Лекция: О развитии и использовании исследований по фитоиммунитету.

Можно прогнозировать два главных направления: 1) по экологизации мер защиты сельскохозяйственных культур от инфекций, 2) по применению растений, их тканей и метаболитов для фармакогностических и биомедицинских целей.

Решение этих задач требует существенного изме­нения представлений о природе растительного организма и его отношений с внешней средой. В рамках классических физиологических представлений расте­ние представляли как сложный химический реактор, который, используя солнечную энергию, превращает неорганические вещества в органические [248]. «Физиологическая экология» расценивает продуктивность растений как проявление их нормы реакции на действие абиотических фак­торов среды – освещенности, влажности, температуры, химического со­става почвы, особенностей климата [249].

По мере развития биоценотических представлений становится оче­видным, что растения несут функцию первичных продуцентов в экосистемах, прежде всего благодаря взаимодействиям с их биотическими компонентами [250]. Среди них центральное место занимают микроорганизмы, которые являются для растений донорами широкого круга адаптивно зна­чимых функций, связанных с почвенным питанием и защитой от биотических стрес­сов. Высокая экологическая эффективность этих отношений определяется тем, что растения создают на своих поверхностях, в тканях и клетках спе­циализированные ниши для микроорганизмов, образуя в совокупности с ними многокомпонентные симбиотичсские сообщества, которые и выпол­няют функции продуцентов, а в значительной степени – и редуцентов ор­ганического вещества в экосистемах [250,251].

До недавнего времени в агробиологии господствовала парадигма ин­тенсивных технологий, которая предполагала максимальное приближение сельского хозяйства к промышленному производству. Основой этого счи­талось управление развитием культивируемых организмов, в первую оче­редь растений, с помощью агрохимикатов (минеральные удобрения, пести­циды) и агротехнических приемов. В соответствии с этим проводилась и селекция растений, например на способность к эффективному усвоению удобрений. Эти подходы позволили резко повысить продуктивность ос­новных сельскохозяйственных культур, однако, к сожалению, «зеленой ре­волюции» не предшествовала адекватная оценка ее экологических послед­ствий. Платой за неумеренное использование интенсивных агротехнологий стало беспрецедентное ухудшение глобальной экологической обстановки: загрязнение окружающей среды, утрата естественного плодородия почв, снижение биоразнообразия природных экосистем и резкое ухудшение ус­ловий жизни народонаселения практически всех регионов мира.

Поэтому в конце XX в. была сформулирована концепция адаптивного сельского хозяйства (Sustainable Agriculture – SA), которое обеспечи­вает получение продукции путем использования биологических возможно­стей самих культивируемых организмов при минимальной антропогенной нагрузке на агроценозы. В применении к растениеводству это означает, что решение растением своих основных экологических задач – питания и ус­тойчивости к вредителям, должно осуществляться при минимальном вне­сении удобрений и средств защиты, поскольку функции агрохимикатов вы­полняются в рамках симбиотических связей растений с микроорганизмами. Однако использование этого подхода ограничивается тем, что современные сорта интенсивного типа в силу своих генетических особенностей, как правило, не способны к полноценному взаимодействию с полезной микро­флорой. Так, у большинства бобовых потенциал симбиогической азотфиксации, проявляемой в оптимальных для нее условиях, в 3-4 раза превышает уровень, реально достигаемый в производственных условиях [250,252].

Очевидно, что для реализации симбиотического потенциала растений необходима серьезная перестройка их селекции и генной инженерии: био­технологи должны перейти от создания сортов интенсивного типа, ориенти­рованных на использование минеральных удобрений и химических средств защиты, к конструированию «адаптивных» сортов, развивающих высокую продуктивность на основе симбиотических связей, сформировавшихся в хо­де длительной коэволюции растений с окружающими организмам,

Исходя из накопленных к настоящему времени знаний о механизмах развития, генетического контроля и эволюции микробно-растительных симбиозов могут быть сформулированы основные принципы работы по их генетическому улучшению: а) максимально широкое использование био­разнообразия дикорастущих и мало окультуренных форм растений, сохра­нивших природный симбиотический потенциал; б) координированная се­лекция растений и микроорганизмов. Продуктивность этих подходов уже показана с использованием методов традиционной селекции на примере широко возделываемых бобовых культур, включая горох, сою, фасоль, лю­церну. Существенная интенсификация этой работы может быть достигнута благодаря использованию биохимических методов: например, путем отбо­ра бобовых растений на повышение активности клубенек-специфичных ферментов азотно-углеродного обмена, а также интенсивности выделения флавоноидов – индукторов клубенькообразования [87,88].

