Фитоиммунология — Фитопатогенные грибы и оомицеты


Фитопатогенные грибы и оомицеты

Все ~300 000 видов цветковых растений заражаются патогенными грибами и оомицетами. Однако отдельный вид растения может быть хозяином только нескольких видов грибов, и точно так же большинство грибов обычно имеет ограниченный круг растений–хозяев.

Стратегии, используемые грибными патогенами и оомицетами при заражении растений, являются различными для разных типов взаимодействий с хозяевами. Тем не менее, можно выделить отдельные особенности, которые обусловливают паразитизм грибов и оомицетов.

1. Активное внедрение в растение.

Для колонизации растения, грибы и грибоподобные протисты развили различные стратегии внедрения в растительные ткани. Большинство факультативно паразитических грибов и оомицетов, так же как и фитопатогенные бактерии и некоторые вирусы, для внедрения в растение нуждаются в естественных отверстиях или в повреждении покровных растительных тканей. В противоположность этому, многие другие фитопатогены выработали механизмы активного преодоления структурных наружных барьеров растений, кутикулы и клеточной стенки клетки эпидермиса. Для достижения этой цели, грибы обычно секретируют смесь гидролитических ферментов, включающих кутиназы, целлюлазы, пектиназы и протеазы. Поскольку эти ферменты необходимы также для сапротрофного образа жизни, то они не представляют инструменты, специфически выработанные грибами для обеспечения патогенеза, и каждый гидролитический фермент в отдельности может и не быть абсолютно необходимым для проникновения. Это, однако, не свидетельствует о том, что структуры или регуляция биосинтеза этих ферментов не адаптированы для специфических потребностей патогена на определенном растении-хозяине.

Эксперименты, посвященные выяснению роли кутиназы, иллюстрируют это положение. Кутикула закрывает воздушные части живых растений, и ее нужно преодолеть до того, как другие механизмы патогенности станут эффективными. Поэтому, ферментативная деградация кутина, структурного полимера кутикулы растения, постулировалась как критическая для патогенности грибов, и кутиназа, как предполагается, является ключевым игроком в процессе проникновения. Хотя ряд специалистов ключевую роль кутиназы для проникновения грибов в растения подвергают сомнению.

Альтернативно или в комбинации с гидролитическими ферментами, некоторые грибы развили более сложный и изощренный механизм, чтобы проникнуть через кутикулу растений-хозяев. Вообще, фитопатогенные грибы формируют специализированные органы проникновения, названные аппрессориями, в кончике их ростковых трубок; эти органы прочно присоединены к поверхности растения клейкими внеклеточными веществами. Когда аппрессорий развивается, пористость его стенки у проникающих механическим путем грибов заметно уменьшается за счет включения меланина, и внутри аппрессория развивается очень высокое тургорное давление – >8 мегапаскалей, что в 40 раз выше давления типичных автомобильных шин. Это давление фокусируется на маленькой области в основе аппрессория, которая остается свободной от материала стенки и меланина. Из этой пенетрационной поры развивается инфекционная гифа и проникает через кутикулу и стенку клетки, возможно при определенной помощи гидролитических ферментов.

Высокое тургорное давление в аппрессориях аскомицетов может быть обусловлено многоосновными спиртами, или полиолами. Высокие концентрации глицерола, достаточные, чтобы объяснить тургорное давление, были найдены в аппрессориях M. grisea.

У этого гриба дефицитные по меланину мутанты неспособны заражать интактные растения, но становятся патогенными на листьях с ободранной кутикулой, то есть поврежденных. Таким образом, меланин является существенным фактором патогенности для некоторых грибов, которые проникают в растение механическим путем.

Некоторые другие виды фитопатогенных грибов, включая некоторые ржавчинные грибы, не выработали механизма прямого проникновения, и взамен этого обходят кутикулу и наружные клеточные стенки за счет внедрения через устьица. Эти грибы выработали пока еще плохо понятный механизм обнаружения этих отверстий на поверхности растения.

Таким образом, проникновение грибов в растения контролируется комбинацией различных факторов, и в дополнение к факторам гриба в число этих факторов могут входить структуры поверхности растения, а также активаторы и ингибиторы прорастания спор грибов и формирования ростковых трубок.

2. Нарушение метаболизма растений с помощью токсинов

После проникновения, следующим шагом стратегии гриба в колонизации растения является секреция токсинов или веществ с гормональной активностью, которые изменяют физиологию растения в сторону, благоприятную для патогена. Такое вмешательство в метаболизм растения может состоять просто в убийстве клеток растений и использования их для питания, или в более тонкой переориентации клеточных процессов; часто эта цель достигается выделением продуцирования фитопатогенным грибом фитотоксинов, которые имеют варьирующую степень специфичности по отношению к различным растениям.

Фитотоксины идентифицированы у большого количества патогенов, но их действительная роль в патогенеза в большинстве случаев остается плохо понятной и спорной. Однако, в некоторых взаимодействиях растение-гриб, генетические и биохимические исследования показали, что токсины являются детерминантами специфичности гриба. В этих случаях, устойчивость или восприимчивость к грибу всегда высоко коррелирует с нечувствительностью или чувствительностью к токсину. Эти специфические для хозяина токсины продуцируются в основном грибами родов Alternaria и Cochliobolus.

Специфические фитотоксины.

Специфические токсины по отношению к чувствительным сортам и линиям растений активны при концентрациях в пределах от ~10 pM до 1 μM, и их степени специфики (селективности для хозяина) находятся в диапазоне от 100-кратной до >106-кратной.

Примеры специфических токсинов

T-токсин

T-токсин производится изолятамирасы T C. heterostrophus. Раса T C. heterostrophus очень вирулентная для линий кукурузы, обладающих цитоплазматической мужской стерильностью техасского типа (Tcms). Раса 0 C. heterostrophus, которая не производит T-токсин, является второстепенным патогеном кукурузы независимо от цитоплазмы.

T-токсин активен при ~10 nM у Tcms кукурузы и при ~10 μM у кукурузы с нормальной цитоплазмой. Чувствительны к токсину митохондрии растений. Основа чувствительности к T-токсину – перегруппировка митохондриального генома Tcms растений, которая приводит к синтезу химерного белка URF13, локализованного во внутренней митохондриальной мембране. Физические и биохимические исследования указывают, что URF13 формирует олигомерные поры в мембранах митохондрий в присутствии T-токсина.

Викторин

Викторин был одним из первых обнаруженных специфических токсинов; он имеет высокую токсичность (эффект был зарегистрирован при 10 pM). C. victoriae (возбудитель увядания овса Виктория) отрицательно воздействовал на экономику Соединенных Штатов в течение 1930-ых, вызывая главные эпидемии овса. Происхождение эпидемии увядания Виктории связано с модификацией генома овса. В 1930-ых, серьезной болезнью овса была корончатая ржавчина, вызванная Puccinia coronata. Обнаруженный в Уругвае ген Pc-2 обеспечивает хорошую устойчивость к P. coronata, и он был внедрен в основные сорта овса в Соединенных Штатах, в первую очередь сорт Виктория. Вскоре появилось ранее неизвестное увядание, которое специфически поражало сорта овса с геном Pc-2. Ген, который обеспечивает восприимчивость к C. victoriae, названный Hv-7 или Vb, является или тем же самым геном, что и Pc-2, или очень сильно связанным.

Несмотря на длительное изучение, точный механизм действия викторина остается неизвестным. Предполагается, что он связывается с одной из субъединиц декарбоксилазы глицина (GD) – сложного фермента с 42 субъединицами четырех типов. Фермент локализован в митохондриях и играет центральную роль в цикле фотодыхания. Викторин специфически ингибирует GD в растительных тканях, но он не оказывает никакого эффекта на GD в выделенных, неповрежденных митохондриях, из-за отсутствия поглощения. В интактных тканях, викторин накапливается в митохондриях чувствительных клеток, но не в митохондриях устойчивых клеток. Возможно, продукт гена Hv-7 может контролировать поглощение митохондриями или метаболизм викторина.

HC-токсин

Восприимчивость к C. carbonum раса 1 и чувствительность к его токсину, HC-токсину, контролируется двумя генами кукурузы, Hm1 и Hm2. Устойчивая кукуруза имеет ферментативную активность редуктазы HC-токсина, которая детоксифицирует HC-токсин. Современное доказательство указывает, что сайт действия HC-токсина – деацетилаза гистонов (HD), фермент, который обратимо деацетилирует внутренние гистоны (H3 и H4), когда они собраны в хроматине. Ацетилирование и деацетилирование внутренних гистонов изменяют индуцибельность и супрессивность некоторых классов генов, но детали того, как это происходит, не выяснены. HC-токсин ингибирует HD кукурузы, вызывая накопление ацетилированных гистонов in vivo.

В настоящее время исследователи пытаются понять, как ингибирование активности HD способствует заражению кукурузы C. carbonum раса 1. Одно возможное объяснение действия HC-токсина – то, что он способствует заражению, интерферируя с индукцией генов защиты кукурузы, то есть препятствует индукции защитных реакций растения.

Имеется большое количество других специфических токсинов. Исследования последних лет показали, что специфические фитотоксины не являются попросту метаболическими ядами, убивающими клетки растения. Для проявления их токсического действия необходимо активное участие метаболизма клетки хозяина; например, их токсический эффект не проявляется в случае ингибирования синтеза белка в клетки растения. В последнее время накапливается все больше экспериментальных данных, которые свидетельствуют о том, что гибель клеток растения обусловлена внутренними механизмами и представляет собой фактически защитную реакцию растения ­ – реакцию сверхчувствительности. Если это так, то некротрофные патогены ­– продуценты специфических фитотоксинов – фактически индуцирую реакцию устойчивости, и в дальнейшем используют ее результат к собственной выгоде.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *