему растению, но плохо размножается и не вызывает симптомов. В сверхчувствительных растениях первично инфицированные и соседние клетки некротизируются, локализуя вирус в некрозах. Считается, что в крайне устойчивых растениях вирус репродуцируется только в первично зараженных клетках, не транспортируется по растению и не вызывает симптомов заболевания. Однако был показан транспорт вирусного антигена и субгеномных РНК в этих растениях, а при выдерживании зараженных растений при пониженной температуре (10-15оС) на инфицированных листьях формировались некрозы.

Наиболее хорошо изучены механизмы устойчивости сверхчувствительных растений. Образование локальных некрозов является типичным симптомом сверхчувствительной реакции растений в ответ на поражение патогеном. Они возникают в результате гибели группы клеток в месте внедрения патогена. Смерть инфицированных клеток и создание защитного барьера вокруг некрозов блокируют транспорт инфекционного начала по растению, препятствует доступу к патогену питательных веществ, вызывают элиминацию патогена, приводят к образованию антипатогенных ферментов, метаболитов и сигнальных веществ, которые активируют защитные процессы в соседних и отдаленных клетках, и в конечном итоге, способствуют выздоровлению растения. Гибель клеток происходит из-за включения генетической программы смерти и образования соединений и свободных радикалов, токсичных как для патогена, так и для самой клетки.

Некротизация инфицированных клеток сверхчувствительных растений, контролируемая генами патогена и растения-хозяина, является частным случаем программированной клеточной смерти (PCD – programmed cell death). PCD необходима для нормального развития организма. Так, она происходит, например, при дифференциации трахеидных элементов в ходе образования ксилемных сосудов и гибели клеток корневого чехлика. Эти периферические клетки погибают даже тогда, когда корни растут в воде, то есть гибель клеток является частью развития растения, а не вызвана действием почвы. Сходство между PCD и гибелью клеток при сверхчувствительной реакции заключается в том, что это два активных процесса, в некротизирующейся клетке также повышается содержание ионов кальция в цитоплазме, образуются мембранные пузырьки, увеличивается активность дезоксирибонуклеаз, ДНК распадается на фрагменты с 3’ОН концами, происходит конденсация ядра и цитоплазмы.

Помимо включения PCD, некротизация инфицированных клеток сверхчувствительных растений происходит в результате выхода фенолов из центральной вакуоли и гидролитических ферментов из лизосом вследствие нарушения целостности клеточных мембран и увеличения их проницаемости. Снижение целостности клеточных мембран обусловлено перекисным окислением липидов. Оно может происходить при участии ферментов и неферментативным путем в результате действия реактивных форм кислорода и свободных органических радикалов.

Одним из характерных свойств сверхчувствительных растений является приобретенная (индуцированная) устойчивость к повторному заражению патогеном. Были предложены термины: системная приобретенная устойчивость (systemic acquired resistance - SAR) и локальная приобретенная устойчивость (localized acquired resistance - LAR). О LAR говорят в тех случаях, когда устойчивость приобретают клетки в зоне, непосредственно примыкающей к локальному некрозу (расстояние примерно 2 мм). В этом случае вторичные некрозы совсем не образуются. Приобретенная устойчивость считается системной, если она развивается в клетках больного растения, удаленных от места первоначального внедрения патогена. SAR проявляется в снижении уровня накопления вирусов в клетках, уменьшении размеров вторичных некрозов, что свидетельствует об угнетении ближнего транспорта вируса. Не ясно, различаются ли между собой LAR и SAR или это один и тот же процесс, происходящий в клетках, расположенных на разном расстоянии от места первичного проникновения вируса в растение.

Приобретенная устойчивость, как правило, неспецифична. Устойчивость растений к вирусам вызывалась бактериальной и грибной инфекциями и наоборот. Устойчивость может индуцироваться не только патогенами, но и различными веществами.

Развитие SAR связано с распространением по растению веществ, образующихся в первично зараженных листьях. Было сделано предположение, что индуктором SAR является салициловая кислота, образующаяся при некротизации первично зараженных клеток.

При заболевании в растениях накапливаются вещества, повышающие их устойчивость к патогенам. Важную роль в неспецифической устойчивости растений играют антибиотические вещества – фитонциды, открытые Б. Токиным в 20-х годах 20 века. К ним относятся низкомолекулярные вещества разнообразного строения (алифатические соединения, хиноны, гликозиды с фенолами, спиртами), способные задерживать развитие или убивать микроорганизмы. Выделяясь при поранении лука, чеснока, летучие фитонциды защищают растение от патогенов уже над поверхностью органов. Нелетучие фитонциды локализованы в покровных тканях и участвуют в создании защитных свойств поверхности. Внутри клеток они могут накапливаться в вакуоли. При повреждениях количество фитонцидов резко возрастает, что предотвращает возможное инфицирование раненых тканей.

К антибиотическим веществам растений относят также фенолы. При повреждениях и заболеваниях в клетках активируется полифенолоксидаза, которая окисляет фенолы до высокотоксичных хинонов. Фенольные соединения убивают патогенны и клетки растения-хозяина, инактивируют экзоферменты патогенов и необходимы для синтеза лигнина.

Среди вирусных ингибиторов обнаружены белки, гликопротеины, полисахариды, РНК, фенольные соединения. Различают ингибиторы заражения, которые влияют непосредственно на вирусные частицы, делая их неинфекционными, или они блокируют рецепторы вирусов. Например, ингибиторы из сока свеклы, петрушки и смородины вызывали почти полное разрушение частиц вируса табачной мозаики, а сок алоэ вызывал линейную агрегацию частиц, что снижало возможность проникновения частиц в клетки. Ингибиторы размножения изменяют клеточный метаболизм, повышая тем самым устойчивость клеток, или угнетают вирусную репродукцию. В устойчивости растений к вирусам участвуют рибосом-инактивирующие белки (RIPs).

В сверхчувствительных растениях табака, пораженных вирусом табачной мозаики, были обнаружены белки, первоначально названные b-белками, а сейчас их обозначают как белки, связанные с патогенезом (PR-белки) или белки, ассоциированные с устойчивостью. Общепринятое название «PR-белки» предполагает, что их синтез индуцируется только патогенами. Однако эти белки образуются и в здоровых растениях при цветении и различных стрессовых воздействиях.

В 1999 году на основе аминокислотной последовательности, серологическим свойствам, энзимной и биологической активности была создана унифицированная для всех растений номенклатура PR-белков, состоящая из 14 семейств (PR-1 – PR-14). Некоторые PR-белки имеют протеазную, рибонуклеазную, 1,3-b-глюканазную, хитиназную активности или являются ингибиторами протеаз. Высшие растения не имеют хитина. Вероятно, что эти белки участвуют в защите растений от грибов, так как хитин и b-1,3-глюканы являются главными компонентами клеточных стенок многих грибов и хитиназа гидролизует b-1,3-связи хитина. Хитиназа может действовать также как лизоцим, гидролизуя пептидоглюканы клеточных стенок бактерий. Однако b-1,3-глюканаза может способствовать транспорту вирусных частиц по листу. Это объясняется тем, что b-1,3-глюканаза разрушает каллозу (b-1,3-глюкан), которая откладывается в клеточной стенке и плазмодесмах и блокирует транспорт вируса.

В состав PR-белков входят также низкомолекулярные (5 кДа) белки – модификаторы клеточных мембран грибов и бактерий: тионины, дефенсины и липидпереносящие белки. Тионины токсичны в условиях in vitro для фитопатогенных грибов и бактерий. Их токсичность обусловлена разрушающим действием на мембраны патогенов. Дефенсины обладают сильными антигрибными свойствами, но не действуют на бактерии. Дефенсины из растений семейств Brassicaceae и Saxifragaceae подавляли рост растяжением гиф грибов, но способствовали их ветвлению. Дефенсины из растений семейств Asteraceae, Fabaceae и Hippocastanaceae замедляли растяжение гиф, но не влияли на их морфологию.

При заражении растений патогенами увеличивается активность литического компартмента клеток чувствительных и сверхчувствительных растений. К литическому компартменту клеток растений относят мелкие вакуоли – производные эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи, функционирующие как первичные лизосомы животных, то есть содержащие гидролазы структуры, в которых нет субстратов для этих ферментов. Кроме этих вакуолей к литическому компартменту клеток растений относятся центральная вакуоль и другие вакуоли, эквивалентные вторичным лизосомам клеток животных, которые содержат гидролазы и их субстраты, а также плазмалемма и ее производные, в том числе парамуральные тела, и внеклеточные гидролазы, локализованные в клеточной стенке и в пространстве между стенкой и плазмалеммой.

ББК 28.57 Т22

Ответственный редакторчленкорреспондент РАНА.И. Гречкин

Рецензенты:

доктор биологических наук, профессорЛ.Х. Гордон доктор биологических наук, профессорЛ.П. Хохлова

Тарчевский И.А.

Сигнальные системы клеток растений / И.А. Тарчевский; [Отв. ред. А.Н. Гречкин]. -

М.: Наука, 2002. - 294 с: ил. ISBN 5-02-006411-4

Рассматриваются звенья информационных цепей взаимодействия патогенов и растений, включающие элиситоры, рецепторы элиситоров, G-белки, протеинкиназы и проте-инфосфатазы, факторы регуляции транскрипции, репрограммирование экспрессии генов и ответ клеток. Главное внимание уделяется анализу особенностей функционирования отдельных сигнальных систем клеток растений - аденилатциклазной, МАР-киназной, фосфатидатной, кальциевой, липоксигеназной, НАДФН-оксидазной, NO-синтазной и протонной, их взаимодействию и объединению в единую сигнальную сеть. Предлагается классификация патогениндуцированных белков по их функциональным признакам. Приводятся данные о трансгенных растениях с повышенной устойчивостью к патогенам.

Для специалистов в области физиологии растений, биохимиков, биофизиков, генетиков, фитопатологов, экологов, агробиологов.

По сети АК

Plant Cell Signaling Systems /1.A. Tarchevsky; . - M.: Nauka, 2002. - 294 p.; il. ISBN 5-02-006411-4

The book discussed the members of signaling chains of interplay of pathogens and plant-host, namely elicitors, receptors, G-proteins, protein kinases and protein phosphatases, transcription factors reprogramming of genes expression, cell response. The main part of the book is devoted to functioning of separate cell signaling systems: adenylate cyclase, MAP kinase, phosphatidate, calcium, lipoxy-genase, NADPH-oxidase, NO-synthase, protons systems. The concept of interconnections of cell signaling systems and their integration to general cell signaling network is developing. The author has preposed the classification of pathogen-related proteins according to their function properties. The data on transgenic plants with the increased resistance to pathogens are presented.

For physiologists, biochemists, biophysicists, genetics, phytopathologists, ecologists, and agrobiologists

ISBN 5-02-006411-4

(художественное оформление), 2002

В последние годы стремительно развиваются исследования молекулярных механизмов регуляции экспрессии генов под влиянием изменения условий существования. В клетках растений было обнаружено существование сигнальных цепей, которые с помощью специальных белков-рецепторов, в большинстве случаев расположенных в плазмалемме, воспринимают сигнальные импульсы, преобразуют, усиливают и передают их в геном клетки, вызывая репрограммирование экспрессии генов и изменения в обмене веществ (в том числе кардинальные), связанные с включением ранее "молчавших" и выключением некоторых активных генов. Значимость сигнальных систем клеток была продемонстрирована при изучении механизмов действия фитогормонов. Была также показана определяющая роль сигнальных систем в формировании адаптационного синдрома (стресса), вызванного действием на растения абиотических и биотических стрессоров.

Отсутствие обзорных работ, в которых анализировались бы все звенья различных сигнальных систем, начиная с характеристики воспринимаемых сигналов и их рецепторов, преобразования сигнальных импульсов и передачи их в ядро и кончая драматическими изменениями в обмене веществ клеток и их структуре, заставили автора предпринять попытку восполнить этот пробел с помощью предлагаемой вниманию читателей книги. Необходимо учитывать, что исследование информационного поля клеток еще очень далеко от завершения и многие детали его структуры и функционирования остаются недостаточно освещенными. Все это привлекает новых исследователей, для которых обобщение публикаций по сигнальным системам клеток растений будет особенно полезным. К сожалению, не все обзоры

статьи экспериментального характера вошли в список литературы, что в определенной степени зависело от ограниченности объема книги и времени для ее подготовки. Автор приносит извинения коллегам, чьи исследования не были отражены в книге.

Автор выражает благодарость своим сотрудникам, принимавшим участие в совместном исследовании сигнальных систем клеток растений. Особую признательность автор выражает профессору Ф.Г. Каримовой, кандидатам биологических наук В.Г. Яковлевой и Е.В. Асафовой, А.Р. Муха-метшину и доценту Т.М. Николаевой за помощь в подготовке рукописи к печати.

Работа выполнена при финансовой поддержке фонда Ведущей научной школы РФ (гранты 96-15-97940 и 00-15-97904) и Российского фонда фундаментальных исследований (грант 01-04-48-785).

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших проблем современной биологии является расшифровка механизмов реагирования прокари-отических и эукариотических организмов на изменения условий их существования, особенно на действие экстремальных факторов (стресс-факторов, или стрессоров), вызывающих у клеток состояние стресса.

В процессе эволюции у клеток выработались приспособления, позволяющие воспринимать, преобразовывать и усиливать приходящие из окружающей среды сигналы химической и физической природы и с помощью генетического аппарата реагировать на них, не только адаптируясь к изменившимся условиям, перестраивая свои обмен веществ и структуру, но и выделяя различные летучие и нелетучие соединения во внеклеточное пространство. Одни из них выполняют роль защитных веществ против патогенов, другие могут рассматриваться в качестве сигнальных молекул, вызывающих ответ других клеток, расположенных на большом расстоянии от места действия на растения первичного сигнала.

Можно считать, что все эти адаптивные события происходят в результате изменений в информационном поле клеток. Первичные сигналы с помощью различных сигнальных систем вызывают реакцию со стороны генома клеток, проявляющуюся в репрограммировании экспрессии генов. По сути дела, сигнальные системы регулируют работу основного вместилища информации - молекул ДНК. С другой стороны, они сами находятся под контролем генома.

Впервые в нашей стране целенаправленно исследовать сигнальные системы клеток начали Е.С. Северин [Северин, Кочеткова, 1991] на животных объектах и О.Н. Кулаева [Кулаева и др., 1989; Kulaeva,1990; Kulaeva et al., 1992; Кулаева, 1995;

Бурханова и др., 1999] - на растительных.

В представляемой вниманию читателей монографии содержится обобщение результатов изучения влияния биотических стрессоров на функционирование сигнальных систем клеток растений. В настоящее время интенсивно исследуются МАР-киназная, аденилатциклазная, фос-фатидатная, кальциевая, липоксигеназная, НАДФН-окси-дазная, NO-синтазная и протонная сигнальные системы и их роль в онтогенетическом развитии растений и в формировании ответа на изменяющиеся условия существования, особенно на действие различных абиотических и биотических стрессоров. Автор решил сосредоточить внимание лишь на последнем аспекте этой проблемы - на молекулярных механизмах ответа растений на действие патогенов, тем более что в этот ответ вовлечен целый ряд фито-гормонов и выяснение особенностей взаимодействия с ними сигнальных систем клеток растений привлекает большое внимание исследователей.

