Фитоантиципины

Химическая классификация фитоантиципинов
Фенолы. К фенолам относят циклические соединения, содержащие ароматическое кольцо с фенильным гидроксилом или его замещенными радикалами (кислотным, альдегидным и проч.).

Многие растительные фенолы помимо фенила (С6) содержат пропановый радикал (С3) и названы фенилпропаноидами.
Синтез фенолов осуществляется двумя путями (рис. 5.2): конденсацией молекул уксусной кислоты (ацетатный путь) и в результате метаболизма фосфорилированных сахаров (глюкозо-6-фосфата) через шикимовую кислоту и ароматические аминокислоты (шикиматный путь). Многие

сложные растительные фенолы, содержащие два фенольных кольца (фла- воноиды), образуются соединением колец, синтезированных по ацетатному и шикиматному путям.
Исследование растительных фенолов хорошо иллюстрирует условность деления антибиотических веществ на конституционные и индуци- бельные. Фенолы — нормальные метаболиты растений, ибо входят в состав пигментов, регуляторов роста, структурных элементов клеточных стенок. В то же время фенолы — стрессовые метаболиты, синтез которых резко возрастает при поранении или заражении. Поэтому основные ферменты, участвующие в синтезе и превращениях фенолов, и регуляция активности ферментов будут рассмотрены при описании вертикальной патосистемы, а в данном разделе познакомимся лишь с их влиянием на инфекционный процесс.
Окислительно-восстановительная реакция превращения фенолов в общем виде описывается следующим образом:
полифенолоксидаза
Vi 02 + дифенол хинон + Н20.
хинонредуктаза

132 Отсюда вытекают основные механизмы антимикробного действия фе
нолов: Инактивация белков вследствие соединения хинонов с SH-, NH2 группами и формирования замещенных продуктов. Неспецифическое окислительное действие хинонов. Будучи активными окислителями, хиноны являются акцепторами электронов у многих соединений. Влияние на трансмембранный транспорт веществ. Некоторые замещенные фенолы служат проводниками протонов в мембранах и вследствие этого действуют как разобщающие агенты. Регуляция ростовых процессов. Промежуточные соединения в метаболизме фенолов могут быть нетоксичными, но в низких концентрациях влиять на метаболизм фитогормонов. Многие фенолы, являясь ингибиторами ИУК-оксидазы, способствуют накоплению ИУК. А как было сказано выше, фитогормоны оказывают существенное влияние на паразито-хозяйские взаимоотношения.
Создание химических барьеров. Продукты окисления фенольных спиртов, конденсированные в результате свободнорадикальных реакций, образуют аморфный 3-мерный полимер лигнин (рис. 5.3), откладывающийся в клеточных стенках (обычно во вторичных стенках и стенках мертвых клеток). Защитное действие лигнина многообразно. Он ковалентно связывается с углеводными полимерами растительной клеточной стенки и защищает их от атаки грибными деполимеразами; пре-

Рис. 5.4. Терпеноиды. 1 — конденсация двух молекул изопрена;
2 — монотерпен; 3 — сесквитерпен мазонон

пятствует диффузии в клетки растений метаболитов патогенных организмов; обладает прямой токсичностью для микроорганизмов; может лигнифицировать внутрирастительные гифы грибов.
Терпеноиды. К терпеноидам относят соединения, синтезируемые из уксусной кислоты путем конденсации ее молекул. Первый продукт конденсации — изопрен — содержит 5 атомов углерода (С5, рис. 5.4, 1). В построении терпеноидов участвуют 2 группы ферментов — полимеразы, соединяющие молекулы изопрена в цепочку, и циклазы, осуществляющие преобразование цепочек в замкнутые кольца.
Конденсация двух молекул изопрена дает группу соединений, названных монотерпенами (Сю, рис. 5.4, 2). Эти низкомолекулярные, моноцикли- ческие, летучие вещества часто придают растениям специфические запахи.
Конденсация трех молекул изопрена приводит к образованию сескви- терпенов (С 15). Многие бициклические сесквитерпены обладают высокой токсичностью и являются важными факторами устойчивости растений (рис. 5.4, 3).
4 молекулы изопрена составляют дитерпены (С2о) — основные компоненты смол древесных растений. Многие дитерпены горькие на вкус (например, горький фактор огурца).

6 молекул изопрена составляют основу большой группы тритерпе- нов (С3о). К ним относятся пентациклические тритерпеноиды (5 шестичленных циклов) и стероиды, ядро которых состоит из трех шестичленных циклов и одного пятичленного. Фитостерины (рис. 5.5) — необходимый компонент растительных мембран, а эргостерин — мембран многих грибов. Токсичность многих тритерпеноидов обусловлена их способностью связываться со стеринами мембран; в результате чего образуются поры в мембранах и происходит потеря клеточного содержимого в окружающую среду (лизис).

Рис. 5.6. Бета-каротин

В мембранах эритроцитов тритерпеноиды соединяются с холестерином, вызывая вытекание гемоглобина (гемолиз эритроцитов). Минимальная концентрация тритерпеноида, вызывающая окрашивание гемоглобином кровяной плазмы (надосадочной жидкости, полученной после осаждения клеточных элементов крови), называется гемолитическом индексом и является показателем токсичности.
Наконец соединение восьми молекул изопрена дает многочисленный класс тетратерпеноидов (С40). Их линейные молекулы (рис. 5.6) образуют большую группу растительных пигментов каротиноидов, которые окрашивают цветки, плоды, корнеплоды, осенние листья растений.
Стратегия устойчивости
Растения обладают не только химическим разнообразием защитных соединений, но и разнообразными стратегиями их применения. Используя военную терминологию, можно сказать, что растения имеют глубоко эшелонированную оборону с гибким управлением, способным создавать в нужном месте и в нужное время разнообразные защитные барьеры на пути продвижения паразита.
Фитонциды. Как уже было сказано, фитонцидами Б. П. Токин обозначил летучие вещества растений, убивающие микроорганизмы. В дальнейшем этим термином стали называть вообще все антимикробные вещества, присутствующие в незараженных растениях. Это привело к большой путанице, ибо для исследования фитонцидности растительных тканей, вслед за Б. П. Токиным, их предварительно мацерировали. При разрушении клеток приходят в соприкосновение субстраты и ферменты, находившиеся в интактной ткани в разных компартментах, и возникают новые химические вещества, которые при биотрофном паразитизме вообще отсутствуют, а при некротрофном также могут не возникать вследствие инактивации ферментов токсинами паразита. Поэтому в термин «фитонциды» мы будем вкладывать первоначальный смысл, данный Б. П. Токиным.
Известный ботаник Б. М. Козо-Полянский назвал фитонциды «первой линией обороны», ибо они токсичным облаком окружают растения. Так в экстрактах летучих веществ из корней акации с помощью газовой хроматографии было обнаружено 270 органических соединений, многие из которых подавляли рост мицелия и прорастание зооспор паразита корней Phytophthora cinnamomi. В основном, это низкомолекулярные соединения — органические кислоты, альдегиды, монотерпены, простые фенолы. Антимикробные эксудаты листьев образуют защитные пленки на поверхности. Реализация

многих антимикробных веществ на поверхность листа происходит из лис- 135 товых волосков, служащих депо для фенолов и других соединений.

Антимикробные вещества растительных покровов. Многие органы растений, — клубни, луковицы, стволы древесных пород покрыты слоем мертвых клеток. Отмирание клеток, как и их механическое повреждение, приводит к разрушению внутриклеточных мембран и совмещению химических соединений, разобщенных в живой клетке мембранам. В результате этого протекают химические реакции и накапливаются высокотоксичные соединения. Их накопление в живых клетках могло бы привести к повреждениям последних, но в мертвых — они играют роль химического барьера на пути движения паразитов. Например, желтая окраска чешуй лука обусловлена находящимся в вакуолях флавоновым пигментом квер- цитрином, который представляет собой сложный фенол кверцитин, соединенный гликозидной связью с моносахаридом рамнозой. В отмирающих кроющих чёшуях луковицы вследствие разрушения вакуолей происходит серия химических реакций: сначала фермент глюкозидаза отщепляет сахарный остаток, затем фенолоксидазы расщепляют кверцитин до низкомолекулярных водорастворимых монофенолов — протокатеховой кислоты и о-катехола (рис.

5.7), которые высоко токсичны для микроорганизмов. Диффундируя на поверхность в инфекционную каплю, они убивают споры фитопатогенных грибов. Поэтому окрашенные сорта лука устойчивы к грибам, вызывающим гнили луковиц. Луковицы с поврежденными кроющими чешуями поражаются независимо от наличия окраски, ибо в живых клетках простые фенолы не накапливаются.

В мертвых клетках коры многих деревьев присутствует токсичный для микроорганизмов дифенол пиносильвин (рис. 5.8), в клетках коры иль- мов — фактор устойчивости к голландской болезни сесквитерпен мазонон (рис. 5.4, 3).
Антимикробные вещества живых клеток. Большинство токсических веществ находится в живых клетках в форме гликозидов, которые, во-первых, менее токсичных, чем их
агликоны и, поэтому не опасны для клеточного Рис. 5.8. Пиносильвин

метаболизма, и, во-вторых, водорастворимы и поэтому являются транспортной формой токсинов. Обычно они находятся в вакуолях и отделены тонопластом от других компонентов клетки, что также защищает ее от повреждающего действия. При повреждении клеточных мембран содержимое вакуолей выливается в клетку и гликозиды входят в контакт с ферментами гликозидазами, находящимися в других мембранных пузырьках ли- зосомах, или ковалентно связанными с компонентами клеточной стенки. В результате химических реакций освобождаются высоко токсичные агли- коны, убивающие клетку и находящихся в ней паразитов. Такова генеральная стратегия защиты от заражения и иных стрессов. Частный случай такой защиты — рассмотренное выше освобождение агликонов в естественно отмирающих кроющих клетках.

Классификация гликозидов основывается на химическом строении агликонов.
Фенольные гликозиды. Выше описаны реакции превращения фенольного гликозида кверцитрина в кроющих чешуях окрашенных луковиц. У различных видов злаков (ржи, пшеницы, кукурузы) содержится семейство глюкозидов бензоксазинов, агликон которых содержит наряду с фенолом азотсодержащий цикл (рис. 5.9). В поврежденных клетках освобождаются агликоны бензоксазолиноны, токсичные для ржавчинных грибов, возбудителей снежной плесени, тлей и других патогенов. По-видимому, эти соединения являются важным фактором неспецифической устойчивости. Например, корреляция между их содержанием в листьях инбредных линий кукурузы и поражаемостью этих линий листовой тлей составила -0,72 (Long et al., 1977).
Цианогенные гликозиды. Многие растения (сорго, лядвенец, просо, лен и др.) содержат цианогенные гликозиды (дурринин, линамарин, лота- устролин), которые образуются в процессе прорастания семян из аминокислот (тирозина и др.). Ферменты, осуществляющие поэтапное превращение аминокислоты в цианогенный глюкозид, находятся на внутриклеточных мембранах в виде комплекса, эффективно канализующего поток углерода из /-тирозина в гликозид. При повреждении мембран сначала Р-гли- козидаза отщепляет глюкозу, а затем под действием оксинитрилазы выще- пляется синильная кислота (рис. 5.10).
Гликозиды алифатических соединений. В луковицах тюльпанов накапливается гликозид тюлипозид, который после отщепления сахара замыкается в лактонный цикл, очень токсичный вследствие высокой реакционной способности (связывается по месту двойной связи с SH-группами белков).

Реакция образования лактона — важный фактор устойчивости тюльпанов к Botrytis cinerea (рис. 5.11).
Терпеноидные гликозиды и гликоалкалоиды. Тритерпеноиды и стероиды образуют с сахарами гликозиды, мылящиеся в воде, и названные сапонинами (от латинского sapo — мыло). У большинства сапонинов олигоса- харидная цепь прикреплена к терпеноидному ядру в положении С-3, хотя у многих имеется дополнительная связь с глюкозой в положениях С-26 или С-28. Сапонины очень ядовиты, так как связываются со стеринами в мембранах (имеют высокий гемолитический индекс). Накапливающийся в корешках овса тритерпеноидный гликозид авенацин (рис. 5.12), является фактором устойчивости к корневой гнили, вызываемой грибом Gaeuman- nomyces graminis.^Стероидные гликозиды пасленовых имеют в своем составе азотсодержащий гетероцикл и названы гликоалкалоидами. Синтез гликоалкалоидов картофеля соланина и чаконина (рис. 5.13) индуцируется

Таблица 5.1
Роль гликоалкалоидов в возрастной устойчивости картофеля к Alternaria solani

Время от появления всходов (сутки)	Содержание гликоалкалоидов (мкг/г сырого веса)	Размер пятна от А. solani (см)
30	1570	0,1
70	1020	2,3
90	540	3,1
120	260	3,0

освещением, поэтому они накапливаются в листьях, ягодах (обусловливают их горький вкус) и озелененных на свету клубнях, которые становятся ядовитыми, но хорошо хранятся, не повреждаясь гнилями. Соланин и ча- конин подавляют рост фитопатогенных грибов in vitro и является фактором возрастной устойчивости картофеля (табл. 5.1).
Гликоалкалоид томатов томатин (рис. 5.13) накапливается в вакуолях листьев и зеленых плодов томатов. Он высоко токсичен для Cladospo- rium fulvum и других грибов (вызывает потерю электролитов через мембраны). Гликоалкалоид дикого картофеля Solanum demissum демиссин является репелентом для колорадского жука.
Тиогликозиды. До сих пор рассматривались соединения, связь которых с сахаром осуществлялась через кислород. У растений из семейств крестоцветные и каперцовые накапливаются соединения, агликон которых связан

с сахаром через атом серы. Их называют горчичными маслами, тиогликози- дами или гликозинолятами (рис. 5.14). Депо гликозинолятов — вакуоль. При повреждении тонопласта они приходят в контакт со специфическими ферментами, которые отщепляют сахар по схеме, показанной на рис. 5.14. В результате образуется продукт, содержащий изородановую группу R-N=C=S, и другие летучие, высокотоксичные соединения, действующие на слизистые оболочки и имеющие высокий антимикробный эффект. Их слезоточивое действие ощущается, например, при натирании корня хрена.
Резюмируя сказанное, видно, что система клеточной защиты, основанной на освобождении токсических веществ из гликозидов, высокоэффективна и универсальна. Однако, многие фитопатогенные организмы в процессе коэволюции с растениями выработали механизмы, нейтрализующие эту систему.
Такие механизмы можно свести к следующим: Мягкое, не повреждающее мембраны воздействии на клетки растений. Характерно для биотрофных паразитов. Например, внутриклеточный паразит крестоцветных Plasmodiophora brassicae, возбудитель килы, находится в живых клетках с неповрежденными мембранами, поэтому его присутствие не вызывает появления изороданидов. В процессе роста опухоли (килы) покровные ткани растрескиваются, и ранки заселяются почвообитающими гнилостными микроорганизмами. Последние, будучи некротрофами, разрушают зараженные клетки, вызывая образование токсичных агликонов, но к этому времени плазмодии возбудителя килы преобразуются в споры, имеющие толстые оболочки и устойчивые к токсинам.

140 2. Изменение чувствительного к токсину сайта. У гриба Stemphilium loti,
вызывающего пятнистость листьев цианогенного лядвенца, высокий вклад в дыхание приходится на альтернативный, нечувствительный к . цианиду путь.
3. Модификация токсических веществ до менее токсичных. Этот механизм патогенности широко распространен в мире фитопатогенов и будет рассмотрен в главе 6.
Коэволюция с растениями-хозяевами привела к тому, что некоторые химические факторы иммунитета вместо репеллентов (отпугивающих) превратились в аттрактанты (привлекающие паразита вещества). Так близкие по химической структуре стероидные гликоалкалоиды соланин и де- миссин оказывают противоположное действие на колорадского жука: первый привлекает, второй отпугивает. Запах горчичных масел, характерный для крестоцветных растений, служит капустной белянке сигналом при поиске мест для откладки яиц, т. е. репеллент для большинства насекомых стал аттрактантом для белянки; ее гусеницы едят даже фильтровальную бумагу, смоченную горчичными маслами.

<< | >>

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

Еще по теме Фитоантиципины:

- 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 -