Президиум на Руската академия на науките
ВЪЗЛОЖЕНА
Награда А. Н. Бах 2002 г
Академик Игор Анатолиевич ТАРЧЕВСКИ
за цикъла от работи "Сигнални системи на растителни клетки"
Академик I.A. ТЪРЧЕВСКИ
(Казански институт по биохимия и биофизика KSC RAS, Институт по биохимия A.N. Bach RAS)
СИГНАЛНИ СИСТЕМИ НА РАСТИТЕЛНИТЕ КЛЕТКИ
И. А. Тарчевски изучава ефекта на абиотичните и биотичните стресори върху метаболизма на растенията в продължение на почти 40 години. През последните 12 години най-голямо внимание беше отделено на една от най-обещаващите области на съвременната биохимия и физиология на растенията - ролята на клетъчните сигнални системи при формирането на стресово състояние. По този проблем I.A.Tarchevsky публикува 3 монографии: „Катаболизъм и стрес в растенията“, „Метаболизъм на растенията при стрес“ и „Сигнални системи на растителните клетки“. В 30 статии I.A.Tarchevsky и съавторите публикуваха резултатите от изследванията на аденилатциклазата, калция, липоксигеназата и NADPH оксидазата на сигналните системи на растителните клетки. Изследва се сигналната система на NO-синтазата.
Анализът на характеристиките на растителния катаболизъм при стрес доведе до заключението за сигналната функция на "останките" - олигомерни продукти на разграждане на биополимери и "фрагменти" от фосфолипиди. Предположението, направено в тази работа за елиситорните (сигнални) свойства на продуктите от разграждане на кутин, по-късно беше потвърдено от чуждестранни автори.
Бяха публикувани не само експериментални работи, но и рецензии, обобщаващи резултатите от изследванията на сигналните системи на растителните клетки от местни и чуждестранни автори.
Изследванията на липидния метаболизъм, започнати в лабораторията на автора от А. Н. Гречкин и след това продължени от него в независима лаборатория, позволиха да се получат приоритетни резултати, които значително разшириха разбирането на липоксигеназната сигнална каскада. Изследването на ефекта на салициловата киселина, междинен продукт на NADPH оксидазната система, върху синтеза на протеини доведе до заключението за причината за отдавна установената биологична активност на друго съединение, янтарната киселина. Оказа се, че последният е миметик на салицилата и третирането на растенията с него "включва" сигнални системи, което води до синтез на салицилат-индуцирани защитни протеини и повишаване на устойчивостта към патогени.
Установено е, че различни екзогенни стресови фитохормони - жасмонова, салицилова и абсцизова киселина предизвикват индукция на синтеза както на едни и същи протеини (което показва "включването" на едни и същи сигнални пътища от тези хормони), така и протеини, специфични за всеки от тях (което показва едновременното "включване" на различни сигнални каскади).
За първи път в световната литература И. А. Тарчевски анализира функционирането на всички известни клетъчни сигнални системи в растенията и възможностите за тяхното взаимно влияние, което доведе до идеята, че клетките нямат изолирани сигнални системи, а сигнална мрежа, състояща се от взаимодействащи системи.
Предложена е класификация на патогенно-индуцираните протеини според техните функционални характеристики и е направен преглед на характеристиките на синтеза на тези протеини, „включени“ от различни сигнални системи. Някои от тях са участници в сигналните системи на растенията и тяхното интензивно образуване подобрява възприемането, трансформацията и предаването на елиситорни сигнали към генетичния апарат, други ограничават храненето на патогените, трети катализират образуването на фитоалексини, четвъртите - реакциите на укрепване на стените на растителните клетки, а петите причиняват апоптоза на заразените клетки. Функционирането на всички тези предизвикани от патогени протеини значително ограничава разпространението на инфекцията в растението. Шестата група протеини може директно да действа върху структурата и функциите на патогените, като спира или потиска тяхното развитие. Някои от тези протеини причиняват разграждане на клетъчната стена на гъбичките и бактериите, други нарушават функционирането на тяхната клетъчна мембрана, като променят нейната пропускливост за йони, а трети потискат работата на машината, синтезираща протеини, като блокират синтеза на протеини в рибозомите на гъбичките и бактериите или като действат върху вирусната РНК.
И накрая, за първи път беше обобщена работата по конструирането на устойчиви на патогени трансгенни растения и тази прегледна работа се основаваше на гореспоменатата класификация на индуцирани от патогени защитни протеини.
Изследването на сигналните системи на растителните клетки е не само от голямо теоретично значение (тъй като те формират основата на молекулярните механизми на стрес), но и от голямо практическо значение, тъй като позволяват създаването на ефективни антипатогенни лекарства на базата на естествени елиситори и междинни продукти на сигналните системи.
Тимирязевская, Костичевская и Сисакяновски лекции на И. А. Тарчевски (последната в сътрудничество с А. Н. Гречкин), както и презентации на международни конференции (в Унгария, Англия, Франция, Полша, Турция, Израел, Индия, Германия и др.) Бяха посветени на различни аспекти на функционирането на сигналните системи на растителните клетки.
За изследване на една от сигналните системи - липоксигеназа, I.A.Tarchevsky и член-кореспондент на Руската академия на науките A.N.Grechkin през 1999 г. са удостоени с наградата V.A.Engelgardt на Академията на науките на Република Татарстан.
В много публикации на И. А. Тарчевски участват като съавтори негови колеги - член-кореспондентът на Руската академия на науките А. Н. Гречкин, докторите на биологичните науки Ф. Г. Каримова, Н. Н. Максютова, В. М. Чернов, О. А. Чернова и кандидатът на биологичните науки В. Г. Яковлева.
През 2001 г. по инициатива на И. А. Тарчевски и с негово участие като председател на организационния комитет в Москва се проведе Международен симпозиум по сигнални системи на растителни клетки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Тарчевски И.А. Катаболизъм и стрес при растенията. Науката. М. 1993. 83 с.
2. Тарчевски И.А. Растителен метаболизъм при стрес. Избрани произведения. Издателство "Фън" (Наука). Казан. 2001. 448 с.
3. Тарчевски I.A. Сигнални системи на растителни клетки. М.: Наука, 2002. 16,5 с. (в пресата).
4. Максютова Н.Н., Викторова Л.В., Тарчевски И.А. Ефектът на ATP и c-AMP върху протеиновия синтез в пшеничните зърна. // Physiol. биохим. култури. растения. 1989. Т. 21. № 6. С.582-586.
5. Гречкин А.Н., Гафарова Т.Е., Королев О.С., Курамшин Р.А., Тарчевски И.А. Монооксигеназният път на окисление на линолова киселина в разсад от грах. / В: „Биологична роля на растителните липиди“. Будапеща: Академия. Киадо. Ню Йорк, Лондон. Пленум. 1989. P.83-85.
6. Тарчевски И.А., Гречкин А.Н. Перспективи за търсене на ейкозаноидни аналози в растенията. / В: „Биологична роля на растителните липиди“. Будапеща: Академия. Киадо. Ню Йорк, Лондон. Пленум. 1989. С.45-49.
7. Гречкин А.Н., Кухтина Н.В., Курамшин Р.А., Сафонова Е.Ю., Ефремов Ю.Я., Тарчевски И.А. Метаболизиране на коронарни и вернолови киселини в грахов епикотилов хомогенат. // Биоорган. химия. 1990. Т.16. № 3. С. 413-418.
8. Гречкин А.Н., Гафарова Т.Е., Тарчевски И.А. Биосинтеза на 13-оксо-9(Z), 11(Е)-тридекадиенова киселина в хомогенат от листа на грах. / В: „Биохимия на растителните липиди. Структура и използване". Лондон. Портланд Прес. 1990. С. 304-306.
9. Гречкин А.Н., Курамшин Р.А., Тарчевски И.А. Малък изомер на 12-оксо-10,15-фитодиенова киселина и механизмът на образуване на естествени циклопентенони. / В: „Биохимия на растителните липиди. Структура и използване". Лондон. Портланд Прес. 1990. P.301-303.
10. Тарчевски И.А., Курамшин Р.А., Гречкин А.Н. Превръщане на α-линоленат в конюгирани триени и оксотриени от липоксигеназа от картофени клубени. / В: „Биохимия на растителните липиди. Структура и използване". Лондон. Портланд Прес. 1990. С. 298-300.
11. Гречкин А.Н., Курамшин Р.А., Тарчевски И.А. Образуване на нов α-кетол чрез хидропероксид дехидраза от ленени семена. // Биоорган. химия. 1991. Т. 17. № 7. С. 997-998.
12. Гречкин A.N., Курамшин R.A., Сафонова E.Y., Ефремов Y.J., Латипов S.K., Илясов A.V., Тарчевски I.A. Двойна хидропероксидация на линоленова киселина от липоксигеназа от картофени клубени. // Biochim. Biophys. акта. 1991. V. 1081. N 1. P. 79-84.
13. Тарчевски И.А. Регулаторна роля на разграждането на биополимери и липиди. // Physiol. растения. 1992. Т. 39. N 6. С. 156-164.
14. Тарчевски И.А., Максютова Н.Н., Яковлева В.Г. Влияние на салициловата киселина върху протеиновия синтез в граховите разсад. // Физиология на растенията. 1996. Т.43. № 5. С. 667-670.
15. Тарчевски И.А., Максютова Н.Н., Яковлева В.Г., Чернов В.М. Индуцирани от микоплазма и индуцирани от жасмонат протеини на грахови растения. // Доклади на Руската академия на науките. 1996. Т. 350. N 4. С. 544 - 545.
16. Чернов В.М., Чернова О.А., Тарчевски И.А. Феноменология на микоплазмените инфекции в растенията. // Physiol. растения. 1996. Т. 43. N.5. С. 721 - 728.
17. Тарчевски И.А. За вероятните причини за активиращия ефект на янтарната киселина върху растенията. / В книгата "Янтарната киселина в медицината, хранително-вкусовата промишленост, селското стопанство". Пущино. 1997. С.217-219.
18. Гречкин А.Н., Тарчевски И.А. Липооксигеназна сигнална система. // Physiol. растения. 1999. Т. 46. № 1. С. 132-142.
19. Каримова Ф.Г., Корчуганова Е.Е., Тарчевски И.А., Абубакирова М.Р. Обмен на Na+/Ca+ в растителните клетки. // Доклади на Руската академия на науките. 1999 г. том 366. № 6. С. 843-845.
20. Каримова Ф.Г., Тарчевски И.А., Мурсалимова Н.У., Гречкин А.Н. Влияние на продукта от метаболизма на липоксигеназата -12-хидроксидодеценова киселина върху фосфорилирането на растителни протеини. // Physiol. растения. 1999. Т.46. номер 1. стр.148-152.
21. Тарчевски И.А. Взаимодействие на сигнални системи на растителни клетки, "включени" от олигозахариди и други елиситори. // "Нови перспективи в изследването на хитина и хитозана". Материали от петата конференция. Издателство М. ВНИРО. 1999. С.105-107.
22. Тарчевски И.А., Гречкин А.Н., Каримова Ф.Г., Корчуганова Е.Е., Максютова Н.Н., Мухтарова Л.Ш., Яковлева В.Г., Фазлиев Ф.Н., Ягушева М.Р., Палих Е., Хохлова Л.П. За възможността за участие на циклоаденилатни и липоксигеназни сигнални системи в адаптирането на пшенични растения към ниски температури. / В книгата. „Граници на сътрудничество. Към 10-годишнината от Споразумението за сътрудничество между университетите в Казан и Гисен”. Казан: УНИПРЕС, 1999. С. 299-309.
23. Тарчевски И.А., Максютова Н.Н., Яковлева В.Г., Гречкин А.Н. Янтарната киселина е миметик на салициловата киселина. // Physiol. растения. 1999. Т. 46. № 1. С. 23-28.
24. Гречкин А.Н., Тарчевски И.А. Липоксигеназна сигнална каскада в растенията. // Научен Татарстан. 2000. № 2. С. 28-31.
25. Гречкин А.Н., Тарчевски И.А. Клетъчни сигнални системи и геном. // Биоорганична химия. 2000. Т. 26. № 10. С. 779-781.
26. Тарчевски И.А. Елиситор-индуцирани сигнални системи и тяхното взаимодействие. // Physiol. растения. 2000. Т. 47. № 2. С. 321-331.
27. Тарчевски И.А., Чернов В.М. Молекулярни аспекти на фитоимунитета. // Микология и фитопатология. 2000. Т. 34. № 3. С. 1-10.
28. Каримова Ф., Корчуганова Е., Тарчевски И., Лагучева М. Противоположно насоченият трансмембранен транспорт на Ca+2 и Na+ в клетки на водорасли. // Протоплазма. 2000. Т. 213. С. 93-98.
29. Тарчевски И.А., Каримова Ф.Г., Гречкин А.Н. и Мухаметчина Н.М. Влияние на (9Z) -12-хидрокси-9-додеценова киселина и метил жасмонат върху фосфорилирането на растителни протеини. // Транзакции на биохимичното общество. 2000. V. 28. N. 6. P. 872-873.
30. Тарчевски И.А. Индуцирани от патогени растителни протеини. // Приложна микробиология и биохимия. 2001. Т. 37. № 5. С. 1-15.
31. Тарчевски И.А., Максютова Н.Н., Яковлева В.Г. Влияние на салицилат, жасмонат и ABA върху протеиновия синтез. // Биохимия. 2001. Т. 66. N. 1. S. 87-91.
32. Яковлева В.Г., Тарчевски И.А., Максютова Н.Н. Влияние на NO донорен нитропрусид върху протеиновия синтез в грахови разсад. // Резюмета от международен симпозиум "Растение под стрес от околната среда". Москва. Издателство на Руския университет за приятелство на народите. 2001. С. 318-319.
33. Яковлева В.Г., Максютова Н.Н., Тарчевски И.А., Абдулаева А.Р. Влияние на донор и инхибитор на NO-синтазата върху протеиновия синтез на грахови кълнове. // Резюмета от международен симпозиум "Сигнални системи на растителни клетки". Москва, Русия, 2001, 5-7 юни. ОНТИ, Пущино. 2001. С. 59.
Устойчивостта на растенията към патогени се определя, както е установено от H. Flor през 50-те години на миналия век, чрез взаимодействието на комплементарна двойка гени на растение гостоприемник и патогени, съответно, гена за резистентност (R) и гена за авирулентност (Avr). Специфичността на тяхното взаимодействие предполага, че експресионните продукти на тези гени участват в разпознаването на патоген от растението с последващо активиране на сигнални процеси за задействане на защитни реакции.
Понастоящем са известни 7 сигнални системи: циклоаденилат, MAP-киназа (митоген-активирана протеин-киназа), фосфатидна киселина, калций, липоксигеназа, NADP H-оксидаза (супероксид синтаза), NO-синтаза.
В първите пет сигнални системи G протеините посредничат между цитоплазмената част на рецептора и първия активиран ензим. Тези протеини са локализирани от вътрешната страна на плазмалемата. Техните молекули се състоят от три субединици: a, b и g.
Циклоденилатна сигнална система. Взаимодействието на стресор с рецептор на плазмената мембрана води до активиране на аденилат циклаза, която катализира образуването на цикличен аденозин монофосфат (cAMP) от АТФ. cAMP активира йонни канали, включително калциевата сигнална система и cAMP-зависими протеин кинази. Тези ензими активират протеини, които регулират експресията на защитни гени чрез фосфорилиране.
MAP киназна сигнална система. Активността на протеин киназите се повишава при растения, изложени на стрес (синя светлина, студ, изсушаване, механични повреди, солен стрес), както и третирани с етилен, салицилова киселина или заразени с патоген.
В растенията протеин киназната каскада функционира като път на сигнална трансдукция. Свързването на елиситора към рецептора на плазмената мембрана активира MAP киназите. Той катализира фосфорилирането на цитоплазмената киназа MAP киназа, която активира MAP киназата при двойно фосфорилиране на треонинови и тирозинови остатъци. Той преминава в ядрото, където фосфорилира транскрипционните регулаторни протеини.
Сигнална система за фосфатидна киселина. В животинските клетки G протеините под въздействието на стресор активират фосфолипази С и D. Фосфолипаза С хидролизира фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат до образуване на диацилглицерол и инозитол-1,4,5-трифосфат. Последният освобождава Ca2+ от свързаното състояние. Повишеното съдържание на калциеви йони води до активиране на Ca2+-зависими протеин кинази. Диацилглицеролът след фосфорилиране от специфична киназа се превръща във фосфатидна киселина, която е сигнално вещество в животинските клетки. Фосфолипаза D директно катализира образуването на фосфатидна киселина от мембранни липиди (фосфатидилхолин, фосфатидилетаноламин).
В растенията стресорите активират G протеини, фосфолипази C и D в растенията. Следователно началните етапи на този сигнален път са еднакви в животинските и растителните клетки. Може да се предположи, че в растенията се образува и фосфатидна киселина, която може да активира протеин кинази с последващо фосфорилиране на протеини, включително фактори за регулиране на транскрипцията.
калциева сигнална система. Въздействието на различни фактори (червена светлина, соленост, суша, студ, топлинен шок, осмотичен стрес, абсцизова киселина, гиберелин и патогени) води до увеличаване на съдържанието на калциеви йони в цитоплазмата поради увеличаване на вноса от външна средаи излизане от вътреклетъчното хранилище (ендоплазмен ретикулум и вакуола)
Увеличаването на концентрацията на калциеви йони в цитоплазмата води до активиране на разтворими и мембранно свързани Ca2+-зависими протеин кинази. Те участват във фосфорилирането на протеинови фактори, регулиращи експресията на защитни гени. Доказано е обаче, че Ca2+ може директно да повлияе на човешкия транскрипционен репресор, без да задейства каскадата на протеиново фосфорилиране. Калциевите йони също така активират фосфатазите и фосфоинозит-специфичната фосфолипаза С. Регулаторният ефект на калция зависи от взаимодействието му с вътреклетъчния калциев рецептор, протеина калмодулин.
Липооксигеназна сигнална система. Взаимодействието на елиситора с рецептора на плазмената мембрана води до активиране на мембранно свързаната фосфолипаза А2, която катализира освобождаването на ненаситени мастни киселини, включително линолова и линоленова киселини, от фосфолипидите на плазмената мембрана. Тези киселини са субстрати за липоксигеназата. Субстрати за този ензим могат да бъдат не само свободни, но и ненаситени мастни киселини, които са част от триглицеридите. Активността на липоксигеназите се увеличава под действието на елиситори, инфекция на растенията с вируси и гъбички. Увеличаването на активността на липоксигеназите се дължи на стимулирането на експресията на гени, кодиращи тези ензими.
Липооксигеназите катализират добавянето на молекулярен кислород към един от въглеродните атоми (9 или 13) на цис, цис-пентадиеновия радикал на мастните киселини. Междинните и крайните продукти на липоксигеназния метаболизъм на мастните киселини имат бактерицидни, фунгицидни свойства и могат да активират протеин кинази. Така летливите продукти (хексенали и ноненали) са токсични за микроорганизми и гъбички, 12-хидрокси-9Z-додеценова киселина стимулира протеиново фосфорилиране в грахови растения, фитодиенова, жасмонова киселина и метил жасмонат повишават нивото на експресия на защитни гени чрез активиране на протеин кинази.
NADP·N-оксидазна сигнална система. В много случаи инфекцията с патогени стимулира производството на реактивни кислородни видове и клетъчната смърт. Реактивните кислородни видове са не само токсични за патогена и заразените растителни клетки гостоприемници, но също така участват в сигналната система. По този начин водородният пероксид активира факторите за регулиране на транскрипцията и експресията на защитни гени.
NO синтазна сигнална система. В макрофагите на животните, които убиват бактериите, заедно с реактивните кислородни видове действа азотен оксид, засилвайки техния антимикробен ефект. В животинските тъкани L-аргининът се превръща от NO синтаза в цитрулин и NO. Активността на този ензим е открита и в растенията и вирусът на тютюневата мозайка предизвиква повишаване на неговата активност в устойчиви растения, но не повлиява активността на NO синтазата в податливи растения. NO, взаимодействайки с кислородния супероксид, образува много токсичен пероксинитрил. При повишена концентрация на азотен оксид се активира гуанилат циклаза, която катализира синтеза на цикличен гуанозин монофосфат. Той активира протеин киназите директно или чрез образуването на циклична ADP-рибоза, която отваря Ca2+ канали и по този начин повишава концентрацията на калциеви йони в цитоплазмата, което от своя страна води до активиране на Ca2+-зависими протеин кинази.
По този начин в растителните клетки има координирана система от сигнални пътища, които могат да действат независимо един от друг или заедно. Характеристика на сигналната система е усилването на сигнала в процеса на неговото предаване. Активирането на сигналната система в отговор на въздействието на различни стресори (включително патогени) води до активиране на експресията на защитни гени и повишаване на устойчивостта на растенията.
Индуцирани механизми: а) повишено дишане, б) натрупване на вещества, които осигуряват стабилност, в) създаване на допълнителни защитни механични бариери, г) развитие на реакция на свръхчувствителност.
Патогенът, преодолявайки повърхностните бариери и попадайки в проводящата система и растителните клетки, причинява заболяването на растението. Естеството на заболяването зависи от устойчивостта на растението. Според степента на устойчивост се разграничават четири категории растения: чувствителни, толерантни, свръхчувствителни и изключително устойчиви (имунни). Нека ги характеризираме накратко, използвайки примера за взаимодействието на растенията с вирусите.
В чувствителните растения вирусът се транспортира от първоначално заразените клетки в цялото растение, размножава се добре и причинява различни болестни симптоми. При податливите растения обаче има защитни механизми, които ограничават вирусната инфекция. Това се доказва например от възобновяването на възпроизвеждането на вируса на тютюневата мозайка в протопласти, изолирани от заразени листа на тютюневи растения, в които растежът на инфекциозността е приключил. Тъмнозелените зони, които се образуват върху младите листа на болните чувствителни растения, се характеризират с висока степен на устойчивост на вируси. Клетките на тези зони почти не съдържат вирусни частици в сравнение със съседните клетки от светлозелена тъкан. Ниското ниво на натрупване на вируса в клетките на тъмнозелената тъкан е свързано със синтеза на антивирусни вещества. В толерантните растения вирусът се разпространява в цялото растение, но не се възпроизвежда добре и не причинява симптоми. При свръхчувствителните растения първоначално заразените и съседните клетки стават некротични, локализирайки вируса в некроза. Смята се, че при изключително устойчиви растения вирусът се възпроизвежда само в първоначално заразени клетки, не се транспортира през растението и не причинява симптоми на заболяването. Въпреки това беше показано транспортирането на вирусен антиген и субгеномни РНК в тези растения и когато заразените растения се държат при ниска температура (10–15 ° C), се образува некроза върху заразените листа.
Резистентните механизми на свръхчувствителните растения са най-добре проучени. Образуването на локална некроза е типичен симптом на реакция на свръхчувствителност на растенията в отговор на атака на патоген. Те възникват в резултат на смъртта на група клетки на мястото на въвеждане на патогена. Смъртта на заразените клетки и създаването на защитна бариера около некрозата блокира транспортирането на инфекциозния принцип в растението, предотвратява достъпа на хранителни вещества до патогена, причинява елиминиране на патогена, води до образуването на антипатогенни ензими, метаболити и сигнални вещества, които активират защитните процеси в съседни и отдалечени клетки и в крайна сметка допринасят за възстановяването на растението. Клетъчната смърт настъпва поради включването на програмата за генетична смърт и образуването на съединения и свободни радикали, които са токсични както за патогена, така и за самата клетка.
Некротизацията на заразени клетки на свръхчувствителни растения, контролирана от гените на патогена и растението гостоприемник, е специален случай на програмирана клетъчна смърт (PCD). PCD е от съществено значение за нормалното развитие на тялото. Така се случва например по време на диференциацията на трахеидните елементи по време на образуването на ксилемни съдове и смъртта на клетките на капачката на корена. Тези периферни клетки умират дори когато корените растат във вода, което означава, че клетъчната смърт е част от развитието на растението, а не е причинена от действието на почвата. Приликата между PCD и клетъчната смърт при реакция на свръхчувствителност е, че това са два активни процеса, съдържанието на калциеви йони в цитоплазмата също се увеличава в некротизиращата клетка, образуват се мембранни везикули, повишава се активността на дезоксирибонуклеазите, ДНК се разлага на фрагменти с 3'OH краища, настъпва кондензация на ядрото и цитоплазмата.
В допълнение към включването на PCD, некротизацията на заразените клетки на свръхчувствителните растения възниква в резултат на освобождаването на феноли от централната вакуола и хидролитични ензими от лизозомите поради нарушаване на целостта на клетъчните мембрани и повишаване на тяхната пропускливост. Намаляването на целостта на клетъчните мембрани се дължи на липидната пероксидация. Може да възникне с участието на ензими и по неензимен път в резултат на действието на реактивни кислородни видове и свободни органични радикали.
Едно от характерните свойства на свръхчувствителните растения е придобитата (индуцирана) резистентност към повторно заразяване с патоген. Предложени са термините системна придобита резистентност (SAR) и локализирана придобита резистентност (LAR). Твърди се, че LAR е в случаите, когато е придобита резистентност от клетки в зоната, непосредствено съседна на локалната некроза (разстояние приблизително 2 mm). В този случай вторичната некроза изобщо не се образува. Придобитата резистентност се счита за системна, ако се развива в болни растителни клетки, отдалечени от мястото на първоначалното въвеждане на патогена. SAR се проявява в намаляване на нивото на натрупване на вируси в клетките, намаляване на размера на вторичната некроза, което показва инхибиране на транспорта на вируса на къси разстояния. Не е ясно дали LAR и SAR се различават един от друг или това е един и същ процес, протичащ в клетки, разположени на различни разстояния от мястото на първоначалното навлизане на вируса в растението.
Придобитата резистентност обикновено е неспецифична. Устойчивостта на растенията към вируси се причинява от бактериални и гъбични инфекции и обратно. Резистентността може да бъде предизвикана не само от патогени, но и от различни вещества.
Развитието на SAR се свързва с разпространението в цялото растение на вещества, образувани в първоначално заразените листа. Предполага се, че индукторът на SAR е салициловата киселина, която се образува по време на некроза на първоначално инфектирани клетки.
При възникване на заболяване в растенията се натрупват вещества, които повишават устойчивостта им към патогени. Важна роля в неспецифичната устойчивост на растенията играят антибиотичните вещества - летливи, открити от Б. Токин през 20-те години на 20 век. Те включват нискомолекулни вещества с различна структура (алифатни съединения, хинони, гликозиди с феноли, алкохоли), които могат да забавят развитието или да убият микроорганизмите. Отделяйки се при нараняване на лука и чесъна, летливите фитонциди предпазват растението от патогени, които вече са над повърхността на органите. Нелетливите фитонциди се локализират в покривните тъкани и участват в създаването на защитните свойства на повърхността. Вътре в клетките те могат да се натрупват във вакуоли. В случай на увреждане количеството на фитонцидите рязко се увеличава, което предотвратява евентуална инфекция на ранените тъкани.
Фенолите също се класифицират като антибиотични съединения в растенията. В случай на увреждане и заболяване в клетките се активира полифенолоксидаза, която окислява фенолите до силно токсични хинони. Фенолните съединения убиват патогени и растителни клетки гостоприемници, инактивират патогенните екзоензими и са необходими за синтеза на лигнин.
Сред вирусните инхибитори са открити протеини, гликопротеини, полизахариди, РНК, фенолни съединения. Има инхибитори на инфекцията, които директно засягат вирусните частици, правейки ги неинфекциозни, или блокират рецепторите на вирусите. Например, инхибиторите от сок от цвекло, магданоз и касис причиняват почти пълно унищожаване на вирусните частици на тютюневата мозайка, докато сокът от алое причинява линейна агрегация на частиците, което намалява възможността за проникване на частици в клетките. Инхибиторите на репродукцията променят клетъчния метаболизъм, като по този начин повишават клетъчната устойчивост или инхибират вирусната репродукция. Рибозомно-инактивиращите протеини (RIPs) участват в устойчивостта на растенията към вируси.
В свръхчувствителни тютюневи растения, заразени с вируса на тютюневата мозайка, са открити протеини, първоначално наречени b-протеини, а сега те се наричат протеини, свързани с патогенезата (PR-протеини) или протеини, свързани с резистентност. Общото наименование "PR протеини" предполага, че техният синтез се индуцира само от патогени. Тези протеини обаче се образуват и в здрави растения по време на цъфтеж и различни стресове.
През 1999 г. въз основа на аминокиселинната последователност, серологичните свойства, ензимната и биологичната активност е създадена унифицирана номенклатура на PR протеини за всички растения, състояща се от 14 семейства (PR-1 - PR-14). Някои PR протеини имат протеазна, рибонуклеазна, 1,3-b-глюканазна, хитиназна активност или са протеазни инхибитори. Висшите растения нямат хитин. Вероятно тези протеини участват в защитата на растенията срещу гъбички, тъй като хитинът и b-1,3-глюканите са основните компоненти на клетъчните стени на много гъби, а хитиназата хидролизира b-1,3 връзките на хитина. Хитиназата може също да действа като лизозим чрез хидролизиране на пептидоглюканите на бактериалните клетъчни стени. Въпреки това b-1,3-глюканазата може да улесни транспортирането на вирусни частици през листата. Това се дължи на факта, че b-1,3-глюканазата разрушава калозата (b-1,3-глюкан), която се отлага в клетъчната стена и плазмодесмата и блокира транспортирането на вируса.
Съставът на PR протеините също включва протеини с ниско молекулно тегло (5 kDa) - модификатори на клетъчните мембрани на гъбички и бактерии: тионини, дефензини и протеини за пренос на липиди. Тионините са токсични при in vitro условия за фитопатогенни гъбички и бактерии. Тяхната токсичност се дължи на разрушителното действие върху мембраните на патогените. Дефензините имат силни противогъбични свойства, но не действат на бактериите. Дефензините от растения от семействата Brassicaceae и Saxifragaceae потискат растежа на гъбичните хифи чрез разтягане, но насърчават тяхното разклоняване. Дефензините от растения от семейства Asteraceae, Fabaceae и Hippocastanaceae забавят удължаването на хифите, но не оказват влияние върху тяхната морфология.
Когато растенията са заразени с патогени, активността на литичния компартмент на клетките на чувствителните и свръхчувствителните растения се увеличава. Литичното отделение на растителните клетки включва малки вакуоли - производни на ендоплазмения ретикулум и апарата на Голджи, функциониращи като първични животински лизозоми, т.е. структури, съдържащи хидролази, които нямат субстрати за тези ензими. В допълнение към тези вакуоли, литичното отделение на растителните клетки включва централната вакуола и други вакуоли, еквивалентни на вторични лизозоми на животински клетки, които съдържат хидролази и техните субстрати, както и плазмалема и нейни производни, включително парамурални тела, и извънклетъчни хидролази, локализирани в клетъчната стена и в пространството между стената и плазмалемата.
AB11 и AB12 играят ключова роля в ABA-индуцирани
сигнален път за баня. Наблюдава се рН-зависима и Mg2+-зависима активност.
ация ABU .
В протеиновите фосфатази MP2C основната мишена е MAPKKK, която се активира под въздействието на различни стресори. Тази специфика става разбираема, като се има предвид, че някои протеинови фосфатази са намерили места на свързване със съответните им протеин кинази.
Участници в сигнала
всички системи от клетки. Това дава възможност да се осигури съществуването на комплекса протеин киназа-протеин фосфатаза и да се блокира своевременно и ефективно трансформирането и предаването на сигналния импулс в генома. Принципът на действие на този механизъм е доста прост: натрупването на определена протеин киназа, междинен продукт на сигналната верига, активира фосфопротеин фосфатазата и води до дефосфорилиране (инактивиране) на протеин киназата. Например, активирането на някои протеин кинази може да доведе до фосфорилиране и активиране на съответните протеин фосфатази. При изследването на функционирането на протеиновите фосфатази често се използват специфични инхибитори, като окадаинова киселина и каликулин.
ФАКТОРИ ЗА РЕГУЛИРАНЕ НА ТРАНСКРИПЦИЯТА
Синтезът на информационни РНК се катализира от ДНК-зависими РНК полимерази, един от най-големите протеинови комплекси, състоящ се от две големи и 5-13 малки субединици, което се определя от сложността и важността на техните функции. Тези субединици имат консервативни аминокиселинни последователности, които са повече или по-малко общи за животни и растения. Активността на РНК полимеразата и разпознаването на транскрибираните гени се регулират от няколко вида протеини. транскрипт фактори за регулиране на йони." Тези протеини са в състояние да взаимодействат с други протеини, включително идентични, променят конформацията при фосфорилиране на няколко от съставните им аминокиселини, [разпознават регулаторни нуклеотидни последователности в промоторните региони на гените, което води до промяна в интензитета на тяхната експресия. Факторите за регулиране на транскрипцията са тези, които насочват РНК полимеразата към точката на иницииране на транскрипция на съответния ген (или набор от гени), без пряко участие участващи в каталитичния акт на синтеза на иРНК.
В животинските организми са установени структурни характеристики на повече от 1000 фактора за регулиране на транскрипцията. Клонирането на техните гени допринесе за получаване на информация, която направи възможно класифицирането на тези протеини.
Всички фактори за регулиране на транскрипцията съдържат три основни домейна. ДНК-свързващият домейн е най-консервативен. Аминокиселинната последователност в него определя разпознаването на определени нуклеотидни последователности в генните промотори.
В зависимост от хомологията на първичните и вторичните структури на ДНК-свързващия домен факторите за регулиране на транскрипцията се разделят на четири суперкласа: 1) с домени, обогатени с основни аминокиселини; 2) с ДНК-свързващи домени, координиращи цинкови йони - "цинкови пръсти"; 3) с домейни спирала-завой-спирала; 4) с домени от типа |3 скеле, които образуват контакти с малката бразда на ДНК [Патрушев, 2000]. Всеки суперклас е подразделен на класове, семейства и подсемейства. В суперклас 1, транскрипционните регулаторни фактори с левцинови цип домейни, които са oc-спирали, в които всяка седма аминокиселина е левцин, стърчащ от едната страна на спиралата, привличат вниманието. Хидрофобното взаимодействие на левцинови остатъци на една молекула с подобна спирала на друга молекула осигурява димеризация (подобно на ципа) на факторите за регулиране на транскрипцията, необходими за взаимодействие с ДНК.
В суперклас 2 "цинковите пръсти" са аминокиселинни последователности, съдържащи четири цистеинови остатъка, които имат координиращ ефект върху цинковия йон. „Цинковите пръсти“ взаимодействат с главния жлеб на ДНК. В друг клас от този суперклас структурата на "цинковите пръсти" се осигурява от два цистеинови остатъка и два хистидинови остатъка (фиг. 5), в друг клас координацията на два цинкови йона в един "пръст" се осъществява от шест цистеинови остатъка. Върховете на "цинковите пръсти" са в контакт с главния жлеб на ДНК.
Изследването на структурата на факторите за регулиране на транскрипцията в растенията позволи да се установи хомология с протеини от този тип, които са характерни за животински обекти. Типичните фактори за регулиране на транскрипцията съдържат следните три основни структурни елемента: ДНК-свързващи, олигомеризационни и регулаторни домени. Мономерните форми на транскрипционните фактори са неактивни, за разлика от димерните (олигомерни) форми. Образуването на олигомерни форми се предхожда от фосфорилиране на мономерни форми в цитозола, след което те се свързват и след това се доставят до ядрото или чрез
Ориз. 5. Структура на фактора за регулиране на транскрипцията "цинков пръст".
G - хистидинов остатък; C-S - цистеинов остатък
специални транспортни протеини или чрез взаимодействие с рецепторни протеини в порите на ядрената мембрана, след което се прехвърлят в ядрото и взаимодействат с промоторни места
съответните гени. „Транскрипционните регулаторни фактори са кодирани от мултигенни семейства и техният синтез може да бъде индуциран от патогени и елиситори и тяхната активност може да бъде променена в резултат на пост-транслационна модификация (основно фосфорилиране или дефосфорилиране).
Сега е създадена непрекъснато разширяваща се база данни за структурата на различни фактори за регулиране на транскрипцията и техните гени в растенията. Доказано е, че специфичността на свързването на ДНК се определя от аминокиселинните последователности на сърцевината и бримковите зони във вече споменатите левцинови ципи, които са една от най-многобройните и консервативни групи еукариотни транскрипционни регулаторни фактори. Често факторите за регулиране на транскрипцията се класифицират точно според структурата на ДНК-свързващите домени, които могат да включват спирални последователности от аминокиселини, "цинкови пръсти" - региони с два цистеинови и два хистидинови остатъка или с много цистеинови остатъци и др. В растенията се намират един до четири "цинкови пръста" в ДНК-свързващите домейни на факторите за регулиране на транскрипцията.
Механизмът на взаимодействие на факторите за регулиране на транскрипцията с ДНК-зависимите РНК полимерази и промоторните региони на гените остава един от ключовите и все още недостатъчно проучени проблеми на функционирането на клетъчния геном. Особено оскъдна е информацията за растителни обекти.
Мутации в гени, кодиращи фактори за регулиране на транскрипцията при животни, могат да доведат до определени заболявания.
Представители на семейство гени, кодиращи фактори за регулиране на транскрипцията с левцинови ципи, са описани в растения. Доказано е, че транскрипционните фактори от този тип са отговорни за индуцираното от салицилат образуване на защитни антипатогенни протеини и че мутациите в тези гени водят до загуба на способността да се синтезират тези протеини.
ПРОМОТОРИ НА ГЕНИ НА ПРОТЕИНИ НА СИГНАЛНИ СИСТЕМИ И ЗАЩИТНИ ПРОТЕИНИ
Понастоящем интензивно се изследва структурата на промоторните региони на гените, отговорни за придобиването на имунитет към различни патогени. Фактът на почти едновременния синтез на редица патогенно-индуцирани протеини отдавна привлича вниманието: това може да бъде причинено както от разминаване на сигналните пътища в една сигнална система, което причинява активирането на няколко вида фактори за регулиране на транскрипцията, така и от „включването“ на няколко сигнални системи от един или друг елиситор, които, функционирайки паралелно, активират няколко типа фактори за регулиране на транскрипцията и в резултат на това причиняват експресия на няколко вида защитни протеини. Възможно е също така промоторите на гените на няколко отделни протеина да имат една и съща структура от регулаторни елементи, което води до тяхната едновременна експресия дори в случай на сигнално активиране на един представител на факторите за регулиране на транскрипцията.1
Последният вариант възниква под действието на стресовия фитохормон етилен върху растенията, когато факторът за регулиране на транскрипцията взаимодейства с GCC кутията на промоторните области на няколко етилен-индуцируеми гени, което осигурява повече или по-малко едновременно образуване на цяла група от етилен-индуцируеми протеини. Този принцип на партиден синтез на защитни протеини се прилага, когато клетките реагират на различни стресори или стимулатори (фитохормоните на стреса могат също да бъдат класифицирани като вторични стимулатори). Например, под действието на повишени температури се индуцира транскрипция на група гени, съдържащи в промоторните области обща регулация.
торичният елемент HSE (heat shock element), който отсъства в други гени. Този модел беше потвърден чрез създаване на хибридни гени с промотор на ген на топлинен шок, свързан с друг ген, който обикновено не променя интензивността на експресия под действието на повишени температури. В случая с трансгенните растения започва неговата експресия. В еукариотни клетки, промоторни региони с подобни нуклеотидни последователности също са открити в различни гени, индуцирани от същия междинен продукт (втори пратеник) на сигнални системи, например, цикличен AMP. В последния случай нуклеотидната сигнална последователност на промоторната област е обозначена като CRE (цикличен AMP отговорен елемент).
В Arabidopsis е открита глюкокортикоидна система за активиране на фактори за регулиране на транскрипцията, чието включване води до експресия на индуцирани от патогени защитни гени [N. Kang et al., 1999]. Общите нуклеотидни последователности в G-кутия са про-
двигателите бяха CCACGTGG, а в C-box - TGACGTCA.
Вирусът на тютюневата мозайка и салициловата киселина причиняват в тютюневите растения индуцирането на два гена на фактори за регулиране на транскрипцията от клас WRKY, които разпознават определена нуклеотидна последователност, TTGAC (W-box), в промоторните области на защитните гени. Активирането на тези фактори за регулиране на транскрипцията се осъществява чрез тяхното фосфорилиране от протеин кинази. Всички протеини от клас WRKY, за разлика от други класове транскрипционни фактори (като bZIP и myb), имат запазен домейн, съдържащ хептамерен pep-
тип WRKYGQK.
(Един от домейните на транскрипционния регулаторен фактор, отговорен за трансформацията на жасмонатния сигнал, активира регулаторната област на промотора на няколко гена, кодиращи жасмонат- и елиситор-индуцируеми протеини, по-специално стриктозидин синтаза. Оказа се, че N-терминалният киселинен домен на транскрипционния регулаторен фактор има активиращ ефект, а С-терминалният домен -I, обогатен със серинови остатъци има инхибиторен ефект.
Показано е, че промоторът на гена фенилаланин-амоняк-лиаза (най-важният изходен ензим на разклонения метаболитен процес за синтеза на съединения, които играят защитна роля - салицилат, фенолни киселини, фенилпропаноидни фитоалексини и лигнин) съдържа две копия на региони, обогатени с AC повтори.
При изследване на промотора на гена на друг синтетичен ензим на фитоалексини - халкон синтаза, в клетъчна култура на боб, тютюн и ориз, се установи, че G-кутия (CACGTG) в областта от -74 до -69 базови двойки и H-кутии (CSTACC) в областта от -61 до -56 и от -126 до -121 базови двойки участват в активирането на промоутър.
В други експерименти беше установено, че под действието на елиситори, експресията на гена на халкон синтазата в граховите растения зависи от промоторната област от -242 до -182 bp, в която две области съдържат идентични AT последователности -TAAAATAST-, а една от тях, разположена в областта от -242 до -226, беше необходима за проявата на максимална генна активност.
Промоторът на гена на стриктозидин синтазата, един от ключовите ензими, предизвикани от елиситор за синтеза на терпеноидни фитоалексини, има регион, активиран от фактори за регулиране на транскрипцията от -339 до -145 bp. G-кутията, разположена близо до -105 bp, не повлиява активността на промотора.
При изследване на активността на |3-1,3-глюканазния ген в тютюневите растения беше установено, че тя зависи от промоторната област от -250 до -217 базови двойки, съдържаща последователността -GGCGGC-, която е характерна за промоторите на гени, кодиращи патоген-индуцирана алкална
ни протеини.
Така наречената PR-кутия на промоторните региони на много патогенно-индуцирани протеини съдържа последователността (5"-AGCCGCC-3"), която свързва съответните фактори за регулиране на транскрипцията, което води до експресията на гените на тези протеини, по-специално ендохитинази и P-1,3-глюканази в доматени растения.
Много гени на протеини, индуцирани от патогени, съдържат така наречените ocs-елементи в техните промотори, с които взаимодействат факторите за регулиране на транскрипцията, които имат левцинови ципове в тяхната структура. В растенията Arabidopsis факторите за регулиране на транскрипцията, отговорни за трансдукцията на етиленов сигнал, се свързват както с GCC кутията, така и с ocs промоторните елементи, което води до експресията на набор от защитни протеини.
Изследването на трансгенни тютюневи растения с алкален хитиназен промотор и GUS репортерен ген направи възможно установяването, че областта на промотора, активиран от етиленовия сигнал, се намира между -503 и -358 базови двойки, където има две копия на GCC кутията (5"-TAAGAGCCGCC-3"), която се характеризира с
ren за промотори на много етилен-индуцируеми протеини. Допълнителен анализ показа, че мястото на промотора с две копия на GCC кутията, отговорно за реакцията към етилен, се намира между -480 и -410 bp.
При изследване на реакцията на тютюневите растения към третиране с етилен и инфекция с мозаечен вирус беше установено, че активността на генния промотор (3-1,3-глюканаза) зависи от региона, разположен между -1452 и -1193 базови двойки, където има две копия на хептануклеотида
5-AGCCGCC-3 ". Намерен и добавен
нишковидни области, които са от съществено значение за регулирането на промоторната активност.
Горните елиситори, елиситорни рецептори, G-протеини, протеин кинази, протеин фосфатази, фактори за регулиране на транскрипцията, съответните им промоторни региони на гени участват във функционирането на редица клетъчни сигнални системи, от които зависи техният отговор на сигнали от различно естество и интензитет: аденилат циклаза, MAP киназа, фосфатидат, калций, липоксигеназа, NADPH оксидаза, NO синтаза и протон.
АДЕНИЛАТЦИКЛАЗНА СИГНАЛНА СИСТЕМА
Тази сигнална система получи името си от ензима аденилат циклаза, характеризиран за първи път от Sutherland, който катализира образуването на основния сигнален междинен продукт на тази система, цикличен аденозин монофосфат (cAMP). Схемата на аденилатциклазната система е следната: външен химичен сигнал, например хормон или елиситор, взаимодейства с протеиновия рецептор на плазмената мембрана, което води до активиране на G-протеина (свързващ GTP от него) и предаване на сигнален импулс към ензима аденилатциклаза (AC), който катализира синтеза на cAMP от ATP (фиг. 6).
В аденилатциклазната система има Gs протеини, които стимулират аденилатциклазата и (5,) протеини, които инхибират активността на ензима.Разликите между тези два вида протеини се определят главно от характеристиките на oc-субединиците, а не (3- и y-субединиците. Молекулните тегла на ocs - субединиците на G-протеина са 41-46 kDa, ar субединици - 40-41 kDa, (3, - и P2 субединици - 36-35 kDa, y-субединици - 8-10 kDa. Свързването на GTP от G-протеини и неговата хидролиза до БВП и неорганичен ортофосфат осигуряват обратимостта на процесите на активиране на аденилат циклаза.
Аденилат циклазата е мономерен интегрален протеин на плазмената мембрана и следователно е труден за екстракция и превръщане в разтворима форма. Молекулното тегло на аденилатциклазата в животински клетки е 120-155 kDa; има и разтворими форми на аденилат циклаза 50-70 kDa, които не са чувствителни към калмодулин и G-протеини. В растенията молекулното тегло на аденилат циклазата е 84 kDa. Кривата на зависимостта на активността на аденилатциклазата от рН има унимодален характер и пикът на активност на този ензим
menta беше в диапазона на рН 4,8-5,2.
Данни за изоформата на аденилатциклазата с оптимално
Imo рН равно на 8,8.
Аденилатциклазата може да бъде модифицирана от външната страна на мембраната чрез гликозилиране и отвътре чрез фосфорилиране от А-киназа [Severin, 1991]. Активността на мембранната аденилатциклаза зависи от фосфолипидната среда - съотношението на фосфатидилхолин, фосфатидилетаноламин, сфингомиелин, фосфатидили "ери-
на и фосфатидилинозитол.
Индуцираното от елиситор повишаване на съдържанието на сАМР в клетките е преходно, което се обяснява с активиране на PDE и, вероятно, свързване от сАМР-зависими протеин кинази. Наистина, повишаването на концентрацията на сАМР в клетките активира различни сАМР-зависими протеин кинази, които могат да фосфорилират различни протеини, включително фактори за регулиране на транскрипцията, което води до експресията на различни гени и реакцията на клетката към външни влияния.
Коефициентът на умножение на сигнала, постигнат по време на предаването му в генома и генната експресия, е много хиляди. Схемата за мултиплициране на сигнала при функционирането на сигналната система на аденилилциклазата често се използва в учебниците по биохимия. Тази сигнална система продължава да се изучава интензивно на различни обекти, допълвайки представите за информационното поле на клетките и връзката му с външните информационни потоци.
Трябва да се отбележи, че въпросът за функционирането на аденилатциклазната сигнална система в растителни обекти продължава да бъде дискусионен почти четвърт век, разделяйки изследователите на
ГЕННАТА ЕКСПРЕСИЯ
Ориз. 6. Схема на функциониране на аденилатциклазната сигнализация
АС* системи - активна форма на аденилат циклаза; PCA и PCA*- неактивен-
ная и активни форми на протеин киназа А; PLplasmalemma; PDE - фосфодиестераза; PGF* - активна форма на фактор за регулиране на транскрипцията
поддръжници [Доман, Феденко, 1976; Королев и Вискребенцева, 1978; Франко, 1983; Яворская и Калинин, 1984; Нютон и Браун 1986; Каримова, 1994; Асман, 1995; Trewavas, Malho, 1997; Тревавас, 1999; и др.] и опоненти. Първият разчита на данни за повишаване на активността на аденилатциклазата и съдържанието на сАМР под въздействието на фитохормони и патогени, на имитация на действието на различни фитохормони от екзогенен сАМР, вторият на факти, показващи ниско съдържание на сАМР в растенията, на липсата в редица експерименти на ефекта на фитохормоните върху активността на аденилатциклазата и др.
Напредъкът в областта на молекулярната генетика, сравнението на структурата на гените на протеините, участващи в сигналната система на аденилатциклазата при животни и растения, наклони везните в полза на поддръжниците на нейното функциониране в растенията. резултат-
Използването на екзогенен сАМР [Kilev and Chekurov, 1977] или форсколин (активатор на аденилат циклаза) показва участието на сАМР в индуцираната от сигнала верига на сигнална трансдукция. Използването на теофилин, инхибитор на cAMP фосфодиестераза, който се оказа доста активен в растенията, показа, че входната част на баланса на cAMP се извършва доста интензивно [Яворская, 1990; Каримова и др., 1990]. Получени са данни за промените в съдържанието на цАМФ в растенията под въздействието на патогени, неговата необходимост за образуване на отговор на действието на патогени [Zarubina et al., 1979; Очеретина и др., 1990].
Обръща се внимание на факта на АТФ-зависимото освобождаване в извънклетъчната среда на значителна част от сАМР, образуван в клетките на животни, прокариоти, водорасли и висши раси.
сенки. от-
Важно е, че при растенията, както и при животните, е възможно да се намали натрупването на cAMP в клетките и освобождаването му в извънклетъчната среда с помощта на простагландин, който не се среща в растенията. Възможен
но че тази роля се изпълнява от оксилипин, подобен на простагландин, жасмонат. Възможността за участие в отстраняването на cAMP от клетката на специално АТФ-свързване
инжиране на протеини.
Целесъобразността на секрецията на сАМР от растителните клетки в средата се обяснява преди всичко с необходимостта от достатъчно бързо намаляване на концентрацията на този втори посредник, така че да не настъпи свръхвъзбуждане на клетките. Относително бързото намаляване на концентрациите на вторичните посредници след достигане на максималното ниво е задължителна неспецифична характеристика на функционирането на всички сигнални системи.
Вероятно сАМР, който се екскретира извън плазмалемата, участва в регулацията на извънклетъчните процеси [Shiyan, Lazareva, 1988]. Тази гледна точка може да се основава на откриването на екто-сАМР-зависими протеин кинази, които използват сАМР секрецията от клетките, за да активират протеиновото фосфорилиране извън плазмалемата. Смята се също, че cAMP извън клетката може да действа като първи пратеник [Fedorov et al., 1990], предизвиквайки задействане на каскада от реакции на сигналната система в съседни клетки, което беше показано в примера на многоклетъчни слузести гъби.
Обръща се внимание на данните, получени при животни за инхибиране от екзогенен аденозин (който може да се разглежда като продукт на разграждане на cAMP) на калциевите канали в клетките [Meyerson, 1986] и активиране на калиеви канали [Orlov, Maksimova, 1999].
От голям интерес е информацията за възможността за регулиране на развитието на патогенни гъбички чрез секретиран cAMP, по-специално ечемична ръжда, Magnaporthe grisea, която засяга оризовите растения, рохкава главня Ustilago maydis, Erysiphe graminis, Colletotrichum trifolii, пигментация на Ustilago hordei. В зависимост от концентрацията на cAMP, развитието на гъбичките се стимулира или потиска. Смята се, че те имат хетеротримерни G протеини, участващи в трансдукцията на cAMP сигнала.
Натрупват се все повече и повече данни за ефекта на различни сигнални молекули върху секрецията на cAMP от растителните клетки. Показано е, че ролята на ABA в адаптацията на растенията към стрес може да се крие в способността му да регулира съдържанието и освобождаването на cAMP от клетките. Предполага се, че намаляването на съдържанието на сАМР под действието на АБК се дължи на индуцирано от АБК повишаване на съдържанието на Са2+ в цитозола и инхибиране на аденилатциклазата. Известно е, че високите концентрации на Ca2+ инхибират активността на аденилат циклазата в еукариотите. В същото време Са2+ може да намали съдържанието на сАМР, предизвиквайки повишаване на активността на фосфодиестераза, която хидролизира сАМР. Наистина, активирането на cAMP фосфодиестераза от Ca2+-калмодулиновия комплекс е установено в растителни обекти [Fedenko, 1983].
Показана е зависимостта на профила на полипептидно фосфорилиране от екзогенния сАМР. Броят на полипептидите, чието фосфорилиране е стимулирано от сАМР, е най-голям при микромоларната концентрация на сАМР. Обръща се внимание на факта на силно сАМР-индуцирано повишаване на фосфорилирането на 10 kDa полипептида при ниски температури (фиг. 7) [Каримова, Жуков, 1991; Ягушева, 2000]. Интересно е, че полипептид с това молекулно тегло е протеинов регулатор на сАМР фосфодиестераза, която се активира от абсцизовата киселина и Ca2+ и намалява съдържанието на сАМР поради хидролизата му от фосфодиестераза.
Изследването на характеристиките на активирането на cAMP-зависими протеин кинази и тяхното фосфорилиране на различни протеини е една от най-важните области на изследване на сигналната система на аденилат циклаза. cAMP-зависимите протеин кинази (PKA) са ензими, които се активират при взаимодействие с cAMP и катализират трансфера на краен остатък от фосфорна киселина от ATP към хидроксилните групи на серинови или треонинови остатъци на акцепторни протеини. Ковалентната модификация на протеините, извършвана по време на фосфорилирането, води до промяна в тяхната конформация и каталитична активност, причинявайки асоцииране или дисоциация на техните субединици и др.
Молекулно тегло на протеини, kDa
Ориз. Фиг. 7. Влияние на сАМР върху протеиновото фосфорилиране в тридневни грахови разсади [Каримова и Жуков, 1991]
1 - контрола: отрязаните издънки се прехвърлят за 2 часа с дръжки във вода, след това за още 2 часа - в разтвор на ортофосфат, маркиран с 32 R; 2 - отрязани растения се прехвърлят за 2 часа в разтвор на 1 μM cAMP, след това за още 2 часа в разтвор на 32 Р белязан ортофосфат
Субстратите в протеин киназната реакция са MgATP и фосфорилираният протеин. Протеиновите субстрати могат едновременно да бъдат субстрати за cGMP- и cAMP-зависими протеин кинази за същите серинови (треонинови) остатъци, но скоростта на cAMP-зависимото фосфорилиране е 10-15 пъти по-висока от тази на cGMP-зависимите протеин кинази. Субстратите на cAMP-зависимите протеин кинази са разположени във всички части на клетката: цитозол, ендоплазмен ретикулум (EPR), апарат на Голджи, секреторни гранули, цитоскелет и ядро.
Протеин кинази, активирани от екзогенен сАМР, са изолирани от растителни клетки, например от царевични колеоптили, 36 kDa протеин киназа. Като и др. изолира три вида протеин кинази от водна леща Lemna paucicostata: 165, 85 и 145 kDa, едната от които е инхибирана от сАМР, другата е активирана от сАМР, а третата е сАМР-независима.
Вторият тип протеин кинази фосфорилира полипептиди
59, 19, 16 и 14 kDa.
Екзогенният сАМР причинява промени (главно инхибиране) във фосфорилирането на редица хлоропластни полипептиди, медиирано от участието на протеин кинази
Един от първите протеин киназни гени, клонирани в растения, е подобен на семейството на животински протеин киназа А в нуклеотидни последователности. Има примери за прилики на аминокиселинни последователности между растителни протеин кинази А (тяхната хомология) и животински протеин кинази А. Няколко изследователски групи съобщават за клониране на гени, хомоложни на гена на протеин киназа А (отзиви: ). Протеинова киназа от петуния фосфорилира специфичен синтетичен субстрат за протеин киназа А. Съобщава се, че добавянето на cAMP към растителни екстракти стимулира фосфорилирането на специфични протеини. Изследването на местата на фосфорилиране във фенилаланин амонячна лиаза (PAL), ключов ензим в биосинтезата на фитоалексини, разкри места, специфични за протеин киназа А.
Използването на високоспецифичен протеинов инхибитор (BI) на cAMP-зависими протеин кинази позволи да се потвърди предположението, че cAMP-зависимите протеин кинази могат да бъдат активирани от ендогенен cAMP дори по време на подготовката на пробата: BI потиска основната протеин киназна активност на екстракти от листа в различни експерименти с 30-50% [Karimova, 1994]. Междинните продукти на липоксигеназната сигнална система HDA и MeFA активират активността на протеин киназата с 33–8% в присъствието на cAMP [Karimova et al., 19996]. Салициловата киселина индуцира повишаване на нивото на cAMP-зависимо фосфорилиране на 74, 61 и 22 kDa полипептиди в листа от грах [Mukhametchina, 2000]. cAMP-стимулираната протеин киназна активност на разтворими протеини от листа на грах зависи от концентрацията на Ca2+ [Karimova et al., 1989; Тарчевская, 1990; Karimova, Zhukov, 1991], а ензимната активност е открита и в изолирани клетъчни стени, ядра и плазмени мембрани.
В растенията са открити гени, които кодират ензима протеин фосфатаза, чиято цел са протеини, фосфорилирани от протеин киназа А.
За характеризиране на сигналната система на аденилил циклазата е изключително важно да се намерят гени в растенията, които кодират фактори за регулиране на транскрипцията на протеини, които имат дълги нуклеотидни последователности, хомоложни на CREBS, cAMP-свързващия транскрипционен фактор при животни.
Многобройни данни за ефекта на сАМР върху йонните канали на растителните клетки и сравнително слаба експериментална база от идеи за възможността за сигнализиране от сАМР чрез фосфорилиране на протеинови фактори, регулиращи транскрипцията в генома, от една страна, засилват позициите на поддръжниците на съществуването на индиректен (чрез активиране на йонни канали) аденилатциклазен сигнален път и, от друга страна, ни принуждават да засилим опитите за получаване на доказателства за функциониране на директния cAMP сигнален път.
МАП-КИНАЗНА СИГНАЛНА СИСТЕМА
Митоген-активирани протеин кинази от серин-треонин тип (MAPK) и MAP-киназна сигнална каскада (сигнал -> рецептор -> G-протеини -> MAPKKK -»
-> MARCK -> MAPK -> PGF -> геном), които са достатъчно проучени в животински обекти, функционират и в растителни клетки (фиг. 8). На тях са посветени рецензии.
И работи с експериментален характер, които дават информация за отделните представители на тази сигнална система и особено
характеристики на тяхното регулиране.
MAP киназната каскада се „включва“ по време на митоза (което обяснява името на тези протеин кинази), по време на дехидратация
nii, хипоосмо-
тик стрес, ниска температура, механично дразнене на растенията
Тъканно увреждане, оксидативен стрес, действие на патогени, елиситори (в
включително харпини, криптогаин, олигозахариди), фитохормони на стрес жасмонат, сали-
цилат, системин, етилен).
Зависимостта на функционирането на MAP киназната каскада от различни влияния се отразява в имената на някои MAP кинази, например WIPK и SIPK (съответно,
протеин кинази, индуцирани от венозна рана и протеин, индуциран от салицилат
Ориз. 8. Схема на функциониране на сигналната система MAP-киназа
KKMARK - MAP киназа киназа киназа; КМАРК - МАРкиназа киназа; MAPK е митоген-активирана протеин киназа. Други обозначения - виж фиг. 6
n1.doc
UDC 58 BBK 28.57 T22Изпълнителен редактор Член-кореспондент на Руската академия на науките ИИ Гречкин
Рецензенти:
Л.Х. Гордъндоктор на биологичните науки, професор Л.П. Хохлова
Тарчевски И.А.
Сигнални системи на растителни клетки / I.A. Тарчевски; [Отг. изд. А.Н. Гречкин]. - М.: Наука, 2002. - 294 с.: ил. ISBN 5-02-006411-4
Разглеждат се връзките на информационните вериги на взаимодействие между патогени и растения, включително елиситори, елиситорни рецептори, G-протеини, протеин кинази и протеин фосфатази, фактори за регулиране на транскрипцията, препрограмиране на генната експресия и клетъчен отговор. Основно внимание е отделено на анализа на особеностите на функционирането на отделните сигнални системи на растителните клетки - аденилатциклаза, MAP киназа, фосфатидат, калций, липоксигеназа, NADPH оксидаза, NO синтаза и протон, тяхното взаимодействие и интегриране в единна сигнална мрежа. Предложена е класификация на патогенно-индуцираните протеини според техните функционални характеристики. Представени са данни за трансгенни растения с повишена устойчивост към патогени.
За специалисти в областта на физиологията на растенията, биохимици, биофизици, генетици, фитопатолози, еколози, агробиолози.
В мрежата на АК
Тарчевски И.А.
Сигнални системи на растителни клетки /1.A. Тарчевски; . - М.: Наука, 2002. - 294 с.; I л. ISBN 5-02-006411-4
Книгата обсъжда членовете на сигналните вериги на взаимодействието на патогени и растение-гостоприемник, а именно елиситори, рецептори, G-протеини, протеин кинази и протеин фосфатази, транскрипционни фактори, препрограмиране на експресията на гени, клетъчен отговор. Основната част на книгата е посветена на функционирането на отделни клетъчни сигнални системи: аденилатциклаза, MAP киназа, фосфатидат, калций, липоксигеназа, NADPH-оксидаза, NO-синтаза, протонни системи. Развива се концепцията за взаимовръзки на клетъчни сигнални системи и тяхното интегриране в обща клетъчна сигнална мрежа. Авторът е предложил класификацията на протеини, свързани с патогени, според техните функционални свойства. Представени са данни за трансгенни растения с повишена устойчивост към патогени.
За физиолози, биохимици, биофизици, генетици, фитопатолози, еколози и агробиолози
ISBN 5-02-006411-4
© Руската академия на науките, 2002 © Издателска къща "Наука".
(художествен дизайн), 2002г
През последните години бързо се развиват изследванията на молекулярните механизми на регулация на генната експресия под влияние на променящите се условия на живот. В растителните клетки е установено наличието на сигнални вериги, които, използвайки специални рецепторни протеини, в повечето случаи разположени в плазмалемата, възприемат сигнални импулси, преобразуват, усилват и предават към клетъчния геном, причинявайки препрограмиране на генната експресия и промени в метаболизма (включително кардинални), свързани с включването на предишни "мълчаливи" и изключването на някои активни гени. Значението на клетъчните сигнални системи е демонстрирано при изследването на механизмите на действие на фитохормоните. Показана е и решаващата роля на сигналните системи при формирането на адаптационен синдром (стрес), причинен от действието на абиотични и биотични стресори върху растенията.
Липсата на обзорни статии, които да анализират всички връзки на различните сигнални системи, като се започне от характеристиките на възприеманите сигнали и техните рецептори, трансформацията на сигналните импулси и тяхното предаване към ядрото и завършва с драматични промени в метаболизма на клетките и тяхната структура, принуди автора да се опита да запълни тази празнина с помощта на книгата, предложена на вниманието на читателите. Трябва да се има предвид, че изучаването на информационното поле на клетките е все още много далеч от завършване и много подробности от неговата структура и функциониране остават недостатъчно осветени. Всичко това привлича нови изследователи, за които обобщаването на публикациите за сигналните системи на растителните клетки ще бъде особено полезно. За съжаление, не всички отзиви
В списъка с литература бяха включени статии с експериментален характер, което до известна степен зависи от ограничения обем на книгата и времето за нейната подготовка. Авторът се извинява на колегите, чиито изследвания не са отразени в книгата.
Авторът изказва своята благодарност на своите сътрудници, участвали в съвместното изследване на сигналните системи на растителните клетки. Авторът е особено благодарен на професор F.G. Каримова, кандидатите на биологичните науки V.G. Яковлева и Е.В. Асафова, А.Р. Муха-метшин и доцент Т.М. Николаева за помощ при подготовката на ръкописа за публикуване.
Тази работа беше подкрепена финансово от Водещото научно училище на Руската федерация (грантове 96-15-97940 и 00-15-97904) и Руската фондация за фундаментални изследвания (грант 01-04-48-785).
ВЪВЕДЕНИЕ
Един от най-важните проблеми на съвременната биология е дешифрирането на механизмите на реакция на прокариотни и еукариотни организми към промени в условията на тяхното съществуване, особено към действието на екстремни фактори (фактори на стрес или стресори), които причиняват състояние на стрес в клетките.
В процеса на еволюция клетките са развили адаптации, които им позволяват да възприемат, трансформират и усилват сигнали от химическо и физическо естество, идващи от околната среда и с помощта на генетичния апарат да реагират на тях, като не само се адаптират към променящите се условия, възстановяват своя метаболизъм и структура, но и освобождават различни летливи и нелетливи съединения в извънклетъчното пространство. Някои от тях играят ролята на защитни вещества срещу патогени, докато други могат да се разглеждат като сигнални молекули, които предизвикват реакция на други клетки, разположени на голямо разстояние от мястото на действие на първичния сигнал върху растенията.
Можем да предположим, че всички тези адаптивни събития възникват в резултат на промени в информационното поле на клетките. Първичните сигнали с помощта на различни сигнални системи предизвикват реакция от страна на клетъчния геном, която се изразява в препрограмиране на генната експресия. Всъщност сигналните системи регулират работата на основния съд за информация - ДНК молекулите. От друга страна, самите те са под контрола на генома.
За първи път у нас Е.С. Северин (Северин, Кочеткова, 1991) върху животински предмети и О.Н. Кулаева [Кулаева и др., 1989; Кулаева, 1990; Кулаева и др., 1992; Кулаева, 1995; Бурханова и др., 1999] - върху растенията.
Монографията, представена на вниманието на читателите, съдържа обобщение на резултатите от изследването на ефекта на биотичните стресори върху функционирането на сигналните системи на растителните клетки. MAP киназа, аденилил циклаза, фосфатидат, калций, липоксигеназа, NADPH оксидаза, NO синтаза и протонни сигнални системи и тяхната роля в онтогенетичното развитие на растенията и във формирането на отговора на променящите се условия на живот, особено на действието на различни абиотични и биотични стресори, се изучават интензивно. Авторът реши да се съсредоточи само върху последния аспект на този проблем - върху молекулярните механизми на реакцията на растенията към действието на патогени, особено след като тази реакция включва редица фитохормони и изясняването на характеристиките на взаимодействието на сигналните системи на растителните клетки с тях привлича голямо внимание на изследователите.
Въздействието на биотичните стресови фактори води до отговор на растенията, който в общи линии е подобен на отговора на абиотичните стресови фактори. Характеризира се с набор от неспецифични реакции, което го прави възможно да се нарече адаптационен синдром или стрес. Естествено могат да се открият и специфични особености на реакцията в зависимост от вида на стресора, но с увеличаване на мярката на неговото въздействие все повече и повече излизат на преден план неспецифичните промени [Meyerson, 1986; Тарчевски, 1993]. Най-голямо внимание им обърна Н.С. Введенски (идеи за парабиоза), D.S. Насонов и В.Я. Александров (идеи за паранекроза), G. Selye - в трудове, посветени на стреса при животните, V.Ya. Александров - в изследванията на молекулярните основи на стреса.
Най-значимите неспецифични промени в биотичния стрес включват следното:
Фаза в разгръщането във времето на отговора на действието на патогена.
Повишен катаболизъм на липиди и биополимери.
Увеличаване на съдържанието на свободни радикали в тъканите.
Подкисляване на цитозола, последвано от активиране на протонни помпи, което връща рН до първоначалната му стойност.
Увеличаване на съдържанието на калциеви йони в цитозола с
последващо активиране на калциеви АТФази.
Изход от клетките на калиеви и хлорни йони.
Спадане на мембранния потенциал (на плазмалемата).
Намаляване на общата интензивност на синтеза на биополимери и липиди.
Спиране на синтеза на някои протеини.
Засилване на синтеза или синтеза на отсъстващите т.н
наречени патогенно-индуцирани защитни протеини (хи-
тинази, (3-1,3-глюканази, протеиназни инхибитори и др.).
Интензифициране на синтеза на укрепване на клетъчния
стени от компоненти - лигнин, суберин, кутин, калоза,
богат на хидроксипролин протеин.
Синтез на антипатогенни нелетливи съединения - фитоалексини.
Синтез и изолиране на летливи бактерицидни и фун-
хицидни съединения (хексенали, ноненали, терпени и
Засилване на синтеза и увеличаване на съдържанието (или съгл
феномен) на фитохормоните на стреса - абсцис, жасмо-
нов, салицилова киселина, етилен, пептиден хормон
естеството на системата.
Инхибиране на фотосинтезата.
Преразпределението на въглерода от | 4 CO 2, асимилиран в
процесът на фотосинтеза, сред различни съединения -
намаляване на включването на етикета във високополимерни съединения (протеини, нишесте) и захароза и усилване (по-често
тяло - като процент от абсорбирания въглерод) - в аланин,
малат, аспартат (Тарчевски, 1964).
Активиране на алтернативна оксидаза, която променя посоката на електронен транспорт в митохондриите.
18. Нарушения на ултраструктурата - изменение на глобата
гранулирана структура на ядрото, намаляване на броя на полизомите и
диктиозоми, подуване на митохондриите и хлоропластите, намаляват
намаляване на броя на тилакоидите в хлоропластите, пренареждане на цито-
скелет.
Апоптоза (програмирана смърт) на клетките
изложени на патогени и в съседство с тях.
Появата на така наречените системни неспецифични
устойчивост на патогени в отдалечени места
места на излагане на патогени (напр. метамерни
органи) растения.
Тъй като механизмите на отговорите на растенията към действието на патогените се изучават все повече и повече, се откриват нови неспецифични отговори на растителните клетки. Те включват неизвестни досега сигнални пътища.
Когато се изясняват характеристиките на функционирането на сигналните системи, трябва да се има предвид, че тези въпроси са част от по-общ проблем за регулиране на функционирането на генома. Трябва да се отбележи, че универсалността на структурата на основните носители на информация на клетките на различни организми - ДНК и гени - предопределя уеднаквяването на механизмите, които обслужват реализацията на тази информация [Grechkin, Tarchevsky, 2000]. Това се отнася до репликацията и транскрипцията на ДНК, структурата и механизма на действие на рибозомите, както и механизмите на регулиране на генната експресия чрез промяна на условията на клетъчно съществуване, използвайки набор от до голяма степен универсални сигнални системи. Връзките на сигналните системи също са основно унифицирани (природата, след като е намерила оптималното структурно и функционално решение на биохимичен или информационен проблем навреме, го запазва и възпроизвежда в процеса на еволюция). В повечето случаи голямо разнообразие от химични сигнали, идващи от околната среда, се улавят от клетката с помощта на специални "антени" - рецепторни протеинови молекули, които проникват през клетъчната мембрана и изпъкват над нейните повърхности отвън и отвътре.
Ней ръка. Няколко типа структура на тези рецептори са унифицирани в растителни и животински клетки. Нековалентното взаимодействие на външната област на рецептора с една или друга сигнална молекула, идваща от заобикалящата клетката среда, води до промяна в конформацията на рецепторния протеин, която се предава на вътрешната, цитоплазмена област. В повечето сигнални системи той се свързва с междинни G-протеини - друга унифицирана (по своята структура и функции) връзка от сигнални системи. G-протеините изпълняват функциите на сигнален преобразувател, като предават сигнален конформационен импулс към изходния ензим, специфичен за определена сигнална система. Стартовите ензими от един и същи тип сигнална система в различни обекти също са универсални и имат разширени региони с една и съща аминокиселинна последователност. Една от най-важните обединени връзки на сигналните системи са протеин киназите (ензими, които пренасят крайния остатък от ортофосфорна киселина от АТФ към определени протеини), активирани от продуктите на стартовите сигнални реакции или техните производни. Фосфорилираните протеини от протеин кинази са следващите връзки в сигналните вериги. Друга обединена връзка в клетъчните сигнални системи са факторите за регулиране на транскрипцията на протеини, които са един от субстратите на протеин киназните реакции. Структурата на тези протеини също е до голяма степен унифицирана и структурните модификации определят дали факторите за регулиране на транскрипцията принадлежат към една или друга сигнална система. Фосфорилирането на факторите за регулиране на транскрипцията причинява промяна в конформацията на тези протеини, тяхното активиране и последващо взаимодействие с промоторната област на определен ген, което води до промяна в интензивността на неговата експресия (индукция или репресия), а в крайни случаи до „включване“ на някои тихи гени или „изключване“ на активни. Препрограмирането на експресията на съвкупността от геномни гени предизвиква промяна в съотношението на протеините в клетката, което е в основата на нейния функционален отговор. В някои случаи химичен сигнал от външната среда може да взаимодейства с рецептор, разположен вътре в клетката - в цитозола или да -
СИГНАЛИ
NIB
Ориз. 1. Схема на взаимодействие на външни сигнали с клетъчни рецептори
1,5,6- рецептори, разположени в плазмалемата; 2,4 - рецептори, разположени в цитозола; 3 - изходният ензим на сигналната система, локализиран в плазмалемата; 5 - рецептор, активиран под влияние на неспецифична промяна в структурата на липидния компонент на плазмалемата; SIB - сигнално индуцирани протеини; PGF - протеинови транскрипционни регулаторни фактори; i|/ - изменение на мембранния потенциал
Същото ядро (Фигура 1). В животинските клетки такива сигнали са например стероидните хормони. Този информационен път има по-малък брой междинни продукти и следователно има по-малко възможности за регулиране от клетката.
В нашата страна винаги се е обръщало голямо внимание на проблемите на фитоимунитета. На този проблем са посветени редица монографии и рецензии на местни учени [Сухоруков, 1952; Вердеревски, 1959; Вавилов, 1964; Горленко, 1968; Rubin et al., 1975; Метлицки, 1976; Токин, 1980; Metlitsky et al., 1984; Метлицки и Озерецковская, 1985; Курсанов, 1988; Илинская и др., 1991; Озерецковская и др., 1993; Кораблева, Платонова, 1995; Чернов и др., 1996; Тарчевски и Чернов, 2000].
През последните години се обръща специално внимание на молекулярните механизми на фитоимунитета. Беше показано, че
Когато растенията са заразени, се активират различни сигнални системи, които възприемат, размножават и предават сигнали от патогени към генетичния апарат на клетките, където се експресират защитни гени, което позволява на растенията да организират както структурна, така и химическа защита срещу патогени. Напредъкът в тази област е свързан с клонирането на гени, дешифрирането на тяхната първична структура (включително промоторни региони), структурата на кодираните от тях протеини, използването на активатори и инхибитори на отделни части на сигнални системи, както и мутанти и трансгенни растения с въведени гени, отговорни за синтеза на участниците в приемането, предаването и усилването на сигнали. При изследването на сигналните системи на растителните клетки важна роля играе изграждането на трансгенни растения с промотори на гените на протеини, участващи в сигналните системи.
В момента в Института по биохимия най-интензивно се изследват сигналните системи на растителните клетки при биотичен стрес. А.Н. Бах RAS, Казански институт по биохимия и биофизика RAS, Институт по физиология на растенията RAS, Пущински клон на Института по биоорганична химия RAS, Център за биоинженерство RAS, Московски и Санкт Петербургски държавни университети, Всеруски изследователски институт по селскостопанска биотехнология RAAS, Всеруски изследователски институт по фитопатология RAAS и др.
Проблемът за дешифрирането на молекулярните механизми на биотичния стрес, включително ролята на сигналните системи в неговото развитие, обедини физиолози и биохимици на растенията, микробиолози, генетици, молекулярни биолози и фитопатолози през последните десет години. Публикуват се голям брой експериментални и обзорни статии по различни аспекти на този проблем (включително в специални списания: "Физиологична и молекулярна растителна патология", "Молекулярни взаимодействия на растенията и микробите", "Годишен преглед на физиологията и патологията на растенията"). В същото време в местната литература няма обобщение на трудове, посветени на сигналните системи на клетките, което доведе автора до необходимостта да напише монография, предложена на читателите.
ПАТОГЕНИ И ЕЛИКИТЕРИ
Болестите по растенията се причиняват от хиляди видове микроорганизми, които могат да бъдат разделени на три групи: вируси (повече от 40 семейства) и вироиди; бактерии (Agrobacterium, Corynebacterium, Erwinia, Pseudomonas, Xanthomonas, Streptomyces) и микоплазмоподобни микроорганизми; гъби (нисши: Plasmodiophoromycetes, Chitridomycetes, Oomycetes: висши: Ascomycetes, Basidi-omycetes, Deuteromycetes).
Тези защитни ензими: фенилаланин амонячна лиаза и анионна пероксидаза. Безкрилите форми, принадлежащи към този подклас, се появяват в резултат на загубата на тези органи по време на еволюцията на крилатите форми. Подкласът включва 20 разреда насекоми, сред които има полифаги, които нямат растителна специфичност, олигофаги и монофаги, при които е изразена спецификата на взаимодействието между патогена и растението гостоприемник. Някои насекоми се хранят с листа (цялото листно острие или скелетиране на листа), други се хранят със стъбла (включително гризане на стъблото отвътре), цветни яйчници, плодове и корени. Листните въшки и цикадите изсмукват сока от проводящите съдове с помощта на хобот или стилет.
Въпреки предприетите мерки за борба с насекомите, проблемът за намаляване на вредите, които причиняват, продължава да бъде актуален. В момента над 12% от селскостопанските култури в света са загубени в резултат на нападение от патогенни микроорганизми, нематоди и насекоми.
Увреждането на клетките води до разграждане на тяхното съдържание, като високополимерни съединения и появата на олигомерни сигнални молекули. Тези "отломки" [Tarchevsky, 1993] достигат съседни клетки и предизвикват защитна реакция в тях, включително промени в генната експресия и образуването на кодирани от тях защитни протеини. Често механичното увреждане на растенията е придружено от тяхната инфекция, тъй като се отваря повърхност на раната, през която патогените проникват в растението. В допълнение, фитопатогенните микроорганизми могат да живеят в устните органи на насекомите. Известно е например, че носители на микоплазмена инфекция са цикадите, при които възрастните форми и ларвите се хранят със сока на ситовидните съдове на растенията, пробивайки листните капаци със стилен хобот и
Ориз. 2. Схема на взаимодействие на патогенна клетка с растение гостоприемник
/ - кутиназа; 2 - продукти на разграждане на компоненти на кутикулата (възможно със сигнални свойства); 3 - (3-глюканаза и други гликозилази, екскретирани от патогена; 4 - елиситори - фрагменти от клетъчната стена (КС) на гостоприемника; 5 - хитинази и други гликозилази, които действат разрушително върху CS на патогена; 6 - елиситори - фрагменти от КС на патогена; 7 - фитоалексини - инхибитори на протеинази, кутинази, гликозилази и други ензими на патогена; 8 - токсични вещества на патогена; 9 - укрепване на CS на гостоприемника поради активиране на пероксидазите и усилване на синтеза на лигнин, отлагане на хидроксипролинови протеини и лектини; 10 - индуктори на свръхчувствителност и некроза на съседни клетки; // - продукти на разграждане на кутин, действащи върху патогенната клетка
млади стъбла. Розовата щикалка, за разлика от другите представители на щикалката, изсмуква съдържанието на клетките. Цикадите причиняват по-малко увреждане на растителните тъкани от насекомите, които се хранят с листа, но растенията могат да реагират на него по същия начин, както на инфекцията на растенията, свързани с него.
При контакт с растенията патогенните клетки отделят различни съединения, които осигуряват тяхното проникване в растението, хранене и развитие (фиг. 2). Някои от тези съединения са токсини, които патогените отделят, за да отслабят устойчивостта на гостоприемника. Досега са описани повече от 20 специфични за гостоприемника токсина, произведени от патогенни гъбички.
Ориз. 3. Фитотоксично съединение от Cochlio-bolus carbonum
Бактериите и гъбите също образуват неселективни токсини, по-специално фузикоцин, ерихосетен, коронатин, фазоолотоксин, сирингомицин, табтоксин.
Един от специфичните за гостоприемника токсини, секретирани от Pyrenophora triticirepentis, е протеин от 13,2 kDa, други са продукти на вторичен метаболизъм с голямо разнообразие от структури - това са поликетиди, терпеноиди, захариди, циклични пептиди и др.
Като правило, последните включват пептиди, чийто синтез се извършва извън рибозомите и които съдържат D-аминокиселинни остатъци. Например, специфичният за гостоприемника токсин от Cochliobolus carbonum има тетрапептидна пръстенна структура. (д- npo- Л- ана- д- ана- Л- А3 Джей Джей), където последното съкращение означава 2-амино-9,10-епокси-8-оксо-деканова киселина (фиг. 3). Токсинът се произвежда в патогенни клетки от токсин синтаза. Резистентността към това съединение при царевицата зависи от гена, кодиращ NADPH-зависима карбонил редуктаза, която редуцира карбонилната група, което води до
дезактивиране на токсина. Оказа се, че в тялото на растението гостоприемник токсинът предизвиква инхибиране на хистонови деацетилази и като следствие свръхацетилиране на хистони. Това потиска защитния отговор на растението срещу патогенна инфекция.
Друг вид съединения, секретирани от патогените, се наричат елиситори (от англ. elicit – идентифицирам, причинявам). Колективният термин "елиситор" е предложен за първи път през 1972 г. за обозначаване на химични сигнали, възникващи в местата на инфекция на растенията от патогенни микроорганизми, и е широко разпространен.
Елиситорите играят ролята на първични сигнали и задвижват сложна мрежа от процеси на индуциране и регулиране на фитоимунитета. Това се проявява в синтеза на защитни протеини, нелетливи растителни антибиотици - фитоалексини, в изолирането на антипатогенни летливи съединения и др. В момента е характеризирана структурата на много естествени елиситори. Някои от тях се произвеждат от микроорганизми, други (вторични елиситори) се образуват по време на ензимното разцепване на високополимерни съединения на кутикулата и полизахаридите на клетъчните стени на растенията и микроорганизмите, а трети са стресови фитохормони, чийто синтез в растенията се индуцира от патогени и абиогенни стресори. Сред най-важните елиситори са протеиновите съединения, екскретирани от патогенни бактерии и гъбички, както и протеините на вирусната обвивка. Малки (10 kDa), консервативни, хидрофилни, обогатени с цистеин елицитини, секретирани от всички изследвани видове Phytophthora и Pythium, могат да се считат за най-изследваните протеинови елиситори. Те включват, например, криптоген.
Елицитините причиняват свръхчувствителност и смърт на заразените клетки, особено при растенията от рода Nicotiana. Най-интензивното образуване на елицитини от фитофтора става по време на растежа на ми-
Установено е, че елицитините са способни да транспортират стероли през мембрани, тъй като имат място за свързване на стерол. Много патогенни гъби не са в състояние сами да синтезират стероли, което обяснява ролята на елицитините не само в храненето на микроорганизмите, но и в индуцирането на защитния отговор на растенията. 42 kDa гликопротеинов елиситор беше изолиран от Phytophthora. Неговата активност и свързване с протеиновия рецептор на плазмената мембрана, чиято мономерна форма е 100 kDa протеин, се осигурява от олигопептиден фрагмент от 13 аминокиселинни остатъка. Специфичен за расата елиситорен пептид, състоящ се от 28 аминокиселинни остатъка с три дисулфидни групи, е получен от фитопатогенната гъба Cladosporium fulvum и пептидът е образуван от прекурсор, съдържащ 63 аминокиселини. Този фактор на авирулентност показва структурна хомология с редица малки пептиди, като инхибитори на карбоксипептидаза и блокери на йонни канали, и се свързва с рецепторния протеин на плазмената мембрана, очевидно причинявайки неговата модулация, димеризация и предаване на сигнален импулс към сигнални системи. По-големият пред-протеин на Cladosporium fulvum от 135 аминокиселини се обработва след транслация в елиситорен протеин от 106 аминокиселини. Елициторните протеини, произведени от ръждивата гъба Uromyces vignae, са два малки полипептида от 5,6 и 5,8 kDa, за разлика от други елицитини по свойства. Сред бактериалните протеинови елиситори най-изследваните са харпините. Много фитопатогенни бактерии произвеждат елиситорни олигопептиди (техните синтетични
Sky аналози), съответстващи на най-консервативните области на протеина - флагелин, който е важен факторвирулентност на тези бактерии. От Erwinia amylovora е изолиран нов елиситорен протеин, чиято С-област е хомоложна на ензима пектат лиаза, който може да предизвика появата на елиситорни олигомерни фрагменти - продукти на разграждане на пектин. Патогенната бактерия Erwinia carotovora екскретира елиситорния протеин харпин и ензимите пектат лиаза, целулаза, полигалактуроназа и протеази, които хидролизират полимерните компоненти на клетъчните стени на растението гостоприемник (виж Фиг. 2), което води до образуването на олигомерни елиситорни молекули. Интересно е, че пектат лиазата, секретирана от Erwinia chrysanthemi, придобива активност в резултат на извънклетъчна обработка.
Някои липиди и техните производни също принадлежат към елиситори, по-специално 20-въглеродни полиненаситени мастни киселини на някои патогени - арахидонова и ейкозапентаенова [Ilyinskaya et al., 1991; Озерецковская и др., 1993; Озерецковская, 1994; Гилязетдинов и др., 1995; Ilyinskaya et al., 1996a, b; Ilyinskaya, Ozeretskovskaya, 1998] и техните оксигенирани производни. Обзорната статия [Ilyinskaya et al., 1991] обобщава данните за елиситорния ефект на липидите (липопротеините), произведени от патогенни гъби върху растенията. Оказа се, че не белтъчната част на липопротеините има предизвикващ ефект, а тяхната липидна част, която е арахидонова (ейкозатетраенова) и ейкозапентаенова киселини, които не са характерни за висшите растения. Те причиняват образуването на фитоалексини, тъканна некроза и системна устойчивост на растенията към различни патогени. Продуктите на липоксигеназната конверсия в растителните тъкани на C20 мастни киселини (хидроперокси-, хидрокси-, оксо-, циклични производни, левкотриени), които се образуват в клетките на растението гостоприемник с помощта на ензимния липоксигеназен комплекс (субстрати на които могат да бъдат C,8 или C20 полиенови мастни киселини), имаха силен ефект върху защитния отговор на растенията. Това очевидно се дължи на факта, че в незаразените растения няма кислород.
производни на 20-въглеродни мастни киселини и появата им в резултат на инфекция води до драматични резултати, например образуване на некроза около заразените клетки, което създава бариера за разпространението на патогени в растението.
Има доказателства, че индуцирането на липоксигеназна активност от патоген е довело до образуването на отговор на растението, дори когато елиситорът не съдържа C20 мастни киселини и субстратът на липоксигеназната активност може да бъде само собствените му C18 полиенови мастни киселини и продуктите могат да бъдат октадеканоиди, а не ейкозаноиди. Сиринголидите също имат предизвикващи свойства [L et al., 1998] и цереброзидите - сфинголипидни съединения. Цереброзидите А и С, изолирани от Magnaporthe grisea, са най-активните елиситори за оризови растения. Продуктите на разграждане на цереброзид (метилови естери на мастни киселини, сфингоидни бази, гликозил-сфингоидни бази) не показват елиситорна активност.
Някои елиситори се образуват в резултат на действието върху растителните тъкани на хидролази, освободени от патогени. Целта на хидролазите е двойна. От една страна, те осигуряват храна за патогените, необходима за тяхното развитие и размножаване, от друга страна, те разхлабват механичните бариери, които пречат на патогените да проникнат в техните местообитания в растенията.
Една такава бариера е кутикулата, която се състои главно от кутинов хетерополимер, вграден във восък. Открити са повече от 20 мономера, които изграждат кутина. Това са наситени и ненаситени мастни киселини и алкохоли с различна дължина, включително хидроксилирани и епоксидирани, дълговерижни дикарбоксилни киселини и др. В кутина повечето от първичните алкохолни групи участват в образуването на етерни връзки, както и някои от вторичните алкохолни групи, които осигуряват напречни връзки между веригите и точките на разклонение в полимера. Част от друг "бариерен" полимер, суберин, е близък по състав до кутина. Основната му разлика е, че свободните мастни киселини са основният компонент на субериновите восъци, докато в кутина има много малко от тях. Освен това в подс
Има основно C 22 и C 24 мастни алкохоли, докато кутинът съдържа C 26 и C 28. За да преодолеят повърхностната механична бариера на растенията, много патогенни гъби отделят ензими, които хидролизират кутина и някои от компонентите на суберина. Продуктите от реакцията на кутиназа бяха различни кислородни мастни киселини и алкохоли, главно 10,16-дихидрокси-CR- и 9,10,18-трихидрокси-С | 8-киселини, които са сигнални молекули, които предизвикват образуването и освобождаването на допълнителни количества на съкратено на замръзване. Установено е, че лаг периодът за появата на кутиназна иРНК в гъбичките след началото на образуването на горните ди- и трихидрокси киселини е само 15 минути, докато освобождаването на допълнителна кутиназа е два пъти по-дълго. Увреждането на кутиназния ген във Fusarium solani значително намалява вирулентността на тази гъба. Инхибирането на кутиназата с химикали или антитела предотвратява инфекцията на растенията. Предположението, че окислените продукти на разграждане на кутин могат да действат не само като индуктори на образуването на кутиназа в патогени, но и като стимулатори на защитни реакции в растението гостоприемник [Tarchevsky, 1993], впоследствие се потвърждава.
След проникването на патогенните микроорганизми през кутикулата, част от тях преминават в проводящите снопове на растенията и използват наличните там за своето развитие. хранителни вещества, докато други се транспортират в живите клетки на гостоприемника. Във всеки случай, патогените срещат още една механична бариера - клетъчни стени, състоящи се от различни полизахариди и протеини и в повечето случаи подсилени с твърд полимер - лигнин [Tarchevsky, Marchenko, 1987; Тарчевски и Марченко, 1991]. Както бе споменато по-горе, за да преодолеят тази бариера и да осигурят развитието си с въглехидратно и азотно хранене, патогените отделят ензими, които хидролизират полизахаридите и протеините на клетъчната стена.
Специални изследвания показват, че по време на взаимодействието на бактериите и тъканите на растението гостоприемник, ензимите
Деградациите не се появяват едновременно. Например, пектилметилестераза също присъства в неинокулирана Erwinia carotovora subsp. атросептия в тъканите на картофени клубени, докато активността на полигалактуроназа, пектат лиаза, целулаза, протеаза и ксиланаза се появява съответно 10, 14, 16, 19 и 22 часа след инокулацията.
Оказа се, че продуктите от разграждането на олигозахаридите на полизахаридите на растителната клетъчна стена имат предизвикващи свойства. Но активните олигозахариди могат да се образуват и от полизахариди, които са част от клетъчните стени на патогените. Известно е, че един от начините за защита на растенията от патогенни микроорганизми е образуването след заразяване и освобождаване извън плазмалемата на ензими - хитиназа и ?-1,3-глюканаза, които хидролизират полизахаридите хитин и ?-1,3-полиглюкани на клетъчните стени на патогените, което води до потискане на растежа и развитието им. Установено е, че олигозахаридните продукти от такава хидролиза също са активни стимулатори на защитните реакции на растенията. В резултат на действието на олигозахаридите се повишава устойчивостта на растенията към бактериална, гъбична или вирусна инфекция.
Олигозахаридните елиситори, тяхната структура, активност, рецептори, тяхното „включване“ на клетъчни сигнални системи, индукция на експресия на защитни гени, синтез на фитоалексини, реакции на свръхчувствителност и други реакции на растенията са обект на редица обзорни статии.
В лабораторията на Elbersheim, а след това и в редица други лаборатории, беше показано, че олигогликозидите, образувани в резултат на патогенно индуцирано ендогликозидазно разграждане на хемицелулозни и пектинови вещества на растения, хитин и хитозан на гъби, могат да играят ролята на биологично активни вещества. Дори се предполага те да се считат за нов клас хормони („олигозахарини“, за разлика от олигозахаридите, които нямат активност). Образуването на олигозахариди в резултат на хидролиза на полизахариди, а не в хода на синтеза от монозахариди, беше показано на примера
Ксилоглюкан олигозахарид с антиауксиново действие.
Дешифрирана е структурата на редица физиологично активни олигозахариди: разклонен хептаглюкозид, получен от клетъчните стени на патогенна гъбичка [Elbersheim, Darvill, 1985]; пента- и хексамери на N-ацетил-глюкозамин, получен чрез хидролиза на хитин, както и глюкозамин, образуван чрез хидролиза на хитозан; 9-13-мерни линейни олигогалактурониди, образувани при хидролизата на пектинови вещества; декагалактуронид с 4-5 ненаситен краен галактуронозилов остатък; олигогалактуронозиди със степен на полимеризация 2-6, проявяващи определена активност. Публикувани са данни за физиологично активни ксилоглюкани, получени от хемицелулози със степен на полимеризация 8-9, хитобиоза, хито-триоза и хитотетроза, разклонени ксилоглюканови фрагменти с формула Glu(4)-Xi(3)-Gal(1 или 2)-Fuc и техните естествени О-ацетилирани производни. Установено е, че разклоненият р-глюкозид има най-висока фитоалексин-индуцираща активност. Химическа модификация на този олигозахарин или промяна в естеството на разклоняването води до намаляване на елиситорните свойства.
Изследването на механизма на действие на олигозахаридите върху растенията позволи да се установи, че спектърът на отговорите зависи от концентрацията и структурата на изследваните вещества. Различните олигозахаридни елиситори показват най-висока активност при различни концентрации. Например, индукцията на синтеза на защитни съединения (хитинази) в културата на оризови клетки е максимална при концентрация на N-ацетилхитохексаоза 1 μg/ml, докато за постигане на същия ефект в случая на ламинарингхексоза ((3-1,3-глюкан) фрагмент е необходима 10 пъти по-висока концентрация.
Установено е, че степента на устойчивост на растенията към даден патоген се определя (заедно с други фактори) от съотношението на различни полизахариди в стените на растителните клетки. Това може да се прецени въз основа на сравнение на резистентни и чувствителни към патогена Colletotrichum linde-
мутианум бобови линии, които са били изложени на патогена ендополигалактуроназа. Изолирани са олигомерни фрагменти от пектин; се оказа, че те устойчив сортпреобладават остатъците от неутрални захари, а в нестабилната - галактуронатни.
Наскоро бяха получени резултати, които показват, че олигогалактуронатните фрагменти се образуват в растенията не само под въздействието на пектин-разграждащи ензими на патогени, но и в резултат на експресията на полигалактуроназни гени в клетките гостоприемници в отговор на системин и олигозахаридни елиситори.
Обръща се внимание на многопосочната регулация на защитния отговор на клетките чрез продукти на разграждане на полизахаридите на клетъчната стена. Оказа се, че малки олигогалактурониди със степен на полимеризация 2-3 са активни елиситори, а фрагменти от рамногалактуронови пектини с висока степен на полимеризация са супресори на образуването на хидроксипролинови протеини на клетъчните стени. С други думи, процесите на разграждане в клетъчните стени, причинени от патогени, могат да регулират (в резултат на сложна последователност от реакции на клетъчни сигнални системи) биосинтетични процеси, които повишават стабилността на клетъчните стени поради натрупването на хидроксипролинови протеини и образуването на ковалентни връзки между тях.
Съдържащите фукоза фрагменти от ксилоглюкан (три- и пентазахариди) притежават имуносупресивни свойства, но когато ксилозата е заменена с друг монозахарид, супресорната активност се променя на елиситорна активност [Ilyinskaya et al., 1997]. Лишаването на фукозния олигозахарид го лишава както от супресорни, така и от елиситорни свойства. Ниските активни дози и високата селективност на специфичните супресори показват рецепторния характер на тяхното действие [Ozeretskovskaya, 2001].
Има и други примери за патогени, произвеждащи не само стимулатори, но и супресори на защитните реакции на растенията. Така пикносгурите Mycosphaerella pinodes изолират и двата вида такива съединения.
Трябва да се отбележи, че олигозахаридните фрагменти на полизахаридите на клетъчните стени на растенията и гъбите са
Пренасяне към расово-неспецифични елиситори, причиняващи неспецифични защитни реакции от заразени растения. Това е съвсем разбираемо, тъй като по време на разграждането на полизахаридите се образува широка гама от олигозахариди, в които видовата специфичност на патогена или гостоприемника е много слабо изразена. В същото време протеиновите (или пептидните) вирулентни фактори на бактериите, които се разпознават от "техните" рецептори на растителни клетки, са специфични за расата. Последният тип взаимодействие се нарича генетичен пинг-понг или взаимодействие ген за ген, тъй като спецификата на елиситора или рецептора се определя от гените, които ги кодират, а резистентността или чувствителността на растенията към патогена се определя от способността на рецептора да разпознава елиситора.
За изследване на механизмите на реакция на растителните клетки към действието на елиситорите често се използват не отделни олигозахариди, а смес от олигозахариди, образувани по време на хидролизата на полизахариди на клетъчните стени на патогенни гъбички. Този подход е оправдан, като се има предвид, че още в първите моменти на заразяване с патогени растителните клетки могат да бъдат засегнати не от един, а от няколко елиситора. Между другото, има сравнително малко произведения, посветени на изследването на характеристиките на действието на няколко елиситора едновременно. Например е доказано, че елицитините parasiticein и cryptogain, както и олигозахаридните елиситори от клетъчните стени индуцират бързо активиране на 48 kDa SIP-тип протеин киназа и фенилаланин амониева лиаза в тютюна. В същото време елицитините, а не олигозахаридите са тези, които активират 40 kDa протеин киназа. Глюканът и Ca 2+ засилват ефекта на арахидоната и ейкозапентаеноата. Фактът, че EGTA (специфичен Ca 2+ лиганд) инхибира синтеза на фитоалексини предполага, че калциевите йони играят важна роля в регулирането на защитната функция на растенията. Възможно е продуктите на разграждане на протеини от клетъчна стена, богати на хидроксипролинови остатъци и съдържащи олигогликозилни разклонения, също да са сигнални вещества.
ЕЛИЦИТОРНИ РЕЦЕПТОРИ
It was already mentioned in the Introduction that elicitor signal receptors can be located both in the cell membrane, and in the cytosol, and in the nucleus, but we are especially interested in the first, most common case, when the elicitor itself does not penetrate into the cell, but interacts with the extracellular part of the plasma membrane protein receptor, which is the first link in a complex chain of signaling events culminating in the cell's response to changed conditions of existence. Броят на молекулярните антени на един тип клетъчни рецептори на плазмалемата, очевидно, може да достигне няколко хиляди. Броят на видовете молекулярни антени остава неизвестен, но може да се твърди, че те имат унифицирани основни структурни свойства. Те имат три основни домена: външен вариабилен N-терминален домен (акцептор по отношение на елиситорите), трансмембранен с повишено съдържание на хидрофобната аминокиселина левцин и цитоплазмен вариабилен С-терминален домен, чиято структура определя предаването на сигнален импулс към определена сигнална система. Рецепторът може да бъде специфичен само за един тип елиситор или за група от свързани (напр. олигомерни) елиситори. Описани са няколко вида рецепторни протеини на клетъчни мембрани при животни: в някои рецептори трансмембранната протеинова верига пресича мембраната само веднъж, в други (серпентин) - седем пъти, в трети взаимодействието с елиситорен лиганд води до образуването на хомо- или хетеродимер (олигомер), който е основният преобразувател на външния сигнал. Структурата на рецепторните протеини в растителната плазмалема е проучена в по-малка степен, но принципите на тяхното изграждане са същите.
АТФ
АТФ
Ориз. 4. Схема на структурата на двукомпонентен рецептор за сигнални системи
А -прост рецептор; б -многофункционален рецептор. 1 - "входен" домейн; 2 - автокиназен хистидин домен; 3 - приемащ домейн на регулатор на отговор; 4 - "изходната" област на регулатора на реакцията; 5 - хистидин-съдържащ фосфат-носещ домен; А - остатък от аспарагинова киселина; G - хистидинов остатък; Р е ортофосфатен остатък, пренасян по време на киназни реакции. Външният сигнал се обозначава със символ на светкавица
Същото като животинските клетки. Особено внимание привлича двукомпонентната рецепторна структура, притежаваща свойствата на протеин киназа (фиг. 4). Първо, той е открит в прокариотни организми, а след това, в променена форма, в еукариотни организми, включително растения, като Arabidopsis. Ако в първия случай два компонента - действителният рецептор и изпълнителният - са независими, макар и взаимодействащи, протеинови молекули, то във втория случай те са два домена на един и същ протеин.
Потвърждение на ролята на взаимодействието елиситор-рецептор при предаването и трансформирането на сигнали от патогени в генома беше установяването на положителна корелация между способността на елиситорите да се свързват нековалентно с рецепторите и да индуцират защитен клетъчен отговор, например, натрупването на фитоалексини. Свързването към външната област на протеиновите рецептори на плазмената мембрана е характерно за олигозахаридните елиситори на растителни клетъчни стени, олигохитинови фрагменти от гъбични клетъчни стени, елиситорни протеини и пептиди, сиринголиди, стресови фитохормони системин, етилен, абсцицинова киселина, метил жасмонат и брасиностероиди. В последния случай има фундаментална разлика от животинските клетки, в които рецепторите за стероидни хормони са разположени в ядрото.
Изолирани са редица мембранни протеинови елиситорни рецептори. За да направите това, след като белязаните елиситори се свържат с рецептори, мембраните се освобождават от клетките, унищожават се и протеинът със задържан елиситор се идентифицира по своята радиоактивност. Установено е например, че рецепторът за системин е 160 kDa протеин, бактериален флагелин елиситор - 115 kDa мембранен протеин, гликопротеин от клетъчната стена на фитофтората, който има сигнален олигопептиден фрагмент от 13 аминокиселинни остатъка -91 kDa или 100 kDa.
Концепцията за молекулярно взаимодействие ген за ген между патогени и растения често предполага индиректно (медиирано от сигнални системи) разпознаване на гена за авирулентност на патогена (avr ген) от съответния ген за устойчивост (R ген) на растителната клетка.
Моделът елиситор-рецептор е молекулярната основа на взаимодействието "ген за ген" между патоген и растение. Рецепторните протеини са изолирани и пречистени, а гените, кодиращи тези протеини, са клонирани. Има редица прегледи, посветени на структурата на рецепторните протеини
Оказа се, че много от тях имат подобни запазени обогатени с левцин повторения (от 12 до 21), необходими за взаимодействието протеин-протеин. Тези повторения позволяват свързването на рецепторния R протеин към елиситорите. Изследвания на мутанти с нарушена резистентност към патогенни бактерии, причинена от заместването на глутамат с лизин в един от левциновите повторения, потвърждават, че взаимодействието протеин-протеин е важна връзка в трансформацията и предаването на елиситорни сигнали в клетъчния геном.
Понастоящем са приети няколко модела на структурата на рецепторите и начините за предаване на елиситорен сигнал отвън към вътрешността на растителната клетка. В Arabidopsis е открито семейство от 35 серпентинови рецептора. Рецепторът възприема сигналната молекула от N-терминалното място от външната страна на мембраната и предава сигналния импулс към цитоплазмата от вътрешното С-място. Свързването на сигналната молекула води до промяна в конформацията на цялата рецепторна молекула, което води до активиране на свързаните с нея протеинови молекули в цитоплазмата, които извършват трансформация на сигнала.
Един от фундаментално важните механизми, използвани в клетъчните сигнални системи, е димеризацията (олигомеризация) на определени протеинови междинни продукти на тези системи. Примерите включват димеризация на рецептора след свързване на лиганди към тях, димеризация на някои междинни продукти на сигналната система и димеризация на фактори за регулиране на транскрипцията. Наблюдава се както хомо-, така и хетеродимеризация (олигомеризация). При животните механизмът на димеризация на тирозинкиназните рецептори на клетъчната мембрана е типичен, например за трансдукцията на полипептидни хормони (плацентарен растежен фактор и др.). Серин/треонин киназните рецептори функционират по подобен начин. Малко се знае кои форми на рецептори - мономерни, хомодимерни или хетеродимерни - участват в преобразуването на елиситорни сигнали в растителните клетки. Схема на хетеродимерно пре-
рецептор, който се активира от лиганда, което води до фосфорилиране на цитозолния киназен домен и активиране на протеини, свързани с него, някои от които предават сигнален импулс към следващите междинни продукти на сигналните системи. Един от свързаните протеини е протеиновата фосфатаза, която инактивира киназния домен.
В животинските клетки тирозин киназният рецептор се състои от три домена: екстрацелуларен, трансмембранен и обърнат към цитозола. Специфичността на структурата на първия и третия домен (например, че те не са способни да се фосфорилират) определя, от една страна, с кой хормон взаимодейства рецепторът и, от друга страна, какви сигнални системи "включва" този хормон. Взаимодействието на външния домен със сигналния лиганд води до автофосфорилиране на тирозиновия остатък на този домен, което повишава неговата киназна активност. Обикновено протеин киназите съдържат множество места за фосфорилиране. Това се отнася и за рецепторните протеин кинази. Цитоплазменият домен на мономерната форма на рецептора на растежен фактор в животински клетки съдържа най-малко девет автофосфорилирани тирозинови остатъка. Един от тях, Tyr 857, е важен за проявата на киназна активност, а осем други определят спецификата на връзката със сигнално-трансформиращите молекули. Има причини да се смята, че същите принципи на функциониране на рецепторите се използват и в растителните клетки; те обаче се намират главно в серин-треонин рецепторни протеин кинази, участващи в индуцирани от патоген защитни реакции на растенията.
Понастоящем 18 рецептор-подобни серин-треонин протеин кинази на Arabidopsis са разделени на четири групи в зависимост от структурата на техния извънклетъчен домен:
1. Протеин кинази с домени, обогатени с левцинови повторения, обикновено характерни за фрагменти, участващи във взаимодействия протеин-протеин. При животни такива рецептори свързват полипептидни (или пептидни) сигнални молекули. Предполага се, че тази група включва брасинолидни рецептори с обогатени
Mi левцин се повтаря в N-терминалната епимембранна област. Ген за подобен протеин е изолиран от домати, но без цитозолния киназен домен.
2. Протеинкинази с S-домени, които съдържат
много цистеинови остатъци.
Протеин кинази с богати на левцин домени
се повтаря, но за разлика от първата група е свързана
ние с лектини. Това създава възможност за приемане от тези
протеин кинази на олигозахаридни елиситори.
Протеин кинази, свързани с клетъчната стена.
Един от древните, консервативни и широко разпространени типове мембранни рецептори са трансмембранни автофосфорилиращи хистидин кинази, които могат да бъдат активирани от широк спектър от елиситорни сигнални молекули. Свързването на елиситора с външния N-терминален участък на рецептора, изпъкнал над липидния слой на плазмалемата, предизвиква промяна в неговата конформация и автофосфорилиране на хистидиновия остатък (виж Фиг. 4). След това остатъкът от фосфорна киселина се прехвърля към аспартатния остатък на вътрешната (цитоплазмена) протеинова област, което също предизвиква промяна в неговата конформация и в резултат на това активиране на ензима, свързан с рецептора (директно или чрез посредници - най-често G-протеини). Ензимното активиране е най-важното звено в сигналната система, чиято цел е предаването и умножаването на елиситорния сигнал, което завършва с експресията на защитни гени и появата на протеини, които
Определя се реакцията на клетките и растението като цяло на инфекция и излагане на елиситори. Специфичността на рецепторите за елиситори се определя от променливия външен N-край на протеина, докато специфичността за ензима се определя от неговия вътрешен С-край. Доказано е, че този тип рецептор взаимодейства с фитохормона на стреса етилен IBleecker et al., 1998; Hua и Meyerowitz 1998; Theologis, 1998; Woeste и Kieber 1998; Alonso et al., 1999; Чанг, Шокей, 1999; А.Е. Hall et al., 1999; Hirayama et al., 1999; Cosgrove et al., 2000; Savaldi-Goldstein, Fluhr, 2000; et al.], който предизвиква защитни реакции на растителните клетки. Клонирането и определянето на първичната структура на гена на хистидиновия рецептор в Arabidopsis показа, че неговият N-терминален мембранен домен е подобен на преносителите на метални йони.
Понастоящем е описан трансмембранен рецепторен протеин, чийто N-край взаимодейства с клетъчната стена, а С-краят се намира в цитоплазмата и има свойствата на серин-треонин протеин кинази. Според авторите този рецепторен протеин изпълнява сигнални функции, осигурявайки сигнален контакт между клетъчната стена и вътрешното съдържание на клетката.
Тъй като взаимодействието между сигналната молекула и рецептора протича без възникването на ковалентни връзки между тях, не може да се изключи възможността за тяхното отделяне. От друга страна, асоциацията на тези два вида молекули може да бъде доста силна и промяната в конформацията на рецепторния протеин създава предпоставки за улесняване на атаката на протеази, които разпознават протеини с нарушена структура и унищожават тези молекули. В това отношение способността на клетките бързо да възстановят броя на рецепторите е от голямо значение. различни видове. Обръща се внимание на експериментите, посветени на изследването на ефекта на инхибиторите на протеиновия синтез върху интензивността на свързване на елиситорите с рецепторните протеини на плазмалемата. Оказа се, че третирането на клетките с циклохексимид, инхибитор на протеиновия синтез с участието на цитоплазмените рибозоми, причинява доста бързо намаляване на нивото на системно свързване от клетките, което показва освобождаването на
Висока скорост на оборот на рецепторния протеин от 160 kDa. Има данни за индуцирания от елиситор синтез на рецептори, разположени в плазмалемата, но доколкото е известно, все още няма информация за степента на специфичност на синтеза на определен рецепторен протеин в зависимост от вида на елиситора.
Тарчевски И. А. Сигнални системи на растителни клетки / дупки. изд. А. Н. Гречкин. М. : Наука, 2002. 294 с.
UDC 633.11(581.14:57.04)
ХАРАКТЕРИСТИКИ НА РАЗПРЕДЕЛЕНИЕТО НА РАСТЕНИЯТА В АГРОПОПУЛАЦИЯТА НА ПШЕНИЦАТА ПО КЛАСОВЕ ВАРИАНТИ НА ЕЛЕМЕНТИТЕ НА ПРОДУКТИВНОСТТА НА ГЛАВАТА
А. А. Горюнов, М. В. Ивлева, С. А. Степанов
Вегетационните условия оказват съществено влияние върху разпределението на растенията в агропопулацията на твърдата пшеница според класовете на изменчивост на броя на класчетата, броя на зърната на класа и теглото им. Сред сортовете на Саратов, отглеждани при екстремни агроклиматични условия на годината, е характерен различен брой растения: стари сортове - малки класове, нови сортове - големи класове на вариация. Благоприятните агроклиматични условия увеличават броя на растенията, отнесени към по-високите класове на изменчивост на елементите на класовата продуктивност.
Ключови думи: сорт, класче, кариопсис, пшеница.
ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗПРЕДЕЛЕНИЕ НА РАСТЕНИЯТА В АГРОПОПУЛАЦИЯТА НА ПШЕНИЦАТА ВЪРХУ КЛАСОВЕТЕ НА ВАРИАЦИЯТА НА ЕФЕКТИВНОСТТА НА ЕЛЕМЕНТИТЕ НА УХОТО
А. А. Горюнов, М. В. Ивлева, С. А. Степанов
Растителност в агропопулациите. Сред сортовете от саратовската селекция в условията на екстремна година за агроклиматичните условия е характерен различен брой растения: за стари сортове - малки класове, за нови сортове - големи класове на вариация. Благоприятните агроклиматични условия увеличават броя на растенията, отнесени към по-високите класове на вариация на елементите на ефективност на класа.
Ключови думи: сорт, класче, зърно, пшеница.
В морфогенезата на пшеницата, според изследователите (Морозова, 1983, 1986), могат да се разграничат няколко фази: 1) морфогенеза на апикалната част на меристемата на зародишната пъпка, водеща до образуване на рудиментарна главна издънка; 2) морфогенеза на фитомерните елементи на рудиментарния основен издънка в органите на растението, което определя хабитуса на храста. Първата фаза (първична органогенеза - според Ростовцева, 1984) определя, така да се каже, матрицата на растението. Както е установено (Ростовцева, 1978; Морозова, 1986; Степанов и Мостовая, 1990; Адамс, 1982), особеностите на преминаването на първичните процеси на органогенезата се отразяват в последващото структурообразуване.
Според изследователите (Морозова, 1986, 1988), образуването на фитомери на вегетативната зона на рудиментарния основен издънка е видоспецифичен процес, докато разполагането на фитомерни елементи на рудиментарния основен издънка във функциониращи растителни органи е специфичен за сорта процес. Процесът на образуване на фитомерите на генеративната зона на издънката е по-специфичен за сорта (Морозова, 1994).
Най-ясно е изразено значението на първичните морфогенетични процеси, т.е. установяването и образуването на фитомери във вегетативните и генеративните зони на издънките на пшеницата и последващото им внедряване при подходящи агроклиматични условия при анализ на структурата на културите по вариационни криви на елементите на издънкова продуктивност (Морозова, 1983, 1986; Степанов, 2009). Това се предшества от селективно отчитане на разпределението на растенията в тяхната агропопулация според класовете на вариация на отделните продуктивни елементи, по-специално броя на класчетата, броя на зърната на класа и масата на зърната на класа.
Материал и метод
Проучванията са проведени през 2007-2009 г. Следните сортове пролетна твърда пшеница от саратовско развъждане бяха избрани като обекти на изследване: Gordeiforme 432, Melyanopus 26, Melyanopus 69, Saratovskaya 40, Saratovskaya 59, Saratovskaya golden, Людмила, Валентина, Ник, Elizavetinskaya, Zolotaya volna, Annushka, Krassar. Основните наблюдения и записи са извършени в полеви експерименти с малки парцели в полетата на селекционното сеитбообращение на близките станции на Изследователския институт по земеделие на Югоизтока и Ботаническата градина на SSU, повторението на експериментите е 3-кратно. За да се извърши структурен анализ на продуктивността на сортовете пшеница, в края на вегетационния период бяха взети 25 растения от всяко повторение, които след това бяха комбинирани в група и 25 растения бяха избрани на случаен принцип от нея за анализ. Взети са предвид броят на класчетата, броят на зърната в класчетата и масата на едно зърно. Въз основа на получените данни,
според метода на З. А. Морозова (1983) характеристиките на разпределението на растенията в агропопулацията на твърда пшеница са разделени според класовете на вариация на елементите на продуктивността на класа. Статистическата обработка на резултатите от изследването е извършена с помощта на програмния пакет Excel Windows 2007.
Резултати и тяхното обсъждане
Както показаха нашите проучвания, в условията на растителност през 2007 г. основният брой на основните издънки на сортове пшеница от саратовската селекция по отношение на броя на колосите на ухото беше във 2-ри и 3-ти клас на вариация. Малък брой растения са отнесени към 1 клас – 4% (табл. 1).
Таблица 1. Броят на издънките на сортове пшеница от Саратовско развъждане по класове на вариация в броя на класчетата на ухото,% (2007 г.)
Разновидност Вариационен клас
1-ви 2-ри 3-ти 4-ти 5-ти
Gordeiforme 432 0 92 8 0 0
Melanopus 26 4 76 20 0 0
Melanopus 69 4 64 32 0 0
Саратовская 40 7 93 0 0 0
Древен 4 81 15 0 0
Саратовская 59 4 76 20 0 0
Саратов голдън 0 16 80 4 0
Людмила 8 44 48 0 0
Валентина 0 16 76 8 0
Ник 14 14 72 0 0
Елизабетинска 0 24 72 4 0
Златна вълна 8 16 52 24 0
Аннушка 0 20 64 16 0
Красар 0 20 48 32 0
Ново 4 27 59 10 0
При анализиране на сортовете по групи беше установено, че древните сортове се характеризират с по-голям брой растения от 2-ри клас на вариация (81%) и по-малък брой растения от 3-ти клас на вариация (15%). Според групата от нови сортове е установено, че по-голям брой растения принадлежат към 3-ти клас на вариация (59%), някои растения от 4-ти клас на вариация (10%). Установено е, че в някои нови сортове броят на растенията от 4-ти клас на вариация е повече от 10% - Красар (32%), Златна вълна (24%), Анушка (16%), а в някои сортове техният брой е под 10% (Валентина,
Саратовская златна, Елизаветинская) или изобщо не се наблюдава - Саратовская 59, Людмила, Ник (виж Таблица 1).
През вегетационния сезон на 2008 г., който се отличава с по-благоприятно агроклиматично състояние, сред сортовете на саратовското развъждане, както древни, така и нови, по-голям брой растения по отношение на броя на колосовете на ухото са причислени към 3-ти клас на вариация. Нито едно растение, както през предходната година, не е представено в 5-ти вариационен клас. Характерно е, че за разлика от новите сортове твърда пшеница, при старите сортове е отбелязан по-голям брой растения от 2-ри клас на вариация - 41% (Таблица 2).
Таблица 2. Броят на издънките на сортове пшеница от Саратовско развъждане по класове на вариация в броя на класчетата на ухото,% (2008 г.)
Разновидност Вариационен клас
1-ви 2-ри 3-ти 4-ти 5-ти
Gordeiforme 432 12 20 60 8 0
Melanopus 26 4 36 56 4 0
Melanopus 69 4 48 48 0 0
Саратовская 40 4 60 28 8 0
Древен 6 41 48 5 0
Саратовская 59 28 48 24 0 0
Саратов златен 0 28 64 8 0
Людмила 8 44 48 0 0
Валентина 4 28 64 4 0
Ник 4 28 68 0 0
Елизабетинска 8 36 52 4 0
Златна вълна 4 12 68 16 0
Аннушка 0 28 60 12 0
Красар 8 28 32 32 0
Ново 7 32 52,5 8,5 0
Сред новите сортове твърда пшеница бяха разграничени сортове, за които, както и през предходната година, наличието на част от растенията в 4-ти клас на вариация по отношение на броя на класчетата на класа - Crassar (32%), златна вълна (16%), Annushka (12%), Саратовски златен (8%), Валентин (4%), което е същата тенденция като и същата тенденция. В предишния, 20 07 (виж таблица 2).
В условията на вегетационния сезон на 2009 г. повечето пшенични растения от саратовската селекция по броя на класчетата на ухото бяха причислени към 4-ти и 3-ти клас на вариация: нови сортове - съответно 45 и 43%, стари сортове - съответно 30 и 51%. Характерно е, че някои
Наличието на по-висока спрямо средната стойност на броя на растенията от 4-ти клас на вариация е характерно за други сортове - Аннушка (76%), Валентина (64%), Ник (56%), Златна вълна (52%), Саратовская 40 (48%). В някои сортове са отбелязани растения от 5-ти клас на вариация - Златна вълна (12%), Красар (8%), Людмила (8%), Gordeiforme 432 и Саратовская 40 - 4% (Таблица 3).
Таблица 3. Броят на издънките на сортове пшеница от Саратовско развъждане по класове на вариация в броя на колосите на ухото,% (2009 г.)
Разновидност Вариационен клас
Gordeiforme 432 4 12 52 28 4
Melanopus 26 4 36 44 16 0
Melanopus 69 0 8 64 28 0
Саратовская 40 0 4 44 48 4
Древна 2 15 51 30 2
Саратовская 59 0 28 48 24 0
Саратов златен 4 8 72 16 0
Людмила 0 4 56 32 8
Валентин 0 0 36 64 0
Ник 4 4 36 56 0
Елизабетинска 4 12 40 44 0
Златна вълна 0 4 32 52 12
Аннушка 0 0 24 76 0
Красар 0 8 40 44 8
Ново 1 8 43 45 3
По този начин проведените изследвания показват, че условията на отглеждане значително влияят върху разпределението на растенията в агропопулацията според класовете на вариация в броя на класчетата на класа. Сред сортовете на саратовското отглеждане в условията на екстремни агроклиматични условия на годината се характеризира с по-голям брой растения: стари сортове - 2-ри клас, нови сортове - 3-ти клас, а някои от тях 4-ти клас на вариация. При благоприятни агроклиматични условия се увеличава броят на растенията, отнасящи се към по-високите класове на изменчивост в броя на класчетата на един клас от твърда пшеница.
В условията на вегетация през 2007 г. броят на основните издънки на сортовете пшеница от саратовската селекция по броя на зърната на ухото е в 1-ви и 2-ри клас на вариация. Само част от растенията от някои сортове са причислени към 3-ти, 4-ти и 5-ти клас (таблица 4).
Разновидност Вариационен клас
1-ви 2-ри 3-ти 4-ти 5-ти
Gordeiforme 432 96 4 0 0 0
Melanopus 26 96 4 0 0 0
Melanopus 69 92 8 0 0 0
Саратовская 40 93 7 0 0 0
Древен 94 6 0 0 0
Саратовская 59 80 20 0 0 0
Саратов златен 20 48 32 0 0
Людмила 0 64 24 12 0
Валентин 48 36 16 0 0
Ник 28 62 10 0 0
Елизабетинска 48 48 4 0 0
Златна вълна 12 32 48 4 4
Аннушка 52 36 12 0 0
Красар 88 8 4 0 0
Нов 42 39 17 1.5 0.5
При анализиране на сортовете по групи беше установено, че древните сортове се характеризират с по-голям брой растения от 1-ви клас на вариация (94%) и много малък дял растения от 2-ри клас на вариация (6%). Според групата от нови сортове беше разкрито, че по-голям брой растения от отделни сортове също принадлежат към 1-ви клас на вариация - Красар (88%), Саратовская 59 (80%), Аннушка (52%), Валентина (48%), Елизаветинская (48%), отделни сортове - към 2-ри клас на вариация - Людмила (64%), Ник (62%), Саратовска златна ( 48%), Елизаветинская (48%) или към 3-ти клас - Златна вълна - 48% (виж Таблица 3). В два сорта са отбелязани растения от 4-ти клас на вариация в броя на зърната на класа - Людмила (12%) и Золотая волна - 4% (виж таблица 4).
По време на вегетационния сезон на 2008 г., който, както беше отбелязано по-рано, се характеризираше с по-благоприятни агроклиматични условия, сред сортовете на саратовското развъждане, както древни, така и нови, по-голям брой растения по броя на класчетата на ухото бяха причислени към 2-ри и 3-ти клас на вариация. Въпреки това, сред древните сортове, две разновидности се различават по-голямо спрямо средните стойности в броя на растенията от 2-ри клас - Саратовская 40 и Melyanopus 69 - съответно 72 и 48%. Сред новите сортове 3 сорта също се различават в голям брой растения от 2-ри клас спрямо средните стойности - Саратовская 59 и Валентина (72%), Людмила - 64%.
За разлика от предходната година, сред сортовете на саратовското развъждане е характерно наличието на определен брой растения, класифицирани като 4-ти клас на вариация в броя на зърната на класа. Това е особено характерно за сортовете Melyanopus 26, Elizavetinskaya, Людмила, Gordeiforme 432, Melyanopus 69, Nick, Annushka (Таблица 5).
Таблица 5. Броят на издънките на сортове пшеница от Саратовско развъждане по класове на вариация в броя на зърната на ухото,% (2008 г.)
Разновидност Вариационен клас
1-ви 2-ри 3-ти 4-ти 5-ти
Gordeiforme 432 0 28 56 8 8
Melanopus 26 0 24 48 24 4
Melanopus 69 4 48 40 8 0
Саратовская 40 0 72 24 4 0
Древна 1 43 42 11 3
Саратовская 59 20 72 8 0 0
Саратов златен 4 36 56 4 0
Людмила 0 64 24 12 0
Валентин 0 72 28 0 0
Ник 0 32 60 8 0
Елизабетинска 0 48 32 20 0
Златна вълна 12 32 48 4 4
Аннушка 4 44 40 8 4
Красар 4 40 52 4 0
Ново 5 49 39 6 1
През вегетационния сезон на 2009 г. разпределението на пшеничните растения от саратовските сортове за размножаване по броя на класчетата на ухото е различно в зависимост от груповата принадлежност - стари или нови сортове. В групата на старите сортове повечето растения са отнесени към 3-ти и 4-ти клас на вариация - съответно 42,5% и 27%. При два сорта Melyanopus 26 и Melyanopus 69 са наблюдавани растения от 5-ти клас на изменчивост по брой зърна на класа (табл. 6).
Сред новите сортове най-много растения са отнесени към 3-ти и 2-ри клас - съответно 50,5 и 24% (табл. 6). Характерно е, че някои сортове се характеризират с наличието на по-голям спрямо средната стойност брой растения от съответния клас: 2-ри клас на вариация - Саратовская 59 (56%), Елизаветинская (32%), Красар (32%), Gordeiforme 32 (28%), Саратовска златна (28%); Вариации от 3 клас - Валентина (72%), Аннушка (60%), Красар (56%), Саратовская 40 (52%), Ник (52%), Елизаветинская (52%); Вариант от 4 клас - Zo-
лота вълна (36%), Аннушка (32%), Саратовская златна и Людмила (20%). Трябва да се отбележи, че за разлика от предходните години, при условията на 2009 г., част от растенията на половината от сортовете бяха в 5-ти клас на вариация по отношение на броя на зърната на ухото - Людмила, Ник, Золотая Волна, Аннушка, Мелянопус 26 и Мелянопус 69 (виж Таблица 6).
Таблица 6. Броят на издънките на сортове пшеница от Саратовско развъждане по класове на вариация в броя на зърната на класа,% (2009 г.)
Разновидност Вариационен клас
1-ви 2-ри 3-ти 4-ти 5-ти
Gordeiforme 432 12 28 28 32 0
Melanopus 26 8 22 46 20 4
Melanopus 69 12 8 44 32 4
Саратовская 40 4 20 52 24 0
Древен 9 19,5 42,5 27 2
Саратовская 59 12 56 24 8 0
Саратов златен 4 28 48 20 0
Людмила 0 12 52 20 16
Валентин 4 20 72 4 0
Ник 8 24 52 8 8
Елизабетинска 4 32 52 12 0
Златна вълна 4 12 40 36 8
Анушка 4 0 60 32 4
Красар 12 32 56 0 0
Ново 6 24 50,5 15,5 4
Проведените изследвания показват, че условията на отглеждане оказват съществено влияние върху разпределението на растенията в агропопулацията според класовете на изменчивост в броя на зърната на класа. Сред сортовете на саратовското отглеждане в условията на екстремни агроклиматични условия на годината се характеризира с по-голям брой растения: стари сортове - 1-ви клас, нови сортове - 1-, 2- и 3-ти класове, а някои от тях и 4-ти клас на вариация. При благоприятни агроклиматични условия се увеличава броят на растенията, отнасящи се към по-високите класове на изменчивост в броя на зърната на твърдата пшеница.
В условията на вегетационния сезон на 2007 г. броят на основните издънки на сортовете пшеница от саратовската селекция по маса на зърната на класа беше в 1-ви и 2-ри клас на вариация (Таблица 7).
При анализиране на сортовете по групи беше установено, че за някои древни сортове броят на растенията от 1-ви клас на вариация е бил
100% - Gordeiforme 432 и Melyanopus 26,93% - Saratovskaya 40. В това отношение значително се различава древният сорт Melyanopus 69, който се характеризира с по-голям брой растения от 2-ри клас - 80%. За групата нови сортове беше установено, че някои сортове се характеризират с по-голям брой растения от съответния клас спрямо средната стойност: 1-ви клас - Златна вълна (96%), Саратовская 59 (80%), Красар (76%), Аннушка (68%); 2 клас - Ник (52%), Людмила (48%), Саратов златен (44%), Валентина и Елизаветинская (40%); Вариации от 3 клас - Людмила (28%), Саратов златен (24%), Ник (14%), Валентина - 12%. Прави впечатление, че при два сорта, Людмила и Валентина, са наблюдавани растения от 5-ти клас на вариация в масата на зърната на класа - съответно 12 и 4% (виж табл. 7).
Таблица 7. Броят на издънките на сортове пшеница от Саратовско развъждане по класове на вариация на масата на зърното,% (2007 г.)
Разновидност Вариационен клас
1-ви 2-ри 3-ти 4-ти 5-ти
Gordeiforme 432 100 0 0 0 0
Melanopus 26 100 0 0 0 0
Melanopus 69 4 80 16 0 0
Саратовская 40 93 7 0 0 0
Древен 74 22 4 0 0
Саратовская 59 80 16 4 0 0
Саратов златен 32 44 24 0 0
Людмила 12 48 28 12 0
Валентина 44 40 12 4 0
Ник 28 52 14 6 0
Елизабетинска 56 40 4 0 0
Златна вълна 96 4 0 0 0
Аннушка 68 32 0 0 0
Красар 76 20 4 0 0
Ново 55 33 9,5 2,5 0
При условията на отглеждане през 2008 г. се наблюдава различен брой растения от съответния клас на изменчивост в масата на зърната на класа. Сред старите сортове от саратовското развъждане по-голям брой растения в този елемент на продуктивност съответстват на 2-ри клас на вариация - 48%, сред новите сортове - на 3-ти и 2-ри клас на вариация - съответно 38 и 36%. Определен брой растения от съответните сортове са разпределени в 4-ти и 5-ти клас на вариация (табл. 8).
Разновидност Вариационен клас
1-ви 2-ри 3-ти 4-ти 5-ти
Gordeiforme 432 12 48 32 4 4
Melanopus 26 0 32 44 12 12
Melanopus 69 16 60 20 4 0
Саратовская 40 24 52 12 8 4
Древна 13 48 27 7 5
Саратовская 59 48 48 4 0 0
Саратов златен 4 24 64 4 4
Людмила 12 48 28 12 0
Валентин 4 36 56 0 4
Ник 12 44 32 12 0
Елизабетинска 8 36 36 20 0
Златна вълна 8 28 40 20 4
Аннушка 8 36 36 16 4
Красар 4 28 48 20 0
Ново 12 36 38 12 2
Някои саратовски сортове се отличават с голяма относителна спрямо средната стойност на представянето на растенията от съответния клас на вариация в масата на зърната на класа: 1-ви клас - Саратовская 59 (48%), Саратовская 40 (24%), Melyanopus 69 (16%); 2 клас - Мелианопус 69 (60%), Саратовская 40 (52%), Саратовская 59 и Людмила (съответно 48%), Ник (44%); 3 клас - Саратов златен (64%), Валентина (56%), Красар (48%), Мелянопус 26 (44%); 4 клас - Елизабет, Златна вълна и Красар (съответно 20%); Клас на вариация 5 - Melanopus 26 - 12% (виж Таблица 8).
В условията на вегетационния сезон на 2009 г. повечето пшенични растения от сортовете на саратовската селекция по тегло на зърната на ухото бяха причислени към 3-ти и 4-ти клас на вариация. Освен това средните стойности на класовете на вариация на групата от стари сортове и групата от нови сортове се различават значително. По-специално, древните сортове се отличават с голямо представителство на растения от 3-ти и 4-ти клас на вариация - съответно 41,5 и 29,5%, новите сортове се отличават с преобладаващо присъствие в агропопулацията на растения от 4-ти и 3-ти клас на вариация - съответно 44 и 26%. Обръща внимание на значителен брой растения от 5-ти клас на вариация в масата на зърната на класа, което е особено характерно за сортовете Красар (32%), Валентина (24%), Златна вълна (20%), Саратовская 40-16% (Таблица 9).
Разновидност Вариационен клас
1-ви 2-ри 3-ти 4-ти 5-ти
Gordeiforme 432 4 16 48 32 0
Меланопус 26 4 28 38 18 12
Melanopus 69 0 8 48 40 4
Саратовская 40 4 20 32 28 16
Древен 3 18 41,5 29,5 8
Саратовская 59 14 36 38 8 4
Саратов златен 4 8 28 52 8
Людмила 0 0 12 80 8
Валентин 0 8 28 40 24
Ник 8 20 28 36 8
Елизабетинска 0 20 24 44 12
Златна вълна 0 16 32 32 20
Анушка 4 8 32 56 0
Красар 0 8 12 48 32
Ново 3 14 26 44 13
Както и в други години, някои сортове се отличават с голяма относителна спрямо средната стойност на представянето на растенията от съответния клас на вариация в масата на зърната на класа: 1-ви клас - Саратовская 59 (14%); 2 клас - Саратовская 59 (36%), Мелианопус 26 (28%), Саратовская 40, Ник и Елизаветинская (съответно 20%); Вариации от 3-ти клас - Gordeiforme 432 и Melyanopus 69 (съответно 48%), Saratovskaya 59 (38%), Golden Wave и Annushka (съответно 32%); 4-ти клас на вариация - Людмила (80%), Аннушка (56%), Саратов златен (52%), Красар (48%), Мелянопус 69-40% (виж Таблица 9).
По този начин проведените изследвания показват, че разпределението на растенията в агропопулацията според класовете на вариация в масата на зърната на класа е значително повлияно от условията на отглеждане. За по-голямата част от старите сортове при екстремни условия на отглеждане броят на растенията от 1-ви клас е 93-100%, докато новите сортове се сравняват благоприятно със значително представителство на растения от 2-ри и 3-ти клас. При благоприятни условия на отглеждане делът на растенията от по-висок клас на вариация се увеличава, но същата тенденция се запазва и при новите сортове - по-голям брой растения от по-висок клас на вариация по отношение на теглото на зърната на класа в сравнение със старите сортове.
Морозова З.А. Морфогенетичен анализ в селекцията на пшеница. М.: МГУ, 1983. 77 с.
Морозова З. А. Основните закономерности на морфогенезата на пшеницата и тяхното значение за селекцията. М.: МГУ, 1986. 164 с.
Морозова З.А. Морфогенетичен аспект на проблема с продуктивността на пшеницата // Морфогенеза и продуктивност на растенията. М. : МГУ, 1994. С. 33-55.
Rostovtseva ZP Влияние на растителната фотопериодична реакция върху функцията на апикалната меристема във вегетативната и генеративната органогенеза // Светлина и морфогенеза на растенията. М., 1978. С. 85-113.
Ростовцева З. П. Растеж и диференциация на растителни органи. М. : МГУ 1984. 152 с.
Степанов С. А., Мостовая Л. А. Оценка на производителността на сорт според първичната органогенеза на издънките на пшеница // Производствен процес, неговото моделиране и полеви контрол. Саратов: Издателство Сарат. ун-та, 1990. С. 151-155.
Степанов, С.А., Морфогенетични особености на осъществяването на производствения процес при пролетната пшеница, Изв. SSU Ser., Химия, биология, екология. 2009. Т. 9, бр.1. стр. 50-54.
Адамс М. Развитие на растенията и продуктивност на културите // CRS Handbook Agr. производителност. 1982. Том 1. С. 151-183.
UDC 633.11: 581.19
Ю. В. Дащоян, С. А. Степанов, М. Ю. Касаткин
Саратов Държавен университеттях. Н. Г. Чернишевски 410012, Саратов, ул. Астраханская, 83 e-mail: [имейл защитен]
Установени са особености в съдържанието на пигменти от различни групи (хлорофили а и b, каротеноиди), както и съотношението между тях в листата на пшеницата, принадлежащи към различни леторастни фитомери. Минималното или максималното съдържание на хлорофили и каротеноиди може да се наблюдава в различните листа, в зависимост от условията на отглеждане на растенията.
Ключови думи: фитомер, хлорофил, каротеноид, лист, пшеница.
СТРУКТУРА И ПОДДЪРЖАНЕ НА ПИГМЕНТИ НА ФОТОСИНТЕЗАТА В ПЛОЧАТА НА ЛИСТА НА ПШЕНИЦА
Y. V. Dashtojan, S. A. Степанов, M. Y. Kasatkin
Особености в поддържането на пигменти от различни групи (хлорофил а и хлорофил b, каротеноиди), както и съотношенията между тях в листата на пшеницата
