Врожденный иммунитет растений

Растения обладают врожденным иммунитетом, который позволяет им обнаруживать на поверхности потенциально патогенных организмов и преодолевать исходящую от них угрозу. Главная особенность этой линии системы защиты является наличие рецепторов, существующих на поверхности растительных клеток, комплементарных к важнейшим молекулам патогенов и микроорганизмов вообще (т.е. PAMPs – pathogen-associated molecular patterns и MAMPs – microbe-associated molecular patterns). Например, растения воспринимают флагеллин жгутиков, липополисахариды оболочки бактерий, хитин и глюканы стенки грибов и многие другие молекулы микроорганизмов с помощью рецепторов (PRRs– Pattern recognition receptors). Большинство идентифицированных PRRs содержат экстрацеллюлярные LRR-домены, соединенные с киназным доменом под плазмалеммой и поэтому определяемые как рецептороподобные киназы – RLKs (Receptor-like kinases). Активированные RLKs передают сигнал на клеточное ядро. Для включения врожденного иммунитета синтез белка de novo не тре­буется, и ответная реакция возникает быстро, через 20-30 мин после контакта с лигандом. Но имеется и другая группа PRRs, у которых экстрацеллюлярный LRR-домен не связан с киназой: их называют RLPs (Receptor-kike proteins), и функциональная роль их пока не известна.

Чтобы обеспечить защиту против патогенов, если первая, неспецифическая линия обороны, преодолевается, растения имеют еще вторую линию обороны, создаваемую рецепторами, комплементарными к определенным эффекторам патогенов. В отличие от PRRs, которые узнают эволюционно консервативные молекулы MAMPs, эти рецепторные белки воспринимают специфические эффекторы патогена и содержат кроме LRR-домена еще NB-домен, а потому их часто называют NB-LRR-белками; на С-конце они могут содержать также TIR- или CC-домен. LRR-домен NB-LRR-белков находится над плазмалеммой не всегда, в большинстве случаев мишенью эффекторов оказываются внутрицитоплазматические NB-LRR-белки. Эти R-белки могут взаимодействовать с эффекторами либо прямо (как например, в патосистеме Linum–Melampsora lini), либо с участием посредников, как в системе Arabidopsis–Pseudomonas syringae). Непрямое действие часто связано с TIR- или CC-доменами в NB-LRR-белке.

Таким образом, большинство R-белков растений представлены комбинацией 5 основных доменов, обнаруживаемых почти у всех R-белков. Гомологичные R-белки имеются у растений разных порядков и придают им специфическую устойчивость к вирусам, бактериям, бактериям, грибам, нематодам, тлям. По-видимому, эти белки возникли давно, еще до расхождения растений по современным таксонам, и первично выполняли не защитные, а иные функции.

В поддержку высказанного предположения говорит то, что белок Pto томата гомологичен цитоплазматическому домену SRK – продукта гена гаметофитной несовместимости капусты. Экспрессия другого гена из семейства S-генов самонесовместимости капусты – SFR2, кодирующий также синтез рецепторной протеинкиназы, резко усиливается при поранении или инфильтрации патогенных бактерий: наряду с предотвращением самоопыления имеет и функции защиты от инфекции. Внеклеточный LRR-участок белка Ха21 риса подобен продуктам генов erectaи clavata растения Arabidopsis, которые определяют ориентацию, формы и размеры клеток растительных меристем и участвуют в гистодифференцировке, в частности, образовании трахеид и сосудов ксилемы. При их формировании происходят процессы, сходные со сверхчувствительной реакцией на инфекцию. В обоих случаях в клетке происходит взрыв окислительной и лизосомальной активности, и клеточные стенки либо в области папилл, либо по всей поверхности лигнифицируются (и тогда клетки могут превращаться в сосуды).

Молекулярные исследования подтвердили результаты предыдущих работ по картированию хромосом и положению на них генов устойчивости: в частности, о кластерном расположении генов устойчивости. Каждый R-ген (Cf, M, N, P, Pto, Xa21 и др.) представляет собой сложный локус, кодирующих несколько структурно сходных или идентичных белков. Такая структура возникла, вероятно, вследствие неравномерного кроссинговера и других явлений, приводящих к появлению внутри или по краям генов прямых и обратных повторов, вставок. Например, локусы Cf4 и Cf9 томата состоят из тандемно дуплицированных генов, где наряду с функционально активными последовательностями имеются гомологичные им, но не вызывающие сверхчувствительности гены. В увеличении генетического разнообразия семейств генов устойчивости могут играть роль разрывы ДНК, вызванные внедрением мобильных элементов. Причинами разнообразия семейств генов могут также быть дупликации с последующим возникновением структурных и даже функциональных различий. По-видимому, так возникло семейство генов Pto томата, включающее гены, которые определяют чувствительность к инсектициду фентиону, а не устойчивость к бактерии.

Число локусов, контролирующих R-белки, очень велико: в геноме Arabidopsis обнаружено более 150 локусов R-генов, распределенных по всем хромосомам. Из них около 60% кодируют белки TIR-NB-LRR, и 40% – LZ-NB-LRR. В геноме других растений R-локусов значительно больше [208]. Подобно множественным генам иммуноглобулинов млекопитающих, такая структура способна быстро реагировать на появление новых видов и рас патогенов.

Результаты молекулярно-генетических исследований R-генов также говорят о родстве корней иммунитета у растений и животных. Подобно дрозофиле, регуляция врожденного иммуни­тета и морфогенеза растений осуществляется через структурно аналогичные рецепторы и общие пути сигнальной трансдукции.

Изучение механизмов врожденного иммунитета у растений началось после открытия у животных аналогов tol-рецептора насекомых (TLR – Toll-like receptors), которые, при возбуждении передают сигнал в ядро и индуцируют транскрипцию генов, определяющих развитие иммунного ответа. Было показано, что механизм передачи сигнала с клеточной поверхности на ядерный геном и включения во взаимодействие некоторых генов у животных и растений аналогичен и осуществляется посредством каскада фосфокиназ (МАР-киназ – mitogen-activated kinases) и индукцией фактора транскрипции WRKY, растительного аналога NF-kB млекопитающих. Фактически элиситор патогена при связывании с рецептором растения включает в клетках последнего механизм будильника (guard), запускающего программу устойчивости. У растений стартует апоптозоподобный механизм сверхчувствительного некроза клеток.

J. Jones и J. Dangle в 2006 г. неспецифическую и специфическую устойчивость связали в двухтактном режиме взаимодействия, графически представили это взаимодействие в виде зигзагообразной векторной модели и назвали данный функциональный механизм системой иммунитета растений. На первом (неспецифическом) этапе взаимодействия результатом узнавания патогена растением является первичный, видо-специфичный, или нехозяинный иммунный ответ – PTI(PAMP-triggered immunity). Затем, на втором этапе активируется специфическая система ответа на секретируемые факторы вирулент­ности паразита – эффекторы; их узнавание системой R-белков вызы­вает вторичный, или расо-сорто-специфич-ный иммунный ответ – ETI (Effector-triggered immunity).

В защитных реакциях растения оставались не совсем понятными структурные и химические проявления видо-специфической (неспецифической, нехозяинной, или базисной) и расо-сорто-специфической (специфической) форм устойчивости. Считалось, что наследственную основу первой составляют комплекс нескольких генов (т.е. она полигенная, ее называют еще горизонтальной), а второй – проявления отдельных генов (т.е. она моногенная, ее назывют верикальной). Видовую (нехозяиную) устойчивость растений представляют эволюционно более древней, чем расо-сорто-специфическую, и при взаимодействии патогена с растением первая проявляется раньше второй. Иными словами, в растении, вступающим в контакт с патогенном, неспецифическая предваряет специфическую: к расо-сорто-специфическому взаимодействию предполагающему механизм ген-на-ген), патоген и растение смогут перейти только после преодоления патогеном первой нехозяинной (видоспецифическй, или базисной) устойчивости.

В настоящее время утвердилось представление, что видоспецифическая (нехозяинная) устойчивость есть не что иное, как врожденная, или врожденный иммунитет (innate immunity) и вызывается неспецифическими элиситорами патогенов, воспринимаемыми растениями как чужеродные молекулы. Также показано, что сверхчувствительность одинаковым образом развивается у растения как в ответ на элиситоры непатогенного микроорганизма, так и авирулентной расы патогена. Строгих качественных различий между видовым и сортовымиммунитетом и формами их проявления нет, имеются лишь некоторые количественные особенности: специфическая устойчивость проявляется несколько быстрее, сильнее, отчетливее и часто сопровождается гибелью клеток, окружающих инфицированную в реакции сверхчувствительности.

Оба ответа PTI и ETI качественно сходны. Приводя к сходному конеч­ному результату, специфическая и неспецифическая системы защиты, ис­пользуют разные сигнальные пути – первая, в основном, действует через активиза­цию фенольного метаболизма и использует в качестве универсального посредника салициловую кислоту, вторая – через липооксигеназный путь с образованием другого универсального мессенджера – жасмоновой кислоты.