Устойчивость в растительном мире — правило, а восприимчивость — исключение.
Эти слова были произнесены видным фитопатологом К. Честером полстолетия назад. Иногда эту же мысль выражают несколько по-иному, говоря, что большинство растений устойчиво к большинству существующих фитопатогенов. К примеру, яблоня поражается примерно 50 паразитами из числа фитопатогенных грибов, а картофель — болеет 300 болезнями, возбудителями которых являются грибные, бактериальные и вирусные паразиты. Иными словами, если принять, что в природе существует около 10 000 паразитарных грибов, то из их числа яблоню поражают только 50, тогда как по отношению к остальным 9950 она является иммунной. То же самое и с картофелем: из общего числа 10 800 фитопатогенов (из них 10 000 грибных, 600 вирусных и 200 бактериальных) он является иммунным к 10500. Или только 300 патогенов приспособились паразитировать на картофеле и стали тем самым для него специфическими, а картофель стал их растением-хозяином. Подавляющее число остальных фитопатогенов поражают другие растения, но не картофель, и поэтому не являются специфическими по отношению к нему.
Иммунитет, предохраняющий большинство растений от поражения большинством паразитов, не являющихся к этим растениям специфическими, называется неспецифическим иммунитетом (иммунный обозначает свободный — в данном случае от инфекции). Иногда такую форму иммунитета называют еще общим, конституционным, врожденным, или естественным. И. И. Вавилов называл его видовым иммунитетом, поскольку он предохраняет растения от поражения теми микроорганизмами, которые не приобрели способность поражать данный растительный вид. Естественный иммунитет защищает растения и от огромного количества окружающих их разнообразных видов сапрофитных микроорганизмов, питающихся мертвыми растительными остатками. Иногда его еще называют «нехозяйским» иммунитетом, тем самым подчеркивая, что он защищает от тех микроорганизмов, для которых данный растительный вид не является хозяином.
Как это ни парадоксально, но именно об этой основной форме иммунитета мы знаем особенно мало. Исследователей значительно и большей мере интересует не полная невосприимчивость, или иммунитет, а резистентность, или устойчивость, растений, их отдельных сортов к специфическим болезням, получившая название специфической или сортовой устойчивости. Эта форма устойчивости имеет наибольшую практическую значимость, поскольку специфические патогены обусловливают более 90% всех потерь, которые песет растениеводство.
Для того чтобы стать для растения специфическим паразитом, последний должен претерпеть вместе с растением процесс сопряженной эволюции, иными словами, «повариться вместе с растением в едином эволюционном котле». «Эволюция паразитизма в растительном мире — любопытная, хотя и не слишком благодарная тема»,— писал английский фитопатолог С. Тарр в своей книге «Основы патологии растений», поскольку в этой проблеме все основано на умозаключениях.
Большинство исследователей думают, что эволюция фитопатогенных грибов шла в направлении от сапрофитизма к облигатному паразитизму. Предположим, что почвенные сапрофиты, стремясь избежать конкуренции с себе подобными, пытались захватить иную «экологическую нишу» — растительные ткани. Рядом с такими сапрофитами могли оказаться пораненные, ослабленные корни растений, либо токсические выделения сапрофитов способны были вызвать отмирание корневой системы растений, ткани которых затем могли служить им источником питания. Переход из почвы в ткани растений вначале мог происходить не полностью: на первых порах паразитарное питание имело место только на отдельных этапах цикла развития паразита, тогда как на других микроорганизм оставался сапрофитом.
Какие свойства должен приобрести сапрофит для того, чтобы превратиться в паразита? Для этого он должен прежде всего преодолеть барьеры неспецифического иммунитета своего будущего растения-хозяина. Только после этого микроб приобретает способность превращать данное растение в источник своего питания, т. е. становится его патогеном. Таким образом, ранее независимые друг от друга сапрофит и растение превращаются в систему паразит — растение-хозяин. Барьеры видового неспецифического иммунитета изображены в виде кирпичной степы. Сюда относятся покровы растений, антибиотические соединения, содержащиеся в растительных тканях, и др. Соответственно, чтобы приобрести способность поражать данный растительный вид, микроорганизм должен научиться прободать растительные покровы, суметь приспособиться к химическому составу растения, чтобы использовать его в качестве источника питания, разлагать его антибиотические вещества, а также приобрести и другие свойства, необходимые для паразитирования на этом виде растения.
Итак, достигнут первый этап — специализация к виду растений. На втором этапе специализации (уже сортовой, а не видовой) среди особей, составляющих популяцию растительного вида, к которому приспособился паразит, возникают формы, обладающие генами специфической (сортовой) устойчивости. В ответ на это в популяции паразита возникают формы, несущие гены вирулентности, способные преодолевать гены устойчивости растений. И формы растений с генами устойчивости, и формы паразита с генами вирулентности возникают в ходе сопряженной эволюции паразита и хозяина. Теорию сопряженной эволюции растения и его паразита на их совместной родине выдвинул Н. И. Вавилов и впоследствии развил П. М. Жуковский.
Согласно теории сопряженной эволюции наибольшее разнообразие устойчивых форм растений, которые могут служить исходным материалом для селекции, следует искать именно на совместной родине растения и паразита там, где протекала их совместная «притирка» или сопряженная эволюция. И хозяин и паразит там проявляют исключительную изменчивость, в результате чего растение образует все новые и новые устойчивые разновидности и формы, а паразит формирует все новые и новые расы и биотипы.
Научное предвидение Н. И. Вавилова оказалось пророческим и полностью себя оправдало. Поиски доноров генов устойчивости, которые ранее велись методом проб и ошибок, приобрели целенаправленный характер. Ученые всего мира благодарны за это Н. И. Вавилову, который поставил на научную основу работу селекционеров.
Хорошим примером сопряженной эволюции служит картофель и возбудитель его наиболее опасной болезни фитофтороза. Родиной этих партнеров, где протекала их совместная эволюция, являются Мексика и Гватемала. Здесь находится древний центр формирования как диких клубненосных видов картофеля, так и основной центр формирования различных рас фитофторы. Растущие здесь растения картофеля имеют самый широкий в мире набор генов устойчивости, а паразит — наибольшее разнообразие генов вирулентности.
Наверное, давно бы следовало сказать, что любая форма иммунитета растений, как, впрочем, и других организмов, от полного иммунитета до той или иной степени устойчивости и восприимчивости, находится под строгим генетическим контролем, или, как говорят ученые, «генетически детерминирована». Попробуем в самой общей форме разобраться в том, как возникают гены специфической устойчивости у растений и гены вирулентности у паразитов в процессе их сопряженной эволюции.
Итак, барьер неспецифического иммунитета преодолен, паразит специализировался к виду растения, который страдает от новой болезни. Однако виды организмов являются популяциями, состоящими из особей, которые неоднородны, несмотря на их кажущееся морфологическое сходство. Вот эта неоднородность или гетерогенность популяций, образовавшаяся в результате их изменчивости, и лежит в основе возникновения специфического иммунитета.
Предположим, что в популяции растения, повсеместно восприимчивого к паразиту, возникает мутация, превращающая данную особь в устойчивую. Иными словами, некая особь растения или некие особи приобретают ген устойчивости к патогену. В результате присутствия такого гена данное растение перестает поражаться болезнью и в силу этого становится более жизнеспособным и более продуктивным. Естественно, что растения с таким свойством постепенно накапливаются в популяции, поскольку получают преимущество перед другими, которые продолжают болеть. Число растений с геном устойчивости (назовем его ген R, — от английского resistance — устойчивость) возрастает. Новый барьер устойчивости, обусловленный возникновением одного признака, управляемого одним геном, называется уже не видовым иммунитетом, а специфической (сортовой) устойчивостью.
