Генетическая детерминированность взаимоотношений растений и патогенов

Генетические исследования взаимоотношений патогенов и пораженных ими растений, начались с работ шведского фитопатолога J. Eriksson [150] и его американского коллеги E. Stakman [151], открывших трофическую специализацию у ржавчинных грибов и наличие у них многих форм и рас, которые имеют наследственные детерминанты, обнаруживаемые с помощью растений-идентификаторов, а также по результатам скрещивания. Физиологической расой или расой по хозяину называют группу штаммов патогена, вирулентных к образцам рас­тений, имеющих одинаковые наследуемые признаки устойчивости.

Наследственные основы взаимоотношений организмов в фитопатосистемах изучали многие ученые [123-130,152,153], в том числе в Беларуси [131,154,155].

Голландский фитопатолог H. Flor, проводя генетический анализ льна на заболевание ржавчиной, обнаружил закономерность, которая легла в основу его концепции «ген-на-ген» и, таким образом, создал фундамент методологии, переводящей фитопатологические исследования с геномного уровня на генный [122].

Возникли модели взаимоотношений продуктов «комплементарных» генов хозяина и паразита, изображаемых в виде квадратных сеток (рис. 1а) [126], и был поставлен вопрос о необходимости изучения генетики партнеров только во взаимодействии – т.е. о межорганизменной генетике [125].

Возникновение межорганизменной генетики как отдельной дисциплины позволило связать биохимические исследования факторов устойчивости растений и вирулентности паразитов с генетическими исследованиями, т.е. перейти к анализу биохимических факторов устойчивости и вирулентности [125,128,132,133].

Из генетических данных следует, что несовместимость (unsusceptibility) вызывает только определенное сочетание комплементарных генов, а именно: взаимодействие продуктов доминантных генов устойчивости (R) растения и авирулентности (Avr) паразитического гриба, в то время как потеря либо изменение одним из партнеров (или обоими) доминантного гена меняет реакцию хозяина на совместимую (susceptibility) [126].

Наиболее простая биохимическая интерпретация этих данных заключается в предположении, что какие-то структуры растения-хозяина, синтезируемые под контролем доминантных генов устойчивости, узнают структуры или метаболиты паразита, контролируемые комплементарными доминантными аллелями генов вирулентности (генами авирулентности), как чужие и запускают реакции защиты [125,132]. Тогда в системе растение-патоген возникает полная несовместимость и происходит быстрая и сильная ответная защитная реакция, которая проявляется визуально как мелкие некротические пятна на листе; она получила название реакции сверхчувствительности [23]. Отсутствие у хозяина узнающей структуры (рецептора) вследствие изменения или потери гена устойчивости или отсутствие у паразита метаболита, связываемого рецептором, вследствие изменения или потери гена авирулентности приводит к тому, что паразит перестает узнаваться хозяином как чужой, реакции защиты не включаются (или включаются слишком поздно) и отношения между партнерами становятся совместимыми. Паразит успевает сформировать инфекционные гифы и гаустории, накопить достаточное количество питательных веществ и использовать их для образования новых спор, т.е. пройти полный паразитический цикл.

Поскольку авирулентность доминантна, часто возникающие рецессивные мута­ции в локусе авирулентности делают паразита вирулентным [100].

На основании данных, представленных в табл. 1а [126], можно зак­лючить, что продукты генов устойчивости (R-белки) настроены на узнавание выделяемых паразитами веществ, служащих для установления взаимоотношений с ним и называемые иммуномодуляторами. Они могут быть двух ти­пов: индукторы, или элиситоры, которые вызывают протекание защитных реакций, и супрессоры, или импедины, которые подавляют защитный эф­фект хозяина [22,133].

Элиситоры и иммуносупрессоры бывают неспецифическими, вызывающими соответственно включение и подавление защитных реакций как в устойчивых, так и в восприимчивых видах и сортах расте­ний, и специфическими,которые вызывают защитные и восприимчивые реакции только в устойчивых сортах растений.

Иммуносупрессоры можно классифицировать следующим образом (рис. 1) [18].

В роли элиситоров часто выступают биополимеры клеточных стенок патогенов и хозяев (хитин, глюканы, белки грибов, пектин, гемицеллюлозы растений) или продукты их ферментной деградации, а также содержащиеся в спорах грибов ненасыщенные жирные кислоты, белки жгутиков бактерий флагеллины, гидрофобные харпины (или hrp -белки – от слов h ypersensitive r eaction and p athogenicity), являющиеся частью фимбрий поверхности бактерий, белки вирусов – это биогенные элиситоры; ионы тяжелых металлов, некоторые гербициды, фенольные соединения – абиогенные элиситоры. Супрессорами часто бывают токсины некротрофных грибов, ферментные белки, полисахариды (маннаны, глюканы) [100]. Фимбрии, или пили, могут выполнять роль трубочек («игл шприца»), обеспечивающих перемещение молекул эффекторов из бактерий в заражаемые клетки животных и растений [156-159].

В экспериментах, проводимых на разных объектах, иногда выявлялись факты, не укладывающиеся в исходную концепцию Флора [122]. Во-1-х, элиситорные соединения обнаруживали у вирулентных и авирулентных рас и даже у непатогенных сапротрофных грибов. Во-2-х, эти элиситоры вызывали защитные реакции как у устойчивых, так и у восприимчивых сортов растений, в том числе у видов и сортов, не имеющих генов устойчивости к данному паразиту.

Неспецифичность большинства изолированных элиситоров патогенов привела многих биохимиков, занимающихся изучением механизмов иммунитета растений, к представлениям о том, что индукция паразитом защитных реакций и их протекание в растении неспецифичны. Специфична же супрессия (подавление) защитных реакций паразитом, отзывчивость хозяина на супрессор [22]. В соответствии с этим, диаллельная схема взаимодействия хозяина и паразита Флора могла быть «перевернутой», т.е. с обратным смыслом (табл. 1б) [126]. В некоторых комбинациях растение-патоген подобные схемы получили экспериментальное подтверждение, и специфические супрессоры были идентифицированы [100].

Клонирование Avr-генов патогенов и R-генов растений и изучение их свойств и функций позволило вместо слов элиситор или супрессор употреблять понятие эффектор [159]. Белковые эффекторы патогенов могут обладать свойствами ферментов: протеаз, липаз, фосфатаз, киназ, трансфераз, убиквитин-лигаз и могут модифицировать рецепторные молекулы хозяев [160-163]. Эффекторы с фосфатазной активностью, попадая на киназные сайты R-белков, обычно проявляют себя как супрессоры защитных реакций растений [164].

Было показано, что функцию супрессоров иммунных ответов растений могут выполнять токсины некротрофных грибов [165-167], к которым в широком понимании относят как экстрацеллюлярные ферментные белки, так и имеющие различную химическую природу другие физиологически активные вещества: фитогормоны, ингибиторы защитных реакций (импедины), собственно токсины (рис. 1). Молекулы токсинов, имеющие небольшую массу, по апопласту распространяются быстрее внеклеточных ферментных белков. Соединения с выраженными проявлениями токсического влияния на клетки растений могут быть как хозяин-неспецифическими, вызывающими повреждения многих растений – вивотоксины с относительно небольшой массой молекул, так и хозяин-специфическими, повреждающие сорта того или иного растения – патотоксины; они, как правило, еще более низкомолекулярные, чем вивотоксины. При этом хозяин-специфические патотоксины определяют характерные этиологические признаки инфекции, а хозяин-неспецифические вивотоксины влияют на степень и тяжесть поражения [165].

Таблица 1а [126]. Таблица 1б [126].

Генотипы паразита	Генотипы растения-хозяина R 1 R 1 r 1 r 1
Аvr1 Аvr1	Аvr1/ R 1 Аvr1/R 1 Susceptibility (=Compatibility)	Аvr1 / r 1 Аvr1 / r 1 Unsusceptibility (=Resistance)
avr1 avr1	avr1 /R 1 avr1 / R 1 Unsusceptibility (=Resistance)	avr1 / r 1 avr1 / r 1 Unsusceptibility (=Resistance)

Генотипы паразита	Генотипы растения-хозяина R 1 R 1 r 1 r 1
Аvr1 Аvr1	Аvr1 / R 1 Аvr1/ R 1 Unsusceptibility (=Resistance)	Аvr1 r 1/ Аvr1/ r 1 Susceptibility (=Compatibility)
avr1 avr1	avr1 / R 1 avr1/ R 1 Susceptibility (=Compatibility)	avr1 /r 1 avr1/ r 1 Susceptibility (=Compatibility)

Рис. 1 [18].

Появление в ходе совместной эволюции паразита и растения наследственных комплементарных систем, где доминантный ген авирулентности определяет характер взаимоотношений возбудителя заболеваний с растением-хозяином (его системой устойчивости) вовсе не нонсенс, а функционально оправданная ситуация. Делеция или мутация гена авирулентности, фенотипически проявляющаяся как вирулентность – одна из жизненно важных потребностей паразита, обеспечивающих его выживание [18]. Начавшиеся опыты по клонированию генов авирулентности фитопатогенов, подтвердили предположение о наличии специфических элиситоров, оперирующих в системе ген-на-ген, и о так называемых «плюс»-функциях генов авирулентности, т.е. что гены авирулентности на самом деле являются генами вирулентности, показывающими несовместимость с хозяином лишь в сочетании с доминантным геном устойчивости [100,168].