Воздействие биотических стрессоров приводит к ответу растений, в основных чертах сходному с ответом на абиотические стрессоры . Он характеризуется совокупностью неспецифических реакций, что и позволило называть его адаптационным синдромом, или стрессом. Естественно, что могут обнаруживаться и специфические черты ответа, зависящие от вида стрессора, однако с усилением меры его воздействия на первый план все в большей степени начинают выступать неспецифические изменения [Меерсон, 1986; Тарчевский, 1993]. Наибольшее внимание им было уделено Н.С. Введенским (представления о парабиозе), Д.С. Насоновым и В.Я. Александровым (представления о паранекрозе), Г. Селье - в работах, посвященных стрессу у животных, В.Я. Александровым - в исследованиях молекулярных основ стресса.

К числу наиболее значительных неспецифических изменений при биотическом стрессе можно отнести следующие:

1. Фазность в развертывании во времени ответа на действие патогена.

2. Усиление катаболизма липидов и биополимеров.

3. Повышение в тканях содержания свободных радикалов.

4. Подкисление цитозоля с последующей активацией протонных помп, что возвращает рН к исходному значению.

5. Повышение в цитозоле содержания ионов кальция с последующей активацией кальциевых АТФаз.

6. Выход из клеток ионов калия и хлора.

7. Падение мембранного потенциала (на плазмалемме).

8. Снижение общей интенсивности синтеза биополимеров и

9. Прекращение синтеза некоторых белков.

10. Усиление синтеза или синтез отсутствовавших так называемых патогениндуцируемых защитных белков (хитиназ, (3-1,3-глюканаз, ингибиторов протеиназ и др.).

11. Интенсификация синтеза укрепляющих клеточные стенки компонентов - лигнина, суберина, кутина, каллозы, богатого оксипролином белка.

12. Синтез антипатогенных нелетучих соединений -

фитоалексинов.

13. Синтез и выделение летучих бактерицидных и фунгицидных соединений (гексеналей, ноненалей, терпенов и

Др->- 14. Усиление синтеза и повышение содержания (или по

явление) стрессовых фитогормонов - абсцизовой, жасмоновой, салициловой кислот, этилена, гормона пептидной природы системина.

15. Торможение фотосинтеза.

16. Перераспределение углерода из |4 СО2 , усвоенного в процессе фотосинтеза, среди различных сое динений - уменьшение включения метки в высокополимерные соединения (белки, крахмал) и сахарозу и усиление (чаще относи тельное - в процентах от усвоенного углерода) - в аланин, малат, аспартат [Тарчевский, 1964].

17. Усиление дыхания с последующим его торможением. Активация альтернативной оксид азы, изменяющей направленность электронного транспорта в митохондриях.

18. Нарушения ультраструктуры - изменение тонкой гранулярной структуры ядра, уменьшение числа полисом и диктиосом, набухание митохондрий и хлоропластов, умень шение в хлоропластах числа тилакоидов, перестройка цито-

скелета .

19. Апоптоз (программируемая смерть) клеток, подверг шихся воздействию патогенов, и соседних с ними.

20. Появление так называемой системной неспецифиче

ской устойчивости к патогенам в удаленных от места воздействия патогенов участках (например, метамерных органах) растения.

Многие из перечисленных выше изменений являются следствием "включения" стрессорами относительно небольшого числа неспецифических сигнальных систем.

По мере все более глубокого изучения механизмов ответных реакций растений на действие патогенов обнаруживаются новые неспецифичные ответные реакции клеток растений. К ним относятся и неизвестные ранее сигнальные пути.

При выяснении особенностей функционирования сигнальных систем необходимо иметь в виду, что эти вопросы являются частью более общей проблемы регуляции функционирования генома. Следует заметить, что универсальность структуры основных носителей информации клеток различных организмов - ДНК и генов - предопределяет унификацию и тех механизмов, которые обслуживают реализацию этой информации [Гречкин, Тарчевский, 2000]. Это касается репликации ДНК и транскрипции, структуры и механизма действия рибосом, а также механизмов регуляции экспрессии генов изменяющимися условиями существования клеток с помощью набора в значительной степени универсальных сигнальных систем. Звенья сигнальных систем также в основном унифицированы (природа, найдя в свое время оптимальное структурное и функциональное решение биохимической или информационной задачи, сохраняет и тиражирует его в процессе эволюции). В большинстве случаев самые разнообразные химические сигналы, поступающие из окружающей среды, улавливаются клеткой с помощью специальных "антенн" - рецепторных белковых молекул, пронизывающих клеточную мембрану и выступающих над ее поверхностями с наружной и внутрен-

ней стороны. Несколько типов строения этих рецепторов унифицированы у клеток растений и животных. Некова -лентное взаимодействие внешнего участка рецептора с той или иной сигнальной молекулой, поступающей из среды, окружающей клетку, приводит к изменению конформации рецепторного белка, которое передается на внутренний, ци-топлазматический участок. В большинстве сигнальных систем с ним контактируют посреднические G-белки - еще одно унифицированное (по своим структуре и функциям) звено сигнальных систем. G-белки выполняют функции преобразователя сигналов, передавая сигнальный конформаци-онный импульс на стартовый фермент, специфичный для той или иной сигнальной системы. Стартовые ферменты одного типа сигнальной системы у различных объектов также универсальны и имеют протяженные участки с одной и той же последовательностью аминокислот. Одним из важнейших унифицированных звеньев сигнальных систем являются протеинкиназы (ферменты, переносящие концевой остаток ортофосфорной кислоты с АТФ на те или иные белки), активируемые продуктами стартовых сигнальных реакций или их производными. Фосфорилированные с помощью протеинкиназ белки являются следующими звеньями сигнальных цепей. Еще одно унифицированное звено сигнальных систем клеток - это белковые факторы регуляции транскрипции, которые представляют собой один из субстратов протеинкиназных реакций. Структура этих белков также в значительной степени унифицирована, а модификации структуры определяют принадлежность факторов регуляции транскрипции к той или иной сигнальной системе. Фосфорилирование факторов регуляции транскрипции обусловливает изменение конформации этих белков, их активацию и последующее взаимодействие с промоторным участком определенного гена, что приводит к изменению интенсивности его экспрессии (индукции или репрессии), а в крайних случаях - к "включению" некоторых молчавших генов или "выключению" активных. Репрограммирование экспрессии совокупности генов генома вызывает изменение соотношения белков в клетке, что и является основой ее функционального ответа. В отдельных случаях химический сигнал из внешней среды может взаимодействовать с рецептором, расположенным внутри клетки - в цитозоле или да-

Рис. 1. Схема взаимодействия внешних сигналов с рецепторами клетки

1 , 5 , 6 - рецепторы, расположенные в плазмалемме; 2 ,4 - рецепторы, находящиеся в цитозоле; 3 - стартовый фермент сигнальной системы, локализованный в плазмалемме; 5 - рецептор, активирующийся под влиянием неспецифического изменения структуры липидной составляющей плазмалеммы; СИБ - сигналиндуцированные белки; ФРТ -белковые факторы регуляции транскрипции; i|/ - изменение мембранного потенциала

же ядре (рис. 1). В клетках животных такими сигналами являются, например, стероидные гормоны. Этот информационный путь имеет меньшее число интермедиатов, в связи с чем у него и меньше возможностей для регуляции со стороны клетки.

В нашей стране всегда уделялось большое внимание проблемам фитоиммунитета. Этой проблеме посвящен ряд монографий и обзоров отечественных ученых [Сухоруков, 1952; Вердеревский, 1959; Вавилов, 1964; Горленко, 1968; Рубин и др., 1975; Метлицкий, 1976; Токин, 1980;

Метлиц-кий и др., 1984; Метлицкий, Озерецковская, 1985; Курсано-ва, 1988; Ильинская и др., 1991; Озерецковская и др., 1993; Кораблева, Платонова, 1995; Чернов и др., 1996; Тарчев-ский, Чернов, 2000].

В последние годы особое внимание уделяется молекулярным механизмам фитоиммунитета. Было показано, что

при инфицировании растений включаются различные сигнальные системы, которые воспринимают, умножают и передают сигналы от патогенов в генетический аппарат клеток, где происходит экспрессия защитных генов, позволяющая растениям организовать как структурную, так и химическую защиту от патогенов. Успехи в этой области связаны с клонированием генов, расшифровкой их первичной структуры (в том числе промоторных участков), структуры кодируемых ими белков, использованием активаторов и ингибиторов отдельных звеньев сигнальных систем, а также мутантов и трансгенных растений с внедренными генами, отвечающими за синтез участников рецепции, передачи и усиления сигналов. В исследовании сигнальных систем клеток растений важную роль играет конструирование трансгенных растений с промоторами генов белков-участников сигнальных систем.

В настоящее время сигнальные системы клеток растений при биотическом стрессе наиболее интенсивно изучаются в Институте биохимии им. А.Н. Баха РАН, Казанском институте биохимии и биофизики РАН, Институте физиологии растений РАН, Пущинском филиале Института биоорганической химии РАН, центре "Биоинженерия" РАН, Московском и Санкт-Петербургском государственных университетах, Всероссийском научноисследовательском институте сельскохозяйственной биотехнологии РАСХН, Всероссийском научноисследовательском институте фитопатологии РАСХН и др.

Проблема расшифровки молекулярных механизмов биотического стресса, в том числе роли в его развитии сигнальных систем, объединила на протяжении последних десяти с лишним лет физиологов и биохимиков растений, микробиологов, генетиков, молекулярных биологов, фитопатологов. Публикуется большое количество экспериментальных и обзорных статей по различным аспектам этой проблемы (в том числе в специальных журналах:

"Physiological and Molecular Plant Pathology", "Molecular Plant - Microbe Interactions", "Annual Review of Plant Physiology and Pathology"). В то же время в отечественной литературе отсутствует обобщение работ, посвященных сигнальным системам клеток, что и привело автора к необходимости написания предлагаемой читателям монографии.

ПАТОГЕНЫ И ЭЛИСИТОРЫ

Болезни растений вызывают тысячи видов микроорганизмов, которые можно разделить на три группы : вирусы (более 40 семейств) и вироиды; бактерии (Agrobacterium, Corynebacterium, Erwinia, Pseudomonas, Xanthomonas, Streptomyces) и

микоплазмоподобные микроорганизмы; грибы (низшие:

Plasmodiophoromycetes, Chitridomycetes, Oomycetes: высшие: Ascomycetes, Basidi-omycetes, Deuteromycetes).

тез з ащитных ферментов: фенилаланин -аммиак-лиазы

И анионной пероксидазы . Бескрылые формы, относящиеся к этому подклассу, появились в результате утраты этих органов в процессе эволюции крылатых форм. Подкласс насчитывает 20 отрядов насекомых, среди которых имеются полифаги, не обладающие специфичностью по отношению к растению, олигофаги и монофаги, у которых ярко выражена специфичность взаимодействия патогена и растения-хозяина. Одни насекомые питаются листьями (всей листовой пластинкой или скелети-руя лист), другие - стеблями (в том числе выгрызая стебель изнутри), завязями цветов, плодами, корнями. Тли и цикады высасывают сок из проводящих сосудов с помощью хоботка или стилета.

Несмотря на принимаемые меры борьбы с насекомыми, продолжает оставаться злободневной проблема уменьшения причиняемого ими вреда. В настоящее время свыше 12% урожая сельскохозяйственных растений на планете теряется в результате атаки на них патогенных микроорганизмов,

нематод и насекомых .

Повреждение клеток приводит к деградации их содержимого, например высокополимерных соединений, и появлению олигомерных сигнальных молекул. Эти "обломки кораблекрушения" [Тарчевский, 1993] достигают соседних клеток и вызывают в них защитную реакцию, включающую изменение экспрессии генов и образования кодируемых ими защитных белков. Часто механическое повреждение растений сопровождается их инфицированием, так как открывается раневая поверхность, через которую в растение проникают патогены. Кроме того, в ротовых органах насекомых могут обитать фитопатогенные микроорганизмы. Известно, например, что переносчиками микоплазмен-ной инфекции являются цикады, у которых взрослые формы и личинки питаются соком ситовидных сосудов растений, прокалывая хоботком-стилетом покровы листьев и

Рис. 2. Схема взаимодействия клетки патогена с растением -хозяином / - кутиназа; 2 - продукты деградации компонентов кутикулы (возможно,

обладающие сигнальными свойствами); 3 - (3-глюканаза и другие гликозилазы, экскретируемые патогеном; 4 - элиситоры - фрагменты клеточной стенки (КС) хозяина; 5 - хитиназы и другие гликозилазы, действующие разрушающе на КС патогена; 6 - элиситоры - фрагменты КС патогена; 7 - фитоалексины - ингибиторы протеиназ, кутиназ, гликози-лаз и других ферментов патогена; 8 - токсические вещества патогена; 9 - укрепление КС хозяина за счет активации пероксидаз и усиления синтеза лигнина, отложения оксипролиновых белков и лектинов; 10 - индукторы сверхчувствительности и некроза соседних клеток; // - продукты деградации кутина, действующие на клетку патогена

молодых стеблей. Розанная цикадка, в отличие от других представителей цикадовых, высасывает содержимое клеток. Цикады производят меньшее повреждение тканей растений, чем листогрызущие насекомые, тем не менее растения могут на него реагировать так же, как на сопряженное с ним инфицирование растений.

При контакте с растениями клетки патогенов выделяют различные соединения, обеспечивающие их проникновение в растение, питание и развитие (рис. 2). Некоторые из этих соединений являются токсинами, которые патогенные микроорганизмы выделяют для ослабления сопротивляемости хозяина. В настоящее время описано более 20 хозяинспецифичных токсинов, продуцируемых патогенными грибами.

Рис. 3. Фитотоксичное соединение из Cochlio-bolus carbonum

Бактерии и грибы образуют также неселективные токсины, в частности фузикокцин, эрихосетен, коронатин, фазе-олотоксин, сирингомицин, табтоксин .

Один из хозяин-специфичных токсинов, выделяемых

Pyrenophora triticirepentis, - это белок 13,2 кДа, другие являются продуктами вторичного метаболизма, имеющими самую разнообразную структуру - это поликетиды, терпено-иды, сахариды, циклические пептиды и т.д.

Как правило, к последним относятся пептиды, синтез которых происходит вне рибосом и которые содержат остатки D- аминокислот. Например, хозяин-специфичный токсин из Cochliobolus carbonum имеет тетрапептидную циклическую структуру (D-npo-L-ana-D-ana-L-A3JJ), где последняя аббревиатура означает 2-амино-9,10-эпокси-8-оксо-де-каноевую кислоту (рис. 3). Токсин образуется в клетках патогена с помощью токсинсинтазы. Устойчивость к этому соединению у кукурузы зависит от гена, кодирующего НАДФН-зависимую карбонил-редуктазу, восстанавливающую карбонильную группу, что приводит к

деактивации токсина. Оказалось, что в организме растения-хозяина токсин вызывает ингибирование гистон-деацетилаз и, как следствие, сверхацетилирование гистонов. Это подавляет защитный ответ растения, вызываемый инфицированием патогенами .

Другой тип соединений, выделяемых патогенами, получил название элиситоров (от англ. elicit - выявлять, вызывать). Собирательный термин "элиситор" был предложен впервые в 1972 г. для обозначения химических сигналов, возникающих в местах инфицирования растений патогенными микроорганизмами, и получил широкое распространение.

Элиситоры играют роль первичных сигналов и приводят в действие сложнейшую сеть процессов индукции и регуляции фитоиммунитета. Это проявляется в синтезе защитных белков, нелетучих растительных антибиотиков - фитоалек-синов, в выделении антипатогенных летучих соединений и др. В настоящее время охарактеризована структура множества природных элиситоров. Некоторые из них продуцируются микроорганизмами, другие (вторичные элиситоры) образуются при ферментативном расщеплении высокополимерных соединений кутикулы и полисахаридов клеточных стенок растений и микроорганизмов, третьи представляют собой стрессовые фитогормоны, синтез которых в растениях индуцируется патогенами и абиогенными стрессорами. К числу важнейших элиситоров относятся белковые соединения, экскретируемые патогенными бактериями и грибами, а также белки оболочки вирусов . Наиболее изученными белковыми элиситорами можно считать небольшие (10 кДа), консервативные, гидрофильные, обогащенные цистеином элиситины, секретируе-мые всеми исследовавшимися видами

Phytophthora и Pythium . К ним относится, например, криптогеин .

Элиситины вызывают сверхчувствительность и отмирание инфицированных клеток, особенно у растений рода Nicotiana . Наиболее интенсивное образование фитофторой элиситинов происходит при росте ми-

Обнаружено, что элиситины способны переносить сте-ролы через мембраны, так как имеют стеролсвязывающий сайт . Многие патогенные грибы сами не могут синтезировать стеролы, что делает понятной роль элиситинов не только в питании микроорганизмов, но и в индуцировании защитной реакции растений. Из фитофторы был выделен гликопротеидный элиситор 42 кДа . Его активность и связывание с белковым рецептором плазмалеммы, мономерная форма которого представляет собой белок 100 кДа , обеспечивалась олигопептидным фрагментом из 13 аминокислотных остатков. Расоспецифичный элиситорный пептид, состоящий из 28 остатков аминокислот с тремя дисуль-фидными группами, удалось получить из фитопатогенного гриба Cladosporium fulvum , причем образовывался пептид из предшественника, содержавшего 63 аминокислоты. Этот фактор авиру-лентности обнаруживал структурную гомологию с рядом небольших пептидов, таких как ингибиторы карбоксипеп-тидазы и блокаторы ионных каналов , и связывался рецепторным белком плазмалеммы, по-видимому, вызывая его модуляцию, димеризацию и передачу сигнального импульса в сигнальные системы . Из более крупного пре-протеина Cladosporium fulvum, состоящего из 135 аминокислот, в ходе посттрансляционного процессинга образуется элиситорный белок, насчитывающий 106 аминокислот. Элиситорные белки, продуцируемые ржавчинным грибом Uromyces vignae, представляют собой два небольших полипептида 5,6 и 5,8 кДа, по свойствам непохожие на другие элиситины . Среди бактериальных белковых элиситоров наиболее изучены харпины

Многие фитопатогенные бактерии продуцируют элиситорные олигопептиды (созданы их синтетиче-

ские аналоги), соответствующие наиболее консервативным участкам белка - флагеллина ,

являющегося важным фактором вирулентности этих бактерий. Из Erwinia amylovora выделен новый элиситорный белок, С-область которого гомологична ферменту пектатлиазе, способной вызывать появление эли-ситорных олигомерных фрагментов - продуктов деградации пектина . Патогенная бактерия Erwinia carotovora экскретирует элиситорный белок харпин и ферменты пектатлиазу, целлюлазу, полигалактуроназу и протеазы, гидролизующие полимерные компоненты клеточных стенок растенияхозяина (см. рис. 2), в результате чего образуются олигомерные элиситорные молекулы . Интересно, что пектатлиаза, выделяемая Erwinia chrysanthemi ,

приобретала активность в результате внеклеточного процессинга. Некоторые липиды и их производные также относятся к

элиситорам, в частности 20-углеродные полиненасыщенные жирные кислоты некоторых патогенов - арахидоно-вая и эйкозапентаеновая [Ильинская и др., 1991; Озерец-ковская и др., 1993; Озерецковская, 1994; Гилязетдинов и др., 1995; Ильинская и др., 1996а, б; Ильинская, Озерец-ковская, 1998], и их оксигенированные производные. В обзорной работе [Ильинская и др., 1991] обобщаются данные об элиситорном действии на растения липидов (липопро-теинов), продуцируемых патогенными грибами. Оказалось, что элиситорным эффектом обладает не белковая часть липопротеинов, а их липидная часть, представляющая собой не свойственные для высших растений арахидоно-вую (эйкозатетраеновую) и эйкозопентаеновую кислоты. Они вызывали образование фитоалексинов, некротиза -цию тканей и системную устойчивость растений к различным патогенам. Продукты липоксигеназного превращения в тканях растений С20 жирных кислот (гидроперокси-, гидрокси-, оксо-, циклические производные, лейкотрие-ны), образующиеся в клетках растения-хозяина с помощью ферментного липоксигеназного комплекса (субстратами которого могут быть как С,8 , так и С20 полиеновые жирные кислоты), оказывали сильнейшее влияние на защитную реакцию растений. Это объясняется, по-видимому, тем, что в неинфицированных растениях нет оксиге-

нированных производных 20-углеродных жирных кислот, и их появление в результате инфицирования приводит к драматическим результатам, например к образованию некрозов вокруг инфицированных клеток, что создает барьер для распространения патогенов по растению.

Имеются данные, что индуцирование патогеном липоксигеназной активности приводило к формированию ответной реакции растения и в том случае, когда элиситор не содержал С20 жирных кислот и субстратом липоксигеназной активности могли быть только собственные С18 полиеновые жирные кислоты, а продуктами - октадеканоиды, а не эйкозаноиды. Элиситорными свойствами обладают также сиринголиды [Л et al., 1998] и цереброзиды - сфинголипид-ные соединения . Цереброзиды А и С, изолированные из Magnaporthe grisea, были наиболее активными элиситорами для растений риса. Продукты деградации цереброзидов (метиловые эфиры жирных кислот, сфинго-идные основания, гликозил-сфингоидные основания) не обнаруживали элиситорной активности.

Некоторые элиситоры образуются в результате действия на ткани растений гидролаз, выделяемых патогенами. Назначение гидролаз двоякое. С одной стороны, они обеспечивают питание патогенов, необходимое для их развития и размножения, с другой - разрыхляют механические барьеры, стоящие на пути проникновения патогенов в места их обитания в растениях.

Одним из таких барьеров является кутикула, состоящая главным образом из гетерополимера кутина, погруженного в воск. Обнаружено более 20 мономеров, из которых состоит кутин

Это различной длины насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты и спирты, в том числе гидроксилированные и эпокси-дированные, дикарбоксиловые длинноцепочечные кислоты и т.д. В кутине большинство первичных спиртовых групп участвует в образовании эфирных связей, так же как часть вторичных спиртовых групп, обеспечивающих сшивки между цепями и точки ветвления в полимере. Часть другого "барьерного" полимера - суберина, по составу близка к кутину. Главное его отличие в том, что свободные жирные кислоты являются основным компонентом субериновых восков, в то время как в кутине их очень мало. Кроме того, в суберине

присутствуют главным образом С22 и С24 жирные спирты, в то время как в кутине - С26 и С28 . Для преодоления поверхностного механического барьера растений многие патогенные грибы выделяют ферменты, гидролизу-ющие кутин и часть составляющих суберина. Продуктами кутиназной реакции были различные оксигенированные жирные кислоты и спирты , в основном 10,16- дигидрокси-Ск,- и 9,10,18-тригидрокси-С|8 -кислоты, представляющие собой сигнальные молекулы, индуцирующие в прорастающей споре гриба образование и выделение дополнительных количеств кутиназы, "разъедающих" кутин и облегчающих проникновение гриба внутрь растения. Было обнаружено, что лаг-период появления у гриба кутиназной мРНК после начала образования упомянутых выше ди- и триоксикислот составляет всего 15 мин, а выделения дополнительной кутиназы - в два раза больший. Повреждение гена кутиназы у Fusarium solani сильно снижало степень вирулентности этого гриба . Ингибирование кутиназы с помощью химических препаратов или антител предотвращало инфицирование растений. Предположение о том, что оксигенированные продукты деградации кути-на могут выступать в роли не только индукторов образования кутиназы у патогенов, но и элиситоров защитных реакций у растения-хозяина [Тарчевский, 1993], впоследствии подтвердилось .

После проникновения патогенных микроорганизмов через кутикулу одни из них перемещаются в проводящие пучки растений и используют для своего развития имеющиеся там питательные вещества, а другие транспортируются внутрь живых клеток хозяина. В любом случае патогены встречаются с еще одним механическим барьером - клеточными стенками, состоящими из различных полисахаридов и белков и в большинстве случаев укрепленными жестким полимером - лигнином [Тарчевский, Марченко, 1987; Tarchevsky, Marchenko, 1991]. Как уже упоминалось выше, для преодоления этого барьера и обеспечения своего развития углеводным и азотным питанием патогены выделяют ферменты, гидролизующие полисахариды и белки клеточных стенок.

Специальные исследования показали, что при взаимодействии бактерий и тканей растения-хозяина ферменты

деградации появляются не одновременно. Например, пектилметилэстераза присутствовала и в неинокулированных бактерией Erwinia carotovora subsp. atroseptia тканях клубней картофеля , тогда как полигалактуроназная, пектатлиазная, целлюлазная, протеазная и ксила-назная активности появлялись соответственно через 10, 14, 16, 19 и 22 ч после инокуляции.

Оказалось, что олигосахаридные продукты деградации полисахаридов клеточных стенок растений обладают элиситорными свойствами. Но активные олигосахариды могут образовываться и полисахаридами, входящими в со став клеточных стенок патогенов. Известно, что одним из способов защиты растений от патогенных микроорганизмов является образование после инфицирования и выделение за пределы плазмалеммы ферментов - хитиназы и β-1,3-глюканазы, гидролизующих полисахариды хитин и β-1,3-полиглюканы клеточных стенок патогенов, что приводит к подавлению их роста и развития. Обнаружено, что олигосахаридные продукты такого гидролиза являются и активными элиситорами защитных реакций растений. В результате действия олигосахаридов повышается устойчивость растений к бактериальной, грибной или вирусной инфекции .

Олигосахаридным элиситорам, их строению, активности, рецепторам, "включению" ими сигнальных систем клеток, индукции экспрессии защитных генов, синтезу фитоалексинов, реакции сверхчувствительности и другим ответам растений посвящен целый ряд обзорных статей .

В лаборатории Элберсгейма , а затем в ряде других лабораторий показано, что олигогликозиды, образующиеся в результате патогениндуцированной эндогликозидазной деградации гемицеллюлоз и пектиновых веществ растений, хитина и хитозана грибов, могут играть роль биологически активных веществ. Было даже предложено считать их новым классом гормонов ("олигосахаринов", в отличие от олигосахаридов, не обладающих активностью). Образование олигосахаридов в результате гидролиза полисахаридов, а не в ходе синтеза из моносахаридов было показано на примере