Геи устойчивости является полезным геном, и поэтому теоретически в конечном счете многие особи, составляющие популяцию растения, могут приобрести этот ген, что, конечно, не может не создать угрозы существованию паразита. Ведь последний может потерять свои позиции. Однако ничуть не бывало. В ответ на появление устойчивых форм растений у паразита также начинают отбираться и накапливаться мутантные формы, способные поражать формы устойчивых растений. Такие новые формы (расы) паразита обладают геном вирулентности, способным преодолевать ген устойчивости R1. Все особи, обладающие этим геном, представляют собой вновь возникшую расу (назовем ее расой 1), к которой ранее устойчивые формы с геном R1 становятся восприимчивыми.
Тогда в растительной популяции начинают отбираться мутантные формы, обладающие геном устойчивости R2. В ответ на это у паразита возникает и накапливается раса 2, несущая в себе ген вирулентности, способный преодолевать ген устойчивости R2. По такому же принципу в популяции растений возникают формы с генами устойчивости R3 и R4 и так далее и соответственно расы паразитов 3 и 4. Инициатива в возникновении новых генов в этом эволюционном марафоне принадлежит растению, поскольку новые вирулентные формы паразита не начнут накапливаться до тех пор, пока не возникнут устойчивые формы растений, которые им предстоит осваивать. Естественный отбор будет благоприятствовать тем новым признакам растений, которые защищают их от паразита, и тем новым признакам паразитов, которые преодолевают это свойство хозяина.
В природе гены могут возникать не последовательно, а параллельно, в результате чего в больших популяциях способны одновременно накапливаться несколько генов. Чем длительнее сосуществование партнеров, тем большее количество таких форм накапливается. Естественно, что на совместной родине растения и его паразита период их сосуществования был наиболее долгим. Именно поэтому там в наибольшем количестве и накапливаются устойчивые формы растений и физиологические расы паразита.
Таким образом, в результате сопряженной эволюции у хозяина и его паразита возникают комплементарные (друг другу соответствующие) пары генов — ген устойчивости у растения и преодолевающий его ген вирулентности у паразита.
Вот это и есть одна из центральных догм фитоиммунологии — теория ген—на—ген. Она была создана американским фитопатологом Т. Флором в начале 50-х годов. Основанием для ее создания была длительная работа Флора с ржавчиной льна. В его распоряжении было около 200 рас этого паразита, а также большое число сортов льна с различным количеством генов устойчивости. Оказалось, что сорта льна, имеющие один ген устойчивости, поражаются расой, имеющей один ген вирулентности. Для того чтобы поразить сорт с двумя генами устойчивости, раса должна как минимум обладать двумя генами вирулентности и т. д. Иными словами, сорт растения, обладающий определенным геном (или генами) устойчивости, будет поражаться расой только в том случае, если у нее есть соответствующий ген (или гены) вирулентности, способные преодолевать гены устойчивости растения. Если у расы такого гена нет — сорт окажется устойчивым. Возникновение комплементарных генетических систем является результатом сопряженной эволюции партнеров. Таким образом, теория Флора ген—на—ген является логическим завершением теории сопряженной эволюции.
Поскольку возникновение системы ген—на—ген возможно только в процессе длительной коэволюции хозяина и паразита, в результате чего и достигается их тесная эволюционная «притирка» или специализация, то, следовательно, такие системы могут существовать в основном у высокоспециализированных паразитов из групп облигатов или факультативных сапрофитов. У малоспециализированных паразитов такие отношения менее вероятны. В настоящее время существование системы ген—на—ген подтверждено для фитофтороза картофеля, ржавчины пшеницы и кофе, парши яблок, головни овса и других болезней, возбудителями которых являются специализированные патогены.
До сих пор еще никто не знает, что представляет собой ген устойчивости растения, равно как и ген вирулентности паразита. Ни один продукт этих генов еще не охарактеризован, не установлен путь от гена устойчивости или вирулентности к признаку устойчивости или вирулентности. Тем не менее за последнее время получен ряд фактов, которые приближают нас к пониманию природы этого явления. В главе «Загадка специфичности» мы попытаемся проиллюстрировать предложенную здесь схему сопряженной эволюции паразита и хозяина на молекулярном уровне в свете последних полученных данных.
Из того, что мы сказали, вытекает важный практический вывод: сорт растения, обладающий геном устойчивости, как правило, может быть в конечном счете побежден повой расой паразита, которую этот же сорт и вызвал к жизни. Возникновение новых вирулентных рас паразита — бич современного растениеводства. Именно их возникновение и распространение является одной из главных причин того, что жизнь вновь выведенных устойчивых сортов становится все короче и короче. Недаром И. М. Жуковский, говоря о быстром приспособлении паразита к новым сортам растения, пишет, что там, где подозревается адаптация паразита к хозяину, следует искать возникновение новой расы.
Не нужно думать, что новые расы паразита один раз где-то возникают, а затем распространяются по всей Земле. Расы возникают и исчезают повсеместно. Могут возникнуть там, где появляется сорт с новым геном, вызывающим их к жизни. Могут исчезнуть после того, как этот сорт исчезает из посевов. Расообразовательные процессы у патогенов протекают в природе с поразительной быстротой, поскольку скорость размножения паразита во много раз превышает скорость размножения растения. Так, на одном га посевов ежегодно формируется от 1011 до 1013 спор возбудителей фитофтороза, ржавчины и некоторых других болезнен. А если принять во внимание, что мутации по каждому гену возникают в среднем одна на 107—109, то ежегодно на одном га посевов будут от 102 до 106 мутирующих спор патогенов, среди которых могут быть формы с тем или иным геном вирулентности, дающие начало новым расам.
Однако причинами возникновения рас, обладающих новыми генами устойчивости, могут быть не только мутации, но и гетерокариоз (разнокачественность ядер в грибной клетке), гибридизация и другие процессы.
Раса может обладать не одним, а двумя или более генами вирулентности. Такие расы называют сложными в отличие от простых, обладающих одним геном. Например, в случае возбудителя фитофтороза картофеля раса с геном вирулентности 1 будет простой расой 1, а раса с двумя генами вирулентности 1 и 2 называется сложной расой 1, 2. Раса с генами 1, 2, 3 и 4 — сложной расой 1, 2, 3, 4 и т. д.
Наличие в сорте картофеля определенного гена устойчивости, например гена R1, делает этот сорт устойчивым ко всем расам, в названии которых цифра 1 отсутствует, и, восприимчивым к тем расам, в наименовании которых эта цифра имеется. И наоборот, раса фитофторы будет поражать сорта картофеля только в том случае, если у нее есть гены вирулентности, преодолевающие гены устойчивости хозяина.
По логике вещей, казалось бы, чем большим количеством генов вирулентности обладает раса, тем выше ее жизнеспособность. На самом деле это совсем необязательно. Если высевать на питательную среду простые и сложные расы вместе, то через некоторое время окажется, что сложные расы, не выдержав конкуренции с простыми, постепенно исчезают. То же самое будет, если смесью из простых и сложных рас заражать сорт картофеля, который не имеет генов устойчивости и потому поражается всеми расами возбудителя фитофтороза. Спустя некоторое время простые расы вытесняют сложные. Описанное явление есть результат действия стабилизирующего отбора, к которому нам еще придется вернуться в этой книге. Иными словами, в популяции паразита накапливаются лишь те гены вирулентности, которые необходимы для преодоления генов устойчивости растения-хозяина. Лишние, не использующиеся гены не только не полезны, но и вредны, и ими обладающие расы исчезают из популяции. Когда в популяции растений появляются новые сложные гены устойчивости, тогда и возникают сложные, их преодолевающие расы, которые существуют до той поры, пока существуют сорта, которые их вызывали к жизни. Простые расы такие сорта поразить не могут, и поэтому сложные расы на этих сортах не имеют конкурентов. Но зато последние по выдерживают конкуренции с простыми расами на сортах с одним геном устойчивости. Вот уже поистине за все в этом мире приходится платить, и за излишнюю вирулентность тоже.
