Биогенные элиситоры

В исследованиях, проведенных под руководством О. Л. Озерецковской, было показано, что обработка клубней картофеля биогенным элиситором из мицелия Phytophthora infestans в высокой концентрации (100 мкг/мл) приводила к интенсивной, но кратковременной защитной реакции (некроти- зации, накоплению ФА).

Обработка элиситорами в низкой концентрации (5 мкг/мл) не вызывала видимых симптомов и накопления стрессовых метаболитов, но сенсибилизировала клетки растения, которые становились устойчивыми к последующему заражению патогеном, причем устойчивость распространялась на все клетки клубня и сохранялась длительное время (до 3 месяцев). По-видимому, сенсибилизация заключается в подготовке клеток к быстрой реакции на последующее заражение (возрастает объем агранулированного эндоплазматического ретикулюма, число митохондрий, концентрация цАМФ).
Авторы исследований постулировали правила, которые необходимо соблюдать для индукции устойчивости растений к болезням с помощью биотических элиситоров: Индуцирование устойчивости может быть достигнуто с помощью биогенных элиситоров, продуцируемых патогенами. Элиситоры следует использовать в определенных концентрациях, в которых они не вызывают накопления ФА в обработанной ткани. Элиситоры должны быть отделены (если это возможно) от супрессоров, подавляющих индукцию.
Полевые опыты свидетельствуют о том, что обработка растений биогенными элиситорами высоко эффективна и лишена недостатков, присущих фунгицидам. Она характеризуется: более высокой экологической безопасностью, так как основана на активизации природных механизмов устойчивости растений; системностью и длительностью защитного действия; низкими концентрациями действующего начала; участием в проявлении устойчивости многих защитных систем, что снижает вероятность накопления резистентных форм паразитов; комплексным защитным эффектом против разных фитопатогенных грибов, бактерий, нематод и, возможно, вирусов; отсутствие токсического действия на организмы, не являющиеся мишенями;

458 • отсутствием в урожае токсических химических веществ; в некоторых случаях стимулированием ростовых процессов у обработанных растений; интенсификацией процессов раневой репарации.
Рассмотрим некоторые биогенные элиситоры, перспективные для
иммунизации растений.
Липиды. Как было показано в главе 7, элиситорными свойствами в отношении картофеля обладают ненасыщенные жирные кислоты. В низких концентрациях, не вызывающих повреждения обработанных листьев, они индуцируют систему устойчивость против Phytophthora infestans. Их защитные свойства падали при уменьшении числа двойных связей в молекуле: 20 : 5 gt; 20 : 4 gt; 18 : 2 gt; 18 : 3 gt; 18:1. Защита растений была максимальной через 5 дней после индукции и продолжалась в течение двух недель. В листьях картофеля арахидоновая кислота метаболизируется 5-липо- оксигеназой до 5-5-гидропероксиэйкозатетраеновой кислоты (5-S-HPETE), которая, будучи примененной в концентрации 1 мкг на срез клубня картофеля индуцировала более высокий защитный эффект чем арахидоновая кислота (АК) в концентрации 20 мкг. В клубнях картофеля, обработанных АК, устойчивость к Р. infestans обнаруживалась через сутки и сохраняется длительное время (до нескольких мес.). В иммунизированных клубнях обнаруживаются PR-белки, пероксидаза, полифенолоксидаза и ли- пооксигеназа.
Аминосахара. Среди биогенных элиситоров наибольшее распространение в качестве иммунизатора получили препараты, приготовленные из хитина, причем хитозан (деацетилированный хитин) обладает большей индуцирующей активностью, чем хитин. Хитин и хитозан вызывают быструю деполяризацию мембран, индуцируют локальную и системную устойчивость к грибам, бактериям, вирусам и нематодам. В отношении фитопатогенных вирусов они уменьшают число некрозов при заражении сверхчувствительных растений и ингибирует распространение по растению системных вирусных инфекций. Хитозан связывается с анионными компонентами растительных мембран и клеточных стенок (фосфолипидами, пектином), что затрудняет адсорбцию вирусов на стенке, усиливает синтез каллозы, затрудняющей дальний транспорт вирусов. В протопластах табака хитозан индуцирует синтез 130 кДа белка — РНК-зависимой РНК полимеразы, вызывающей посттрансляционное молчание генов, включая вирусные, а также синтез 23 кДа рибонуклеазы, деградирующей вирусные РНК. Образуя комплексы с анионными пероксидазами, хитозан вызывает утолщение и лигнификацию клеточных стенок, а, соединяясь с нуклеиновыми кислотами, выступает как регулятор транскрипции. Под его действием происходит индукция синтеза фитоалексинов, PR-белков, включая хитина- зу и Р-глюканазу, ингибиторов протеиназ, активных форм кислорода, происходит накопление лектинов (гемагглютининов). Хитозан активизирует липооксегиназу (ЛОГ) — важный промежуточных продукт трансдукции

сигнала в клетке. ЛОГ участвует в сигнальных системах, индуцируемых СК 459 и ЖАК. По-видимому разные сигнальные пути проходят с участием разных изоферментов ЛОГ. Показано, что при заражении пшеницы Puccinia graminis f. sp. tritici и при обработке гликопептидным элиситотором, выделенным из ростковых трубок этого гриба накапливается ЛОГ с мм 92 кДа (Лог-92), а при обработке хитозаном или МеЖак — Лог-100, т. е. хитозан и заражение ржавчиной индуцируют разные пути трансдукции сигнала.
Олигомеры хитина, размером менее 5 молекул ацетилглюкозамина не индуцируют защитных реакций у растений. Наибольшей индуцирующей способностью и защитными свойствами у разных растений обладали гексамеры — октамеры хитозана.
Опрыскивание растений и внесение в почву растворов и суспензий хитина и хитозана влияет на микробоценоз филлопланы и ризосферы, повышая численность микроорганизмов — хитинолитиков (бацилл, актино- мицетов, грибов), которые являются важными антигрибными и антинема- тодными агентами.
Водорастворимый хитозан с молекулярной массой 5 кДа получают из панцирей морских крабов или в качестве побочного продукта в производстве лимонной кислоты из Aspergillus niger.
Пептиды. Как показано ранее (глава 7), большинство специфических элиситоров бактерий и грибов представляют собой белки. Некоторые из них перспективны для практического использования.
Харпины. В последние годы началось коммерческое использование и бактериальных элиситоров. Один из них messenger™ в качестве активного ингредиента содержит бактериальный белок харпин ЕА из Erwinia amylo- vora. В опытах, проведенных с мутантами Arabidopsis thaliana, было показано, что харпин индуцирует SAR-гены PR-1 и PR-2. Однако в трансгенных растениях, содержащих ген nahG и не способных к накоплению СК, харпин теряет способность к индукции устойчивости. Тот же эффект наблюдается и у niml мутантов, дефективных по способности к трансдукции сигнала по СК-пути. В то же время мутации, блокирующие МеЖАК- и эти- лен-сигнальные пути, не влияют на индукционные способности харпина, который, следовательно, индуцирует резистентность по пути СК-трансдук- ции сигнала через NIM1 медиатор. Харпин вызывает протекание активных биохимических процессов уже через 5-10 мин после обработки листьев и рекомендуется для защиты овощей и винограда от мучнистой росы.
На основе харпина Еа был создан препарат Messenger®, который содержит 3 % харпина и 97 % экологически нейтрального биологического материала. Этот биопестицид действует при малых дозах и полностью и быстро разлагается в природных условиях на экологически безопасные компоненты. Messenger® производится в виде водорастворимых гранул и может быть использован путем опрыскивания надземных частей растений с использованием обычных серийных опрыскивателей, либо путем протравливания семян или замачивания корней рассады.

Агентство Защиты Окружающей Среды (ЕРА, Environmental Protection Agency) классифицировало Messenger как биохимический пестицид. Messenger активирует защитные реакции растения не влияя непосредственно на патоген.
Полевые испытания показали, что препарат способен индуцировать естественные механизмы, контролирующих рост и устойчивость к патогенам у более чем 40 видов сельскохозяйственных культур, включая цитрусовые, томаты, перцы, огурцы и клубнику; традиционные полевые культуры, такие как хлопок, рис и кукуруза; а также розы.
Белки холодового шока. Помимо харпинов известны также и другие элиситоры белковой природы. Так из Bacillus thuringiensis выделен низкомолекулярный (7,2 кДа) термостабильный белковый фактор — MF2 (Microbial Factor 2). Показано, что МР2-белок способен индуцировать устойчивость растений в следующих парах патоген — хозяин: ВТМ — табак, Х-ви- рус картофеля — табак, фитофтороз — картофель и пирикуляриоз — рис (Djavakhia etal., 2001). МР2-белок можно отнести к неспецифическим элиситорам. Ген MF2 белка был клонирован, секвенирован и зарегистрирован в GenBank как белок холодового шока CspD (Cold Shock Protein, далее используется обозначение CspD вместо MF2).
Получены трансгенные растения табака, несущие бактериальный ген CspD, и показана повышенная устойчивость таких растений к ВТМ и к патогенному грибу Alternaria longipes (Kromina, et al., 2005).
Данные относительно элиситорной активности бактериальных CSP были подтверждены швейцарскими исследователями из Института ботаники Базельского университета, которые, изучая элиситорную активность экстрактов бактерий Micrococcus lysodeikticus, обнаружили, что активным началом в экстрактах является белок холодового шока (Felix a. Boiler, 2003). Следует отметить, что авторы изучали элиситорную активность белка, добавляя его в суспензию культуры клеток, фиксируя при этом такие косвенные показатели как изменения значений pH среды (индукция «окислительного взрыва») и повышение интенсивности синтеза этилена. Таким образом, в искусственной системе без использования патогена были подтверждены данные об элиситорных свойствах бактериальных белков холодового шока.
Показано также, что для элиситорной активности CspD достаточно пептида из 15 аминокислотных остатков (csp 15 —VKWFNAEKGFGFITP). Пептид csp 15 представляет собой консенсусную последовательность бактериальных CSP. Этот пептид был синтезирован также в России и была показана его защитная активность на естественных системах пар патоген- хозяин: Septoria nodorum — пшеница и ВТМ — Nicotiana tabacum .
Поскольку гены белков холодового шока в тех или иных структурных вариациях обнаружены в геномах многих живых организмов, то бактериальный ген CspD не является полностью чужеродным для растений. Кроме того, по данным токсикологических тестов, проведенных на мышах, CspD белок не обладает токсичностью по отношению к теплокровным. Механизм действия CspD белка, в данном случае, вероятно, сводится к взаимодейст-

вию с некими внутриклеточными рецепторами, запускающими естественные защитные реакции растений против, по крайней мере, вирусных и грибных патогенов.
Все это в совокупности позволяет предположить возможность практического использования генов бактериальных белков холодового шока в защите растений от болезней. В то ж время наиболее существенным в теоретическом плане является вопрос о природе внутриклеточных рецепторов, с которыми взаимодействуют CspD.
Пептидил-пролил-*lt;ис/т/кшс-изомераза из Pseudomonas fluorescens. В процессе исследования защитных свойств одного из штаммов Р jluores- cens, которые проводили сотрудники Всероссийского НИИ фитопатологии было обнаружено, что важным свойством данной бактерии, позволяющим ей защищать растения не только от грибных, но и вирусных патогенов, является способность синтезировать относительно низкомолекулярный (16,9 кДа) термостабильный белок, названный Микробным Фактором 3 (MF3). Данный белок, выделенный из клеток исследуемого штамма оказался способным защищать растения табака от ВТМ, Y-вируса картофеля и грибного патогена Alternaria longipes, а так же растения ячменя от Bipolaris sorokiniana.
МРЗ-белок не обладает фунгитоксичностью по отношению к Stagono- spora nodorum и Alternaria longipes, не выявлена также фитотоксичность этого белка по отношению к табаку и злаковым растениям.
Ген, кодирующий МРЗ-белок, был клонирован и секвенирован, после чего была определена полная аминокислотная последовательность белка (Dzha- vakhia et al., 2005). Между аминокислотной последовательностью МРЗ-бел- ка и пептидил-пролил-^мс//и/?а«с-изомеразами FKBP-типа была обнаружена высокая степень гомологии. Было установлено, что за защитные функции ответственен пептид, входящий в его консервативную область и состоящий из 29 аминокислотных остатков: IIPGLEKALE GKAVGDDLEVAVEPEDAYG (MF3-29). Синтезированный химическим путем MF3-29 индуцировал устойчивость табака к ВТМ так же эффективно, как и целый МРЗ-белок.
Ген mf3 был вставлен в генно-инженерную конструкцию с активным промотором, которая была перенесена в Е. coli. В результате был получен рекомбинантный штамм кишечной палочки — суперпродуцент, способный продуцировать до 200 мг MF-3 белка/л. Кроме того, были созданы трансгенные растения рапса и цветной капусты с геном т/З, уровень экспрессии которого в клетках этих растений определялся с помощью специфичных к MF3 антител.
МРЗ-белок оказался способным образовывать комплекс с хитозаном, что усиливало защитный эффект данного белка в таких системах растение- хозяин — патоген, как белокачанная капуста — вирус мозаики турнепса и пшеница — Stagonospora nodorum. Таким образом, MF3 может быть использован для защиты растений от вирусных и грибных болезней в качестве основы для разработки новых экологически безопасных непестицидных средств защиты растений.

462 Растения рапса, экспрессирующие ген /и/3, обладали повышенной, по
сравнению с нетрансгенными растениями, устойчивостью к вирусу мозаики турнепса и миксомицету Plasmodiophora brassicae. Исследования семенного потомства трансгенных растений рапса и цветной капусты показали, что экспрессия гена МРЗ-белка не оказывает негативного влияния на морфологию и развитие растений. Данные свойства делают полученные трансгены перспективными для использования в дальнейшей селекции сортов с широким спектром устойчивости к вирусным и грибным патогенам.
Высокомолекулярные элиситоры (ВЭ) грибов. Изолят FS-94 гриба Fusarium sambucinum синтезирует высокомолекулярные элиситоры (ВЭ), в том числе элиситоры белковой природы, которые препятствуют развитию болезней пшеницы и томата, вызванных патогенными фузариями. Лабораторные эксперименты показали, что ВЭ защищают проростки пшеницы от возбудителей корневой гнили пшеницы F. culmorum и вилта томата F. оху- sporum f. sp. lycopersici, а в результате трехлетних мелкоделяночных полевых опытов, проведенных на яровой пшенице в Московской области, было установлено, что обработка семян ВЭ обеспечивает защиту растений от патогенных грибов рода Fusarium и Bipolaris sorokiniana, а также от некоторых других грибных патогенов в течение всего вегетационного сезона (Shcherbakova et al., 2008).

<< | >>

Источник: Под ред. Ю. Т. Дьякова. Фундаментальная фитопатология. 2011

Еще по теме Биогенные элиситоры:

- Агрохимия и агропочвоведение - Животноводство и промыслы - Защита растений - Земледелие - Овощеводство - Плодоводство - Пчеловодство - Растениеводство - Сад и огород - Селекция и семеноводство с/х культур - Сельскохозяйственные мелиорации -

- Биология - Ветеринария - Взаимоотношения животных - Все животные - Геология - Зоопсихология - Коровы - Кошки - Лечение животных - Лошади - Насекомые - Науки о Земле - Опасные растения и животные - Растительный мир - Редкие животные - Сельское хозяйство - Собаки - Экология -