Не вызывает сомнений, что будущее селекции симбиотических сис­тем связано с молекулярными методами, которые активно применяются для анализа тонких механизмов микробно-растительных взаимодействий [135-138,252]. Основными направлениями биоинженерии симбиозов должны стать: оп­тимизация сигнальных взаимодействий партнеров (повышение специфич­ности симбиоза, направленное на исключение из инокуляции малоактив­ных «местных» микроорганизмов), а также системной регуляции симбио­за, которое может обеспечить, например, интенсивное использование растениями N: в присутствии азотных удобрений. Подходить к конструи­рованию новых микробно-растительных систем следует комплексно, осу­ществляя его на разных уровнях и с использованием различных новых подходов.

Для повышения болезнеустойчивости растений могут использоваться раз-личные соединения: макро- и микроэлементы, фунгициды, инсектициды, антибиотические и ро­стовые вещества, продукты жизне­деятельности фитопатогенных организмов, их ослаблен­ные и вирулентные культуры, сыворотки от животных, иммунизированных растительными патогенами и др. [222,223].

Многие из устойчивых сортов, особенно урожайные и высококачественные, со временем становятся воспри­имчивыми к фитопатогенным микроорганизмам. ISR обладает рядом преимуществ перед разра­ботанными методами защиты растений с использованием пестицидов и селекции. Иммунизация эффективна про­тив заболеваний, вызываемых вирусами, бактериями и грибами, носит сис-темный характер, но в отличие от системных фунгицидов стабильна, активизи-рует не­сколько различных механизмов устойчивости и тем са­мым препятствует быстрому возникновению новых рас. Действие ее в растении про­является только при контакте с патогенами на протяже­нии всего онтогенеза. Использова­ние химических индукторов устойчивости снижает остаточное количество пестицидов в сельскохозяйствен­ной продукции и загрязнение экосистемы [253].

Фенольным соединениям в вопросах фитоиммунитета при­дается особое значение [112,113,238]. Лигнификация растительных клеточных стенок может создавать не­благоприятные условия для патогенных грибов, обусловливая высо­кую токсичность фенольных предшественников лигнина и свободных радикалов, возникающих при грибной делигнификации, связы­вание экзоферментов грибов клеточными стенками, обогащенными дубильными и иными фенольными веществами, и в целом повышение устой­чивости клеточных стенок хо­зяина к действию грибных гидролаз. Защитное действие фенолов определяется не столько их непосредственной токсичностью по отношению к возбу­дителям заболеваний растений, сколько связано с теми превращениями, которые они претерпевают под дейст­вием ферментов, в основном полифенолоксидазы и пероксидазы. Эти превращения могут привести к образованию соединений, обладающих способностью тормозить или даже полностью подавлять развитие патогенов.

Эфективный биоконтроль фитопатогенов осуществ­ляют микроорганизмы, создающие защитные барьеры на поверхности корней [253-257]. В частности, агентами такой защиты являются бактерии рода Pseudomortas (P. fluorescens, P. putida и др.), a также некоторые виды Serratia (S. marcescens) и Bacillus (В. cereus), извест­ные под общим названием PGPR (Plant Growth Promoting Rhizobacteria). Эти бактерии способны предотвращать заражение растений патоген­ными грибами (Fusarium, Trichoderma, Verticillium) с использованием раз­ных механизмов: например, связаных с конкурентным исключени­ем патогенов и прямым подавлением бактериаль­ными антибиотиками. Многие штаммы Pseudomonas продуцируют феназины, активные против Fusarium sp. и др.; транскрипция генов синтеза феназинов активируется в ризосфере хозяина, куда растение выделяет сахара, флавоноиды и другие вещества. PGPR-бактерии наиболее многочисленны в зоне элонгации корня.

Одним из путей усиления резистентности растений является обработка па­тогенами, непатогенными видами, ослабленными, неспе­цифическими или авирулентными штаммами возбудите­лей и их метаболитами (перекрестная защита). В основе способа, как и при применении химических индукторов, лежит активизация защитных реакций, а в некоторых случаях механизм его имеет сходство с таковыми в тканях устойчивых растений [27].

Из антибиотических препаратов были исследовано влияние трихотецина, фунгицидина, стрептомицина, тетрациклина, биомицина, нистатина и ФБМ. Трихо­тецин хорошо показал себя против мучнистой росы огурца в закрытом грунте и против корневых гнилей пшеницы и других растений. Иммунизирующий эффект ряда фенолов, фунгицидов и антибиотиков связан с тем, что, проникая в растение, они вовлекаются в процессы обмена и изменяют их в сто­рону усиления защитных реакций, характерную для устойчивых сортов [222].

Интересны также физиолого-биохими­ческие аспекты вакцинации растений. Однако эта проблема остается слабо изученной. Исследователи считают, что эффект вакцинации может быть связан с тем, что, например, сильнопатогенный штамм вируса табачной мозаики теря­ет способность к размножению вследствие захвата его рибонуклеиновой кислотой в белковую оболочку слабо­патогенного штамма или объясняют эффект антагонис­тическими взаимоотношениями штаммов вирусов. Несмотря на то, что растения в ответ на вирусную инфекцию не способны вырабатывать антитела, однако в них обнаруживают белковую фракцию, не являющуюся белком ви­русного капсида и не обладающую ферментативной активностью, присущей важнейшим PR-белкам [27].

Перспективными представляются несколько новых экологически безопасных форм защиты растений от патогенных микроорганизмов и вредителей. Так, благодаря обнаружению феномена индукции SAR урастений с помощью симбио-тических азотфиксирующих бактерий родаRhizobium имикоризных грибов, облегчающих усвоение корнями почвенных фосфатов, начата работа над экологически безопасными формами комплексной защиты растений от патогенных микроорганизмов и вредителей [226,227,258-264]. В экспериментах по бактеризации семян редьки и огурца для закрытого грунта была получена 50% прибавка урожая в результате снижения заболеваний. ИндукциюSARс помощью ризобий используют для разработки системы биологического контроля болезней овощей, передающихся с помощью насекомых. Результаты показывают, что обработка растений ризобиями повышает их устойчивость к грызущим жукам и к бактериальному вилту. Интерес представляет также то, что индуцируемая устойчивость передается в растениях из подвоя на привой, а также растениям-регенерантам в культуре ткани.

Фиторезистентность обеспечивают также тонкие слои камбия и меристем, препятствующие проникновению патогенов через них или в них, тогда как паразитизм инфекционных агентов поддерживают, как правило, клетки, завершившие деление, вакуолизированные и приобретшие черты специализации [265]. С этим связано использование меристем для оздоровления растений [100,138].

C помощью методов генетической инженерии уже созданы сорта, защищен-ные от болезней и вредителей отдельными механизмами: PR-белками, ингибито-рами протеиназ. Ведутся работы по конструированию растений с заданными свойствами: синтезом хитиназ, глюканаз, протеиназ, нуклеаз, фосфатаз, активных окислителей, фенольных и терпеноидных соединений, фитоалексинов [138,223].

Возлагаются надежды и на применение генов, регулирующих пути сигнальной трансдукции. Представляется, что познание механизмов регуляции индуцированной устойчивости приведет к созданию сортов с длительной устойчивостью широкого спектра действия. Уже обнаружены мутанты с более сильным выражением ключевого гена сигнальной трансдукцииNPR1,атрансгенные растения с этим геном проявляют неспецифическую устойчивость широкого профиля [229,232]. Гипотезу подтверждает использование химических соединений, вызывающих системную устойчивость, а также природных индукторов. Первоначально в качестве индуктора SAR испытывали СК, позже были применены производные изоникотиновой кислоты и бензотиазола. СК, изоникотиновая кислота и бензотиазол вызывают экспрессию тех же генов, что и патогены. Бензотиазол уже представлен в качестве коммерческого продукта: в США под названием ‘Actigard’, а в Европе ‘Bion’ [224,225].

Cообщается о повышении устойчивости растений к инфекциям и вредителям после предпосевной обработки семян иммунизирующими пестицидами [266,267]. Физиолого-биохимические механизмы эффекта пока не изучены.

Значение этих работ будет возрастать по мере расшифровке геномов растений и накопления информации о молекулярных механизмах иммунитета. Можно прогнозировать, что понимание механизмов индуцированной устойчивости даст возможность построить эффективную интегрированную систему защиты растений, использующую как сорта с повышенным уровнем неспецифической устойчивости, так и эффективные и экологически безвредные пестициды [140-143,268,269].

Важное место в индуцированной устойчивости растений к патогенам отводится использованию природных вторичных метаболитов: фенольных веществ, флавоноидов, терпеноидов, стероидов, алкалоидов и др. [82,83,113,114,121,213].

О том, что многие вещества растений, содержащиеся в них, но особенно активно синтезирующиеся в ответ на взаимодействие с возбудителями болезней и предохраняющими растения от поражения, можно использовать для профилактики и лечения инфекционных болезней человека и животных было известно давно. Эти соединения, так называемые вторичные метаболиты, которые могут иметь различную химическую природу, широко используются для получения лекарственных средств [270-277]. Исследования фитохимического состава растений, роль отдельных классов соединений в жизни самого растения и пути их образования и накопления в определенных органах, тканях и клетках растений, а сейчас также в культуре тканей и клеток in vitro представляют научный интерес и имеют практическую значимость и входят в число задач фармакогнозии [278]. Интерес к этим работам еще повысился с широким использованием в науке и практике молекулярно-генетических и биотехнологических методов [23,137,138,279].

Высокий уровень общности врожденного иммунитета человека и растений и их реакции на инфекцию [244-246], а также общность многих патогенов [280], указывает на необходимость поиска новых возможностей влияния на иммунные реакции растений и человека. Обнаруженная после расшифровки геномов человека и растений (Arabidopsis sp.,Oryza sp. и некоторых других) большая степень гомологии их генного состава, определяющая уровень родства и близости первичных метаболизмов этих царств живого стала научным фундаментом скрининговых исследований влияния патогенных организмов, считавшихся специфически адаптированными к организмам человека и животных, на растения, и наоборот – возбудителей болезней растений по их влиянию на организмы животных [281-284].

Работы начинаются с проверки влияния известных и потенциальных патогенов человека и животных на модельных растениях с изученным геномом. На этих растительных моделях предполагается также начинать проверку терапевтического действия и лекарственных средств. Например, была обнаружена повышенная аккумуляция салициловой кислоты в растениях арабидопсиса, проявляющих устойчивость к Staphylococcus aureus, что оказалось аналогично защитному эффекту аспирина к этому патогену в животном организме [285]. Изучаются возможности создания в культивируемых in vitro клетках растений R-генов к особо опасным инфекциям, проверки механизмов функционирования этих генов, с целью последующего переноса их в клетки животных и дальнейших испытаний [286]. Возможно применение растительных веществ для подавления кворумных сообществ микроорганизмов и предотвращения желудочно-кишечных и легочных инфекций [86]. Видится перспектива разработки биотехнологического способа получения лекарств из растений после заражения патогенами человека [287-289].

Созданы трансгенные растения, устойчивые к гербицидам, насекомым-вредителям, вирусам и болезням, растения со сбалансированным составом аминокислот и измененным составом жирных кислот, декоративные растения с измененной пигментной окраской цветов. К настоящему времени биотехнологическими центрами мира модифицировано более 150 видов растений [138,248].

В последние десятилетия началась разработка векторных конструкций для получения трансгенных растений, активно экспрессирующих белки для медицинских целей, которые могли бы потребляться непосредственно в пищу либо для выделения из них белкового продукта с последующей его очисткой.

Получение рекомбинантных белков в растениях имеет преимущества:

• в растительных тканях нет риска загрязнения рекомбинантного белка патогенами животного происхождения – вирусами и прионами;

• посттрансляционные изменения белков в клетках растений и животных аналогичны, что приводит к образованию одинаковой третичной структуры;

• системы экспрессии в растениях удобны для наработки сразу нескольких рекомбинантных белков и их массы;

• в растительных тканях рекомбинантные белки могут долгое время (месяцы и годы) сохраняться без изменений и снижения биологической активности;

• экспрессия терапевтически важных белков в съедобных частях растений дешевле по сравнению с получением их в трансгенных животных или в биореакторах с использованием культуры клеток млекопитающих.

Первые данные о возможности использования растений в качест­ве «фабрик» для производства лекарственных белков были получены в 1989 г., когда были созданы трансгенные растения табака, экспрессирующие IgGl. В настоящее время получены растения, синтезирующие различные белки для терапевтических целей [287-289]. Особый интерес представляют трансгенные растения, продуцирующих иммунизирующие антигены для получения так называемых «съедобных вакцин» (Edible vaccines– EV). Первые данные о съедобной вакцине были опубликованы в 1992 г.: это была вакцина против гепатита В. У мышей, в пищу которых давали сырой картофель с иммуногенным белком, наблюлали развитие иммунного ответа против вируса гепатита В [287]. Не подвергаясь термообработке, растения могут использоваться в качестве готового продукта для профилактики и лечения заболеваний. Более того, трансгенные растения представляют удобные модели для разработки новых альтернативных способов доставки (перорально и интраназально) рекомбинантных терапевтических белков в организмы теплокровных.

В настоящее время уже созданы и прошли клинические испытания ряд вакцин на основе трансгенных растений, в том числе вакцина против гастроэнтерита (табак, картофель), вируса кори (латук), холерного вибриона (картофель), цитомелаговируса (картофель, табак), вируса папилломы (картофель). Как правило, при поедании съедобных трансгенных растений, экспрессирующих эти белки, развивается специфический иммунный ответ.

Получение новых растительных вакцин и других лекарственных средств является одним из наиболее перспективных направлений на стыке иммунологии и биотехнологии [288,289].

Заключение.

Биологическая эволюция шла в направлении от одноклеточных организмов к многоклеточным, и таким же образом происходила эволюция иммунитета. В многоклеточном организме возникает система защиты: она включает уже некоторые пространственно расположенные и специализированные (тканедифференцированные) клетки, в большей мере, чем другие выполняющие функции охраны – например, эпидермис, вторичные покровы. Меристемы также поддерживают состояние иммунитета в развивающихся растениях, сдерживая инвазию патогенных микроорганизмов, вызывающих реакцию сверхчувствительности у клеток, находящихся не в стадии G1 интерфазы. Патогены, парализующие сократительные белки делящегося ядра и использующие содержимое таких клеток для питания встречаются редко. В неделящихся клетках, составляющих огромное большинство покровных и паренхиматических тканей листа, стебля и корня, патогены вызывают таксис ядер и вовлечение их во взаимодействие, проявляющееся в активации некоторой части генома, а также в изменении белок-синтетического и секреторного аппарата, работы митохондрий и хлоропластов.

Важную перестройку в переходе от одноклеточного к многоклеточному состоянию и в поддержании иммунитета претерпевает эндомембранная система клеток, в частности, ее важнейший компонент – эндоплазматический ретикулум, связывающий ядерную мембрану с плазматической, но цитофизиологические и молекулярные механизмы изменения работы этой мембранной системы в связи с появлением у поверхности клетки чужеродных молекул, изучены слабо.

Совершенно очевидно также, что в проявлениях фитоиммунитета важнейшую роль играет система клеточных стенок и межклетников, одновременно являющаяся и нишей, в которой развиваются фитопатогены (даже грибы, образующие гаустории, которые формируются всегда в периплазматическом пространстве, более или менее глубоко впяченном в протоплазму). Это явление напоминает фагоцитоз, но заключение гаустория в протоплазму растения вызывается грибом.

Самый простой способ пре­одолеть клеточный иммунитет – убить клетки хозяина. Но гибель хозяина означает возврат к конкуренции с почвообитающими организмами. Поэто­му эволюция паразитизма – это путь к биотрофии, означающий замену грубого преодоления иммунных свойств живого хозяина – некротрофии, мягкими способами, при которых клетки хозяина остаются длительное время живыми. Это достигается благодаря особенностям метаболизма биотрофных паразитов, отличающим их от некротрофов.

Протоплазмы клеток устойчивых растений, либо не являющихся хозяевами для патогена, содержат достаточные ассортимент и количество питательных веществ для использования паразитом, но эти вещества, как правило, физиологически недоступны для него: поглощение их гифами и гаусториями требует открытия каналов в плазмалемме и подавления защитных реакций растения.

Экзогенные элиситоры (ими, как уже говорили, могут быть вещества патогена или растения, образуемые при его взаимодействия с патогеном), связывающиеся с рецепторами плазмалеммы и преобразуются в клетках в эндо­генные сигнальные молекулы, с помощью которых индуцируются все дальнейшие защитные реакции у растений. Через цитоплазму эти молекулы попадают в ядро клетки и активируют гены устойчивости. Снача­ла происходит стимуляция транскрипции и транс­ляции РНК, что приводит к образованию ферментов. Они катали­зируют синтез генных продуктов, связанных с защитными реак­циями. Сигналы могут действовать только в отдельных или соседних клетках, либо путем транслокации попадать в более дале­кие свободные от поражения части растения и индуцировать защитные реакции там. В этом смысле различают локальные и распространяющиеся от места поражения (системные) защитные реакции.

У животных иммунные функции разделены между рядом блуждающих клеток – макрофагами, Т- и В-лимфоцитами, гуморальными факторами и жидкой лимфоидной средой, циркулирующей по особым протокам в организме. Сигнальные молекулы передают информацию между клетками, что обеспечивает усиление сигнала и его системное распространение. Этот механизм обусловил возникновение семейства сигнальных молекул – цитокинов и их рецепторов на поверхности иммунокомпетентных клеток. Главные защитные функции у животных выполняют высокомолекулярные белки – антитела, специфичные к определенным видам и даже штаммам патогенов. Кроме того, у животных имеется главный комплекс гистосовместимости (Major Hystocompatibility Complex– MHC), позволяющий выявить измененные молекулы собственного организма – missing self. Функционирование MHC, Т- и В-лимфоцитов обеспечивается активным осуществлением в иммунокомпетентных клетках процессов экзо- и эндоцитоза, автофагии [2,3].

У растений возникновение такого механизма невозможно, прежде всего, по структурным причинам – наличию клеточных стенок, мешающих межклеточным обменам сигнальными молекулами. Однако у растений система клеточных стенок и межклетников создают иную структурную основу для взаимодействия живых клеток и более медленного, по сравнению с циркуляцией лимфы у животных, передвижения молекул (подобно их распространению на хроматографической бумаге). Поэтому основные защитные молекулы растений не крупные белковые молекулы, а низкомолекулярные вещества (фенолы, терпеноиды, сапонины, алкалоиды) и неспецифичные (токсичные по отношению к большому числу видов патогенных грибов, бактерий и растений). Специфичен лишь их синтез в ответ на инфекцию. И хотя в зараженной клетке растения обычно образуется семейство близких по строению вторичных метаболитов (например, фитоалексинов), все они малоспецифичны и отличаются степенью токсичности к штаммам и чувствительностью к их ферментам [290].

Таким образом, ос­мысление полученных нами экспериментальных данных и новой информации, накопленной к начала XXI в., привело нас к пониманию структурной организации системы иммунитета растений и фитоиммунитета как эволюционной ветви общебиологического феномена.