Раса, которая поражает сорт растения, называется совместимой к нему; раса, неспособная поражать, т. е. та, к которой сорт устойчив, несовместимой. Таким образом, хорошее человеческое понятие — совместимость (которое обычно связано с положительными моментами — совместимостью людей, характеров) в фитопатологии понимается наоборот: совместимая к сорту раса вызывает его болезнь, тогда как по отношению к несовместимой он остается здоровым.
Наличие генов вирулентности у рас определяют по их способности заражать набор сортов растения-хозяина, обладающих определенными генами устойчивости. Набор таких сортов носит название сортов-дифференциаторов, поскольку по ним удается различить расы патогенов.
Число генов вирулентности в популяции паразита, как уже говорилось выше, будет равно числу генов устойчивости в популяции растения-хозяина. Если число генов вирулентности обозначить буквой п, то количество теоретически существующих рас паразита будет составлять 2n. Например, у возбудителя фитофтороза картофеля сейчас известно не менее 11 генов вирулентности (соответственно у картофеля имеется не менее 11 генов устойчивости). Это означает, что число рас паразита, которое теоретически может существовать в природе, будет составлять 211, или 2048 рас. У возбудителя
стеблевой ржавчины пшеницы свыше 20 генов вирулентности, а значит, число рас будет баснословно велико. Это не означает, что все эти расы разом существуют в природе, но теоретически они могут возникать, если появятся посевы с соответствующими генами устойчивости, которые их и вызывают к жизни.
Известный фитопатолог Я. Ван-дер-Планк считает, что в природе могут существовать два типа рас. Расы, о которых только что шла речь, поражают одни сорта растений, но зато совсем не поражают другие. Иными словами, один и тот же сорт одними расами поражается, а другими — не поражается. Фитопатологи в таком случае говорят, что расы дифференцированно (различно) реагируют с сортами растений. В этом случае взаимодействие сортов и рас идет по принципу да—нет. Есть поражение — да, нет поражения — нет. Мы уже знаем, что поражение есть тогда, когда ген вирулентности расы может преодолевать ген устойчивости растения. Такие расы различаются но вирулентности. Взаимоотношения именно таких рас и сортов описываются системой ген—на—ген.
Другие встречающиеся в природе расы не дают дифференцированной реакции с сортами растений. Предположим, выделен набор рас от А до Е, которые по их способности заражать определенный сорт растения можно выстроить в порядке А>Б>В>Г>Д>Е, где раса А поражает данный сорт в самой большой степени, а раса Е — в наименьшей. Такой порядок поражения сохранится на любом сорте данного растения: раса А будет самой вредоносной, а раса Е — наименее вредоносной. Разница между ними состоит в степени поражения, т. е. она не качественная (да—нет), а количественная (меньше—больше). Такие расы различаются не по вирулентности, как ранее описанные, а по степени агрессивности. Вирулентность и агрессивность — две стороны патогенности паразита. Вирулентность определяется отдельными генами, агрессивность контролируется многими генами или является полигенной системой. Если вирулентность контролирует качественное свойство (да или нет, поражение или пепоражение), то агрессивность количественное — степень поражения, что определяется скоростью роста паразита, интенсивностью его спороношения и другими факторами. Вирулентность мало зависит от условий окружающей среды, она может изменяться только в результате изменения генома. На агрессивность условия среды оказывают большее влияние, и поэтому она может изменяться в довольно широких пределах, Иными словами, вирулентность — качественная сторона патогенности, тогда как агрессивность — количественная.
Раса паразита с геном вирулентности может обладