Специализация фитопатогенов к растениям-хозяевам

По типу питания микроорганизмы разделяют на сапро-, некро- и биотрофы [23]. Первые извлекают питательные вещества из мерт­вых тканей, являются сапрофитами, вторые и третьи – паразиты. Од­нако некротрофы, прежде чем оккупировать какой-либо участок растения, убивают его своими токсичными выделениями, т.е. фактически, как и са­протрофы, питаются содержимым мертвых клеток, а биотрофы извлекают питательные вещества непосредственно из живых клеток. Различия между ними заключаются в соотношении скоростей гибели зараженной ткани (некроза) и развития паразита в растении. Если некроз опережает распро­странение паразита, следовательно, тип питания некротрофпый, если же распространение паразита опережает некроз, – питание биотрофное. Существуют также переходные формы между некротрофами и биотрофами – гемибиотрофы, которые имеют смешанное питание [23].

Объектами наших исследований были фитопатогенные грибы с биотрофным типом паразитизма, развивающие мицелий как внутри стеблей и листьев пшеницы, ржи и межродового гибрида тритикале (Puccinia graminis Pers. и Puccinia dispersa Erikss et Henn) [28-71], так и на поверхности растений ржи (Blumeria graminis DC.) [29,30,51,76,77], а также с некротрофным (гемибиотрофным) типом паразитизма, развивающий эндофитный мицелий в листьях ячменя (Pyrenophora teres Drechs.) [29,30,43-45,69,79-83].

Результаты выполненных нами исследований показали, что при некротрофном паразитизме воздействие паразитического гриба на клетки хозяина более грубое, чем при биотрофном [28-30], некротрофный тип питания по источникам питательных веществ, в частности, получаемым из растений, является менее специали­зированным и, по-видимому, первичным.

Эволюцию типов пита­ния от сапротрофии к биотрофии легче проследить у почвенных грибов, среди которых можно обнаружить переходные виды.

Корни растений выделяют в окружающую среду большое число ме­таболитов, как полезных для почвенных микроорганизмов (сахара, аминокислоты), так и токсичных для них (фенолы, флавоноиды, таннины), концентрация кото­рых падает по мере удаления от корня. Вещества, выделяемые корнями в почву, определяют конкурентные взаимоотношения корневых систем разных видов – аллелопатия [84]. Микроорганизмы, приобретшие устойчи­вость к вредным метаболитам, получили возможность обитать вблизи корней, используя полезные.Микроорганизмы ризосферы растут в направлении градиента кон­центрации сахаров и других метаболитов, диффундирующих из корней, и формируют вблизи поверхности растения некоторый кворум, ощущение которого (Quorum Sensing – QS) помогает им перестраивать свои наследственные адаптации и вступать в отношения с растением. Например, происходит сгибание корневых волосков вокруг групп ризобиальных бактерий, ветвление корней около микоризных грибов [84-90].

Диффузия веществ резко усиливается после ранения поверхности корня. Более неспециализированная и примитивная группа некрогрофных паразитов –раневые некротрофы, по-видимому, возникли из ризосферных микроорга­низмов. Флавоноиды и некоторые другие фенольные соединения индуцируют формирование гаусториев у расте­ний-паразитов, а также требуются для инициации взаимоотношений корней с клубеньковыми бактериями, микоризообразующими грибами, участвуют в развитии системного иммунитета [91].

Фитопатогенные грибы и бактерии обладают большим набором ферментов, разрушающих углеводные полимеры клеточных стенок растений. С помощью этих ферментов паразит проникает в клетку и пита­ется ее содержимым, прежде всего продуктами деградации клеточной стенки, и легче продвигается в зараженной ткани растения. Обладая небольшой массой, токсины некротрофов быстро диффундируют по апопласту, опережая распространение внеклеточных ферментов и рост грибных гиф, и первыми вступают во взаимодействие с защитными структурами клеток растений. Внеклеточные ферменты у некротрофных паразитов настолько активны, что снимают стенку с большей части клетки; лишенный прочного каркаса разбухающий протопласт быстро теряет свои вещества, поглощаемые паразитом, и разрушается вследствие осмотических явле­ний; клетка погибает, теряя свои иммунные свойства. Наоборот, биотрофные патогены обладают очень ограниченным спектром экстрацеллюлярных ферментов и действие их проявляется строго локально и только на определенной стадии развития. На­пример, у возбудителя мучнистой росы злаковгидроли­тические ферменты выделяются только кончиком инфекционной гифы под аппрессорием и они активны только на расстоянии 0,1 мкм от гифы; аналогичные данные имеются и для ржавчинных грибов [92,94].

Большинство биотрофных грибов вызывают узколокальное растворе­ние клеточных стенок и через образующееся отверстие проникают в периплазматическое пространство, не разрывая плазмалеммы, впячивают ее и образуют расширен­ную или даже разветвленную структуру – гаусторий, окружен­ный экстра-гаусториальной мембраной [93-96]. Последняя является продолжением плазмалеммы, но несколько отличается от нее химическим составом (иначе окрашивается, не имеет интрамембранных включений, стеринов и АТФ-азной активности) и образует многочисленные инвагинации, сви­детельствующие об активном транспорте веществ через мембрану [97]. Между стенкой гаустория и экстрагаусториальной мембраной находится экстрагаусториальный матрикс, через который осу­ществляется обмен метаболитами и который защищает партнеров от взаим­ного отравления токсичными продуктами [94,95]. Таким образом, наряду с обыч­ной для грибов адсорбцией питательных веществ субапикальной частью гиф, биотрофы формируют специальные трофические органы – гаустории [30,95].

Биотрофные патогены могут образовывать гаустории с той или иной частотой в восприимчивых и устойчивых растениях-хозяевах и даже в растениях-нехозяевах, но в последних случаях нормальными органами паразитизма они не становятся. Это связано не с отсутствием или недостатком необходимых паразиту питательных веществ, но с их физиологической недоступностью, невозможностью извлечения их из растения с помощью эволюционно выработанных специфически адаптированных к хозяину цитофизиологических механизмов [62,96-99].

Биотрофы имеют более крупные конидии, чем сапротрофы, отличают­ся слабой активностью ферментов деграда­ции углеводных полимеров и утилизации аминного азота, высокой чувствительностью к антибиотиче­ским веществам сапротрофных микроорганизмов и, следовательно, низкой конкурентоспособностью с ними. Некротрофы занимают промежуточное положение [100].

Таким образом, у биотрофов мы видим стремление уйти от конкуренции с почвенными сапротрофами в свободную ни­шу – живое растение, недоступное для большинства микроорганизмов из-за иммунных свойств живой клетки, и увеличить существование паразита в тканях растения вследствие локального мягкого токсического действия.