Структурная организация системы иммунитета у растений

Рассматривая иммунитет как общебиологический феномен, имеющий эволюционно выработанные особенности у двух основных царств многоклеточных живых существ – животных и растений, мы должны остановиться на понятии «иммунная система организма». Известно, что организмы животных и растений состоят примерно из 10 млн. генотипически идентичных клеток, которые в целом комплексе могут возникнуть и существуют при одном обязательном условии – наличии специальной системы распознавания и элиминации чужеродных или собственных мутировавших клеток и молекул. Такую функцию надзора за генотипическим и химико-функциональным постоянством совокупности соматических клеток несет иммунная система. Иммунологический контроль над внутренним постоянством многоклеточной популяции организма – это и есть главная функция иммунитета [2-5].

У человека и высших животных центральной фигурой иммунной системы является лимфоцит. Иммунная система – совокупность всех лимфоидных органов и скоплений лимфоидных клеток тела. Лимфоидная система организма в этом случае представляет собой морфологический синоним иммунной системы.

Растения как многоклеточные организмы на интервенцию патогена отвечают не только «выстрелом в него из каждой отдельной атакованной клетки», но также вовлекают во взаимодействие соседние и даже дистанционно удаленные клетки. Для этого они используют клеточные стенки, межклетники и всю сеть внепротоплазматического пространства – апопласт. Клеточные стенки, основу которых составляют переплетения целлюлозных фибрилл, обеспечивают диффузию молекул с той или иной скоростью в зависимости от их размера и физико-химических свойств подобно хроматографической бумаге. Некоторые сигнальные молекулы достигают сосудов флоэмы и перемещаются по ним далеко от очага инфекции.

Известно, что патогены бактериальной и грибной природы, за исключением вирусов, не проникают внутрь растительной протоплазмы, – в том числе и гаустории биотрофных грибов: они, вторгаясь в клетку хозяина, вдавливаются в его протоплазму, но находятся за пределами инвагинированной плазмалеммы. Для грибных и бактериальных патогенов зоной оккупации в организме растения всегда является некоторая часть внепротоплазматического пространства. В случае неэффективности антиинфекционного действия выделяемых в межклеточное пространство растительными протоплазмами лизосомальных гидролаз и оксидаз мембрана вакуоли разрывается и из гибнущей клетки на патогена обрушивается комплекс заключенных в главной лизосоме гидролаз и токсичных вторичных метаболитов.

В конце 20 в., когда автор данной статьи выполнял диссертационнуые исследования [28,29], в биологии еще продолжала существовать пародигма о глубоких, принципиальных отличиях между животными и растительными организмами в их способностях противостоять инфекции; об основных принципах этой пародигмы говорилось в 1 разделе. Однако главные направления нашей работы находились в русле идей Н.И. Вавилова [13,47], а потому основные положения ее, обосновываемые полученными экспериментальными данными, оказались близкими к позициям современной фитоиммунологии [203,212,217].

Прежде всего, – и это главное, – мы показали важнейшие структурно-функцио-нальные механизмы, лежащие в основе фитопатогенеза злаков к болезням грибной природы, био- и некротрофам, в альтернативных проявлениях: восприимчивости и устойчивости (нехозяинной, и расо-сорто-специфической) (рис. 2) [29].

Во-первых, мы детально исследовали эктофитный этап взаимодействия патогенных грибов с растениями и показали значение его как первой линии обороны в глубокоэшелонированной системе фитозащиты. Во-вторых, мы установили роль инфекционных структур патогенных грибов как выработанной в ходе совместной эволюции необходимой предпосылки для проникновения внутрь растительного организма и установления с ним паразитических отношений – эктофитных (у возбуди-

а) вакуоль межклеточная в) вакуоль межклеточная гифа

гифа ядро

МВТ 6 ядро

МВТ

ЭР ЭР

ломасома 6 зона апекса

экзоцитоз ломасома зона апекса

КС ПМ ПМ

6666 зона адгезии гидролазы6 КС

6индукция ионы (Н⁺, Са²⁺, РО₄^3-) •

666 МКГ перфорация • •

КС 6 • • •

ПМ • • экзогидролазы

ß экзоцитоз • • токсины

АТФаза * • •

эндоцитоз • • •

ядро Са²⁺ КС • • • • •

ЭР ДГ 6 МВТ ПМ папиллярные

6 • • • отложения

таксис АТФ • • (у устойчивых

клетка М • растений)

мезофилла ядро •

вакуоль разрывы ПМ и тонопласта ЭР ДГ •

(устойчивость и (у сверхчувствительного растения) ДГ

восприимчивость) ЭР

клетка •

б) ДГ ПМ шейка гаустория мезофилла ••

КС вакуоль •••••••••••••• • • •

Са²⁺ •••••••• тёмные отложения

клетка хозяина ЭР вакуоль (восприимчивость)

ПМ ядро

ЭГМа ПМ - плазмалемма, КС - клеточная стенка;

6 АТФ гаусторий М - митохондрии, ДГ - диктиосомы Гольджи;

ядро 6 м ЭР ЭР - эндоплазматический ретикулум;

МВТ - мультивезикулярное тело;

ЭР 6 6 экзоцитоз ЭГМа - экстрагаусториальный матрикс;

таксис Са²⁺ 6 6 эндоцитоз ЭГМе - экстрагаусториальная мембрана;

6 6 ß - цитоскелет;

аномальный экзоцитоз 6 * - инактивируемая АТФаза на ПМ;

фосфатаза 6 6 - кислая фосфатаза и др. лизосомальные

вакуоль 6ЭГМе гидролазы;

диффузия веществ • - токсины и/или внеклеточные ферменты.

Рис. 2. Характер мембранных взаимодействий между биотрофным (а, б) или некротрофным (в) патогенным грибом и злаковым растением в процессе объединения их в фитопатосистему (по результатам ультраструктурных, гисто- и цитохимических исследований – схема).

телей мучнистой росы), эндофитных (у возбудителей сетчатого гельминтоспориоза и ржавчины), биотрофных (у грибов Blumeria graminis, Puccinia graminis, Puccinia dispersa) и некротрофных (гриба Pyrenophora teres). В-третьих, мы обнаружили двухтактный режим взаимодействия патогенов (независимо от их паразитической природы) с растением-хозяином: на первом этапе патоген вызывает распознавание себя растением и индуцирует у него сходные защитные реакции, направленные на удержание возбудителя болезни в очаге проникновения; после преодоления тем или иным образом этой защиты хозяина патоген переходит ко второму этапу взаимодействия и осуществляет его либо с помощью секретируемых во внеклеточное пространство ферментов и токсинов, либо с помощью особых паразитических структур – гаусториев. Установленный нами механизм структурно-функционального взаимодействия между патогеном и растением [29] совпадает с работой посредством эффекторов PTI и ETI двухтактного фитозащитного комплекса, названного системой иммунитета растений [214-219]. В-четвертых, мы показали вовлеченность ядер, эндомембранных систем патогенного гриба и растения-хозяина в непосредственные цитофизиологические процессы их взаимоотношений и выявили активацию процессов экзо- и эндоцитоза в зоне сближения и контакта клеток противодействующих организмов. В-пятых, в очагах структурного взаимодействия мы выявили определенные изменения активности кислой фосфатазы – фермента, который является маркером лизосом, а также антагонистом фосфокиназ (в рецепции и передаче сигнала с поверхности клеток на ядро) (рис.3). Активность лизом в устойчивых растениях повышалась сильнее, чем в восприимчивых [29].

Рис. 3. Активность кислой фосфатазы в мезофилле ржи, пораженной Puccinia graminis: темный преципитат виден на клетках мезофилла и межклеточной гифе гриба и участвует во взаимодействии гаустория с экстрагаусториальной мембраной (на вставке).

В-шестых, установлено, что основной нишей обитания био- и некротрофных патогенных грибов, а также местом развития патологических и защитных реакций является апопласт – система межклетников и клеточных стенок растения, которые окружают отдельные протоплазмы, обеспечивают их биохимическое и функциональное взаимодействие, интегрируя в развивающийся многоклеточный организм. После проникновения патогена (гаустории биотрофных грибов внутри клеток хозяев остаются окруженными инвагинированной плазмалеммой и, следовательно, тоже находятся в апопласте) апопласт растения становится ареной сражений с применением литических, окислительных и других ферментных белков, токсинов, фенольных, терпеноидных, алкалоидных вторичных метаболитов, гормональных веществ, PR -белков. К этим веществам могут подключаться вещества из разрушающихся вакуолей. В многоклеточном организме растения апопласт поддерживает состояние физиологического гомеостаза [29,30,52,56,60,62,69,71,75].

Апопласт, по которому перемещаются в том или ином направлении вода, ионы, гормоны, физиологически активные вещества, токсины патогенов и т.п. соединения, представляет собой специфическую, но очень важную часть гомеостатической системы растений. Поскольку поддержание функционального равновесия в организме – атрибут иммунной системы, хорошо выраженный у высших животных и человека, то можно сказать, что система внепротоплазматического пространства (апопласт), наряду с внутрипротоплазматической лизосомально-вакуолярной (эндо-мембранной) системой – две главные составные части структурной организации специфической иммунной системы растений.

Хотя у растений в процессе эволюции не получила развития система гуморального иммунитета – накопление специфических пепти­дов – антител в ответ на появление высокомолекулярных соединений па­разита – антигенов, как это произошло у животных, у них имеются белки, связанные с патогенезом (Pathogenesis-related proteins – PR-белки), а также ферменты синтеза вторичных метаболитов, кодируемые семейством сцепленных R-генов и выполняющих функции защиты, аналогичные функциям, выполняемым множественным иммуноглобулинам млекопитающих [100,210].

Несмотря на различные молекулярные основы и пути их происхождения у животных и растений в обоих случаях высокая вариабельность генопродуктов позволяет быстро реагировать на заражение новыми вирулентными расами и видами паразитов как в очаге инвазии, так и на удалении от него [244-247].

Вышесказанное определяет наше понимание структурной организации системы иммунитета растений, включающей апопласт и лизосомально-вакуолярную (эндомембранную) систему как ее основные составные части. Данное представление о структурной организации системы фитоиммунитета объясняет механизмы функционирования как врожденного (клеточного) иммунитета, так и индуцированной устойчивости всего многоклеточного организма и является существенным дополнением и углублением получившей признание концепции J. Jones, J. Dangle [212]. Наше дополнение никоим образом не отвергает и не умаляет вклад ученых, исследовавших значение экстра- и интрапротоплазматических рецепторных белков растений и механизмы восприятия и передачи сигнала на ядерный геном.

Полученные нами экспериментальные данные и наше новое осмысление их, как мы это видим, занимает особое положение в совокупности имеющихся в мире научных сведений по проблеме фитоиммунитета и, делая акцент на его структурных основах, придает конкретизацию пониманию системы иммунитета растений и ее функциональных механизмов, что не сделано до настоящего времени никем.