В латинском словаре слово «immobilis» означает «неподвижный».
Устойчивое растение обездвиживает паразита, который пытается в него проникнуть. Прорастающие споры паразита склеиваются между собой, кончик гиф грибов перестает расти, а бактериальные клетки приковываются к клеточным оболочкам растения и постепенно теряют жизнеспособность. Как это происходит? Исследования последних лет свидетельствуют о том, что свойством обездвиживать патогенов обладают особые вещества, получившие название лектинов.
Лектины — белковые соединения, которые избирательно связывают углеводы, не вызывая при этом их химического превращения. Избирательность их взаимодействия с углеводами подчеркивается самим термином «лектин» (от латинского legere — выбирать).
Все разнообразие функциональных свойств лектинов связано с их способностью связывать различные углеводные группировки, которыми могут быть как свободные моно — и олигосахара, так и углеводные остатки в составе высокомолекулярных гликопротеидов, гликолипидов и полисахаридов. Поскольку в молекуле лектина находится не менее двух участков связывания углеводов, то лектины способны агглютинировать (агрегировать, группировать, склеивать) между собой живые клетки, в том числе и эритроциты. При этом один участок связывания в молекуле лектина прикрепляется к одной клетке, а второй — к другой.
Примерно 100 лет назад в составе бобов клещевины было найдено вещество (лектин), вызывающее агглютинацию эритроцитов и их гемолиз. С тех пор и до 1965 г. было получено только 3 изолированных лектина: рицин из семян клещевины, конканавалин А из семян конканавалин мечевидной и лектин из фасоли. Поскольку на первых этапах все лектины были выделены только из тканей растений, они получили название фитоагглютининов. Впоследствии, когда стало ясным, что лектины присутствуют почти у всех организмов — от бактерий до млекопитающих, название лектины постепенно вытеснило фитоагглютинины.
К настоящему времени известно не менее 100 лектинов, полученных в чистом виде. Исследование лектинов стало модным направлением в науке. Ежегодно им посвящается большое число экспериментальных сообщений и обзоров. Появилась даже новая наука — лектинология.
Из числа всех обследованных растений, а их более 3000 видов, лектины найдены примерно у 1000. Практически в каждом семействе растений обнаружены представители, содержащие лектины.
Каких-либо структурных особенностей, характерных для лектинов, не существует. Большинство из них представляют собой гликопротеины с молекулярной массой от 25 000 до 400 000, но есть и исключения. Таким образом, лектины — достаточно гетерогенная группа веществ, объединенная лишь общим функциональным свойством.
Различные группы лектинов связывают различные углеводные группировки. На этом основании лектины разделяют на 6 классов. Одни из них связывают D-маннозу или D-глюкозу, другие N-ацетил-D-глюкозамин, третьи — N-ацетил-D-галактозамин, четвертые — D-галактозу и т. д. Избирательность связывания углеводов лектинами в какой-то мере напоминает реакцию антиген-антитело. Однако антитела обладают значительно более высокой специфичностью, при взаимодействии их с антигенами образуются уникальные структуры. Что касается лектинов, то один и тот же лектин может связываться со многими веществами, лишь бы они содержали одну и ту же углеводную группировку. К тому же сродство антител к антигену на несколько порядков выше, чем у лектинов.
Основным тестом для определения лектинов является агглютинация эритроцитов, поскольку на поверхности последних находится широкий набор углеводов, принадлежащий гликопротеидам и гликолипидам. Последние ориентированы таким образом, что направляют свои углеводные группы к внешней поверхности эритроцита, образуя своеобразный углеводный чехол.
Поскольку каждый лектин связывается с определенным углеводом, то добавление извне такого же углевода препятствует связыванию и соответственно предотвращает агглютинацию эритроцитов. Такие моносахара (или олигосахара), блокирующие активные центры лектинов, получили название гаптенов.
В настоящее время лектины успешно используются как инструменты для исследования поверхности клеток и биологических мембран. Особенно перспективным является исследование физиологической функции лектинов. Предполагается, что лектины участвуют в транспорте и накоплении углеводов в растениях, запасании веществ в семенах, процессах клеточного деления, распознавании пестиком типа пыльцы и других процессах. Однако особо важная роль принадлежит лектинам в процессах узнавания и взаимодействия клеток. Именно на этом свойстве и основана защитная роль лектинов в растениях, способных иммобилизовывать фитопатогены.
Иммобилизация может быть нескольких типов, например склеивание между собой проросших и непроросших спор фитопатогенных грибов или клеток бактерий. Так, лектины, выделенные из батата, вызывают слипание спор возбудителя черной гнили; лектин картофеля агглютинирует споры и цисты возбудителя фитофтороза, бактериальные клетки Pseudomonas solanacearum. Естественно, что склеенные клетки и споры не могут прорастать и распространяться и, следовательно, теряют свою вредоносность.
Предположим, споры паразита попадают на пораненный участок растительной ткани. Лектины, присутствующие в растительном соке, выступившем на месте поранения, агглютинируют их и тем самым спасают растение от заражения.
Однако тут есть одна существенная деталь. Дело в том, что лектины растения, как правило, способны склеивать клетки и споры только тех форм патогенов, к которым данное растение устойчиво. Так, лектины батата агглютинируют споры штаммов черной гнили, выделенных из растений кофе, сливы, какао, дуба, лимона, но не из батата. Лектин картофеля агглютинирует 34 авирулентных штамма P. solanacearum, но не склеивает ни одного из 55 вирулентных. Лектин кукурузы агглютинирует 16 штаммов Erwinia sp., которые авирулентны или слабо вирулентны к кукурузе, и почти не склеивает клетки вирулентных штаммов.
Оказалось, что у вирулентных штаммов бактерий имеются вещества, препятствующие их агглютинации лектинами своего растения-хозяина. Это особого рода экстрацеллюлярная слизь, которая выделяется патогенными штаммами бактерий, окружает их чехлом и препятствует доступу лектинов к поверхности.
Собственно, логично, что вирулентные штаммы патогенов не попадают в лектиновую ловушку своего растения-хозяина. Ведь если бы они в нее попадали, то восприимчивых растений бы не существовало.
Вторым способом обездвиживания патогена является способность лектинов связывать кончик растущей гифы паразитарных грибов. Оказалось, что лектин прорастающих семян пшеницы связывается с гифами паразитарных грибов, оболочки которых состоят из полимера N-ацетил-D-глюкозамина — хитина. Лектин прикрепляется к N-ацетил-D-глюкозамину, образуя поперечные связи между цепями хитина в оболочке грибов. Интересно, что лектин связывает хитин на копчике гиф гриба, поскольку это единственное место, где хитин находится на их поверхности, так как по всей длине гифы, кроме кончика, хитин сверху покрыт слоем глюкана и, следовательно, не доступен для лектина. Но именно кончик гифы — ее наиболее ответственный участок. Здесь формируется новая клеточная стенка, синтезируются новые молекулы хитина, т. е. гифа растет на конце. Растение безошибочно находит наиболее уязвимое место у фитопатогена. Связывая цепи хитина на кончике гифы, лектин растения тем самым прекращает рост паразита.
Весьма возможно, что пшеница таким способом предохраняет свои прорастающие семена от поражения теми паразитарными микроорганизмами, на поверхности которых находится хитин (а таких патогенов чрезвычайно много). Точно так же можно предположить, что лектины семян, обладающих сродством к иным углеводам (например, глюкозе), могут стоять на страже процесса прорастания, охраняя семена от паразитов, оболочки которых состоят из глюканов. Недаром содержание лектинов в семенах настолько высоко, что вызывает удивление исследователей.
Третьим способом иммобилизации патогенов с помощью лектинов является возможность связывания ими клеток авирулентных штаммов бактерий в сосудах флоэмы, по которым некоторые бактерии (Erwinia amylovora) распространяются. Возможно, что лектины участвуют в иммобилизации паразита и при других сосудистых заболеваниях.
И, наконец, наиболее впечатляющими работами по иммобилизации бактерий являются исследования американского бактериолога Л. Секвейра. Он последовательно, этап за этапом на протяжении многих лет изучал поведение бактерий P. solanacearnm в тканях табака и картофеля, постепенно раскрывая тайны их взаимоотношений. Большинство фитопатогенных бактерий развивается в межклеточном пространстве растений за счет веществ, выделяемых клетками через плазмалемму и клеточную стенку.
Все началось с наблюдения, что сапрофитные бактерии, либо бактерии, авирулентные к табаку, либо, наконец, вирулентные бактерии, но предварительно убитые нагреванием, после введения в ткани табака как бы окутывались каким-то веществом и прикреплялись снаружи к клеточным стенкам. Клетки, к стенкам которых бактерии прикреплялись, погибали в процессе реакции СВЧ.
Если же в ткани вводились живые вирулентные бактерии, ничего подобного не происходило — бактерии быстро развивались в межклеточном пространстве, не вызывая СВЧ-гибели растительных клеток.
Под электронным микроскопом удалось увидеть, что стенка клетки в том месте, где к ней прикрепляется бактерия, сильно изменена, а пленка, окружающая бактерию, как бы выходит из места повреждения клеточной оболочки.
События, предшествующие прикреплению бактерии, развивались следующим образом. На внутренней стороне клеточной стенки, как раз там, где находится бактерия, начинали скапливаться пузырьки (везикулы), которые, по всей вероятности, и транспортируют обволакивающий бактерию материал. Бактериальные клетки как бы попадают в ловушку, которая захлопывается. Разве это не напоминает лист росянки, покрытой капельками слизи, к которым прилипают невезучая муха или комар, которые потом с помощью ресничек притягиваются к поверхности листа?
Удалось показать, что прикрепление бактерий к клеточной стенке происходит с помощью лектина растения. Лектин табака и картофеля связывается с N-ацетил-D-глюкозамином, который присутствует в большинство оболочек грибов и бактерий. В случае P. solanacoarum лектин прикрепляется к липополисахариду, который находится на наружной мембране бактерий.
По-видимому, на иммобилизованную бактерию начинают затем воздействовать ингибиторы, поступающие из погибшей клетки. Ведь легче попасть в неподвижную мишень, чем в движущуюся. К тому же в месте прикрепления бактерии проще создать локальную токсичную концентрацию ингибиторов.
Иммобилизация бактерий на клеточной стенке растения, помимо ее обездвиживания, преследует и другую не менее важную цель — распознавание клеткой растения чужеродного начала в лице проникающего патогена. Обволакивание и прикрепление бактерий служит обязательным этапом в распознавании. Однако эта тема специальной главы, которую вам еще предстоит прочесть.
Что же происходит с вирулентной бактерией? Вот в том-то и дело, что с ней ничего не происходит. Она преспокойно питается содержимым клеток, размножается и распространяется по тканям растений. И причиной всему та самая экстрацеллюлярная слизь, выделяющаяся бактерией наружу и не позволяющая растению ни прикрепить бактерию, ни распознать ее.
До сих пор речь шла об участии лектинов в защите растения от фитопатогенов при несовместимой комбинации паразита и хозяина. Однако в целом ряде случаев связывание поверхностей взаимодействия растения и паразита посредством лектина является условием, необходимым для их совместимости. Особенно ярким примером этому служат симбионтные взаимоотношения корней растений семейства бобовых с клубеньковыми бактериями из рода Rhizobium.
Аэробные бактерии из этого рода, обитая сапрофитпо в почве, образуют слизистые нити, которые проникают в корни бобовых растений через корневые волоски. Клетки корня в ответ на проникновение увеличиваются в размерах и делятся, в результате чего возникают корневые клубеньки. Бактерии проникают в клетки растения, где окружаются мембраной и образуют бактероиды. На этой стадии защитные реакции затихают и отношения партнеров становятся симбиотическими. Клубеньковые бактерии, неспособные усваивать азот воздуха пока они ведут сапрофитный образ жизни, попав в корневые клубеньки начинают интенсивно фиксировать азот. Образующиеся при этом аминокислоты частично достаются растению.
Каждому виду бобовых соответствует своя бактерия. Так, один вид Rhizobium специфичен к сое, другой — к клеверу и т. д. Растение как бы «узнает» свой вид бактерий. Вернее, узнает не растение, а его лектины, которые связывают углеводные рецепторы на поверхности клеток только подходящего вида бактерий. Иными словами, образование или необразование клубеньков у растения определяется тем, узнает или не узнает его лектин соответствующие углеводные группировки на поверхности бактерий. Если узнает, клубеньки образуются и азот фиксируется, если не узнает, ничего не получится.
На конечной стадии бактерии размножаются и покидают растение, а оставшиеся бактероиды перевариваются растительной клеткой и служат, таким образом, для него ценным источником азота.
Существует много видов Rhizobium, специализированных к различным видам бобовых. Наиболее хорошо исследованы две системы симбионтов: это соя и ее специфический симбионт Rhizobium japanicum, а также клевер и R. trifoli. Даже в этих двух системах лектины локализованы по-разному, хотя и выполняют одну и ту же роль притягивания поверхностей растения и бактерии. У сои лектин находится на поверхности корневых волосков. А вот у клевера лектин выделяется из корней наружу и служит как бы мостиком между сходными углеводными группировками на поверхности клеток бактерий и соответствующего ей растения. Однако в том и другом случае лектин растения узнает свою бактерию и притягивает ее к себе.
Итак, две, казалось бы, противоположные функции лектинов во взаимодействии растения с фитопатогенами и симбионтами основаны на процессе притягивания и распознавания микроорганизмов. Только в первом случае (фитопатогены) распознается несовместимость, в результате чего происходит СВЧ-реакция и гибель паразита, а во втором — возникает, наоборот, совместимое взаимодействие. Однако и в том и в другом случаях функция лектинов приносит очевидную пользу растению: избавляя его от поражения патогеном в первом и обеспечивая снабжение азотом во втором случае.
Чтобы покончить с ролью лектинов в процессе защиты растения, следует еще рассказать о небольшой группе токсических лектинов, хотя об этом, скорее, следовало бы говорить в разделе антибиотических веществ. Речь идет о двух токсических лектинах семян — абрине и рицине, которые рассматриваются как своеобразная защита от поедания этих семян животными и насекомыми. Устойчивые к действию гидролитических ферментов, эти лектины вызывают нарушение функции всасывания в кишечнике, повышая его проницаемость для бактериальных токсинов и продуктов гниения.