Как растения защищаются от болезней - Лев Владимирович Метлицкий

Одним из способов регулирования ферментов является их катаболитная репрессия. Катаболитная репрессия — механизм экономного и целесообразного образования лишь тех ферментов, которые позволяют организму существовать с наименьшими энергетическими затратами. Предположим, у микроорганизма есть на выбор несколько источников питания. В таком случае он будет в первую очередь потреблять те вещества, использование которых ему наиболее выгодно. Например, в среду с пектином, где растет некий фитопатоген, добавляется глюкоза. Естественно, что паразит предпочтет глюкозу пектину, поскольку для использования пектина его нужно сначала разложить, а для этого образовывать ферменты, расщепляющие его пектиновые вещества, тогда как можно начать прямо с глюкозы, для превращения которой ферменты всегда имеются в наличии. Патоген начинает потреблять глюкозу вместо пектина, а пектолитические ферменты за ненадобностью перестает образовывать. Вот и получается, что добавление глюкозы (катаболита) к пектину подавляет (репрессирует) выделение паразитом пектолитических ферментов. Это и есть катаболитная репрессия.

Явление катаболитной репрессии удалось использовать для защиты от болезни платана. На места поражения наливали раствор сахара, в результате чего образование грибом экзоферментов, являющихся фактором его патогенности, прекращалось. Так сахаром удавалось вылечить болезнь.

Предохранить клеточные стенки растений от действия разрушающих ферментов возможно и с помощью их суберинизации и лигнификации. Суберин и лигнин, откладываясь в составе стенок, стабилизируют их и делают содержащиеся в них вещества недоступными для ферментов фитопатогенов.

И все-таки главным фактором защиты от экзоферментов фитопатогенов является их инактивирование с помощью различного рода ингибиторов. Важная роль в этом принадлежит фенольным соединениям, особенно продуктам их окисления, которые являются мощными факторами песпецифического ингибирования ферментов паразита.

Дело в том, что окисленные производные фенолов легко образуют комплексы с SH-, NH2- и NH-группами белков-ферментов, в результате чего последние теряют сдою активность.

Подобный механизм ингибирования может иметь значение и в защите растений от некротрофиых патогенов, и в явлении сверхчувствительности, возникающей в ответ на проникновение несовместимых биотрофов. Например, катехины, присутствующие в клеточных стенках плодов винограда, подавляют активность пектолитических ферментов возбудителя серой гнили, причем чем больше их содержание, тем выше степень устойчивости. А продукты окисления хлорогеновой и кофейной кислот, содержащиеся в некротизирующихся в ответ на проникновение возбудителя фитофтороза тканях картофеля, подавляют пектиназы этого паразита.

Но если паразиты имеют ферменты, разрушающие клеточные стенки растения, то и растения в свою очередь тоже образуют ряд ферментов, повреждающих клеточные стенки паразитов: если стенки патогена состоят из хитина — хитиназы, если из глюкана — различного рода глюканазы и т. д. В ответ на это паразит образует ингибиторы, подавляющие действие этих ферментов. Получается, что взаимоотношения паразита и хозяина заключаются в непрерывном процессе взаимной индукции: субстрат (клеточная стейка паразита) индуцирует ее разрушающий фермент, а присутствие фермента индуцирует у паразита ингибитор, его подавляющий.

К. В. Васильевой было показано, что, для того чтобы подавить активность ферментов патогена, нужна значительно меньшая концентрация ингибиторов, чем для подавления роста самих патогенов. Например, в ксилемных сосудах вилтоустойчивых сортов хлопчатника присутствуют живые споры возбудителя болезни, однако сами симптомы болезни отсутствуют. По-видимому, присутствующие в сосудах ингибиторы подавляют экстрацеллюлярные (внеклеточные) ферменты паразита, не нарушая или почти не нарушая его жизнеспособности. Не подсказывает ли этим сама природа новый подход к использованию химических средств защиты растений, основанный на ингибировании не самих патогенов, а их патогенных факторов. Иными словами, не столько уничтожать паразита, сколько его разоружать, что вполне соответствует духу времени, в котором мы живем.

К. Т. Сухоруковым с сотрудниками была проведена серия опытов, свидетельствующих о способности растений образовывать белки-аитиферменты. Так, в ответ на введение гидролитических ферментов паразитов в растениях образовывались антиферментные ингибиторы. Причем образовывались не просто ингибиторы, а ингибиторы специфические, т. е. подавляющие только тот фермент, который вводился в растение. Ведь до сих пор речь шла только о неспецифических низкомолекулярных ингибиторах ферментов, к которым относятся окисленные производные фенолов. Эти вещества инактивируют любой фермент, лишь бы в составе его белка (а все ферменты — белки) содержались сульфгидрильные и другие реакционноспособные группы.

Вопрос о наличии специфических ингибиторов фер-меитов в растениях до сих пор оставался открытым, и лишь в последние годы удалось получить некоторые доказательства их существования. Оказалось, например, что в клеточных стенках двудольных, но не однодольных растений присутствуют высокомолекулярные белки, ингибирующие эндонолигалактуроназы паразитарных грибов. Более того, количество таких ингибиторов возрастало в ответ на инфицирование.

В последнее время выяснилось, что у растений имеются высокоспецифическиё ингибиторы белковой природы, обладающие способностью подавлять протеолитические ферменты, т. е. ферменты, расщепляющие белки (протеиназы). Такие ингибиторы обнаружены в семенах растений семейства бобовых, злаковых, сложноцветных, а также в клубнях картофеля, топинамбура, корнях турнепса. Большинство ингибиторов представляют собой белки со сравнительно невысокой молекулярной массой от 8000 до 30 000 Дальтон.

Особенностью белковых ингибиторов является их устойчивость к денатурации и протеолитическому расщеплению. Ингибиторы образуют стойкие комплексы с протеиназами, в результате чего последние теряют активность. Наличие в клетках протеиназ позволяет разрушать, а следовательно, выводить из строя нужный фермент в нужный момент, что является одним из факторов их регулировки. Но и сами протеиназы также нуждаются в регуляции, которую и берут на себя их ингибиторы.

Однако большинство ингибиторов протеиназ, обнаруженных в растениях, проявляют специфичность к протеиназам животных и микроорганизмам, и только несколько ингибиторов растений могут подавлять собственные растительные протеиназы, да и то эти ингибиторы присутствуют лишь в небольших количествах. Отчасти из-за этого, а отчасти из-за того, что большинство ингибиторов протеиназ были обнаружены в семенах и хранящихся органах растений, считается, что эти ингибиторы выполняют защитные функции, препятствуя деятельности протеиназ патогенов.

Защитная роль ингибиторов протеиназ еще более подтвердилась, когда стало известно, что после нападения колорадского жука в тканях картофеля, удаленных на некоторое расстояние от места внедрения, быстро накапливались. ингибиторы протеиназ. А затем стало очевидным, что ингибиторы протеиназ образуются не только в ответ на насекомых, а на любой тип нарушений, включая механические поранения. Эти нарушения высвобождают вещества, названные фактором, индуцирующим накопление протеиназ.

Если лист томатов подвергнуть сильному механическому поранению, то в других листьях образуются два ингибитора протеиназ, которые составляют свыше 10 % от всех растворимых белков. Накопление этих ингибиторов требует определенных условий освещенности и температуры 37 °C. Ингибитор I с молекулярной массой 39 000 состоит из 4 идентичных субъединиц, ингибитор II с молекулярной массой 25 000 состоит из 2 идентичных субъединиц. Оба сильно ингибируют протеиназы — хемотрппсип и субтилизин и слабо — трипсин. Фактор, индуцирующий накопление ингибиторов протеиназ, освобождался в воду, если листья молодых томатов срезали бритвой, а срезанный конец помещали в сосуд с водой. Этот фактор, будучи введен в листья, вызывал накопление ингибитора протеиназ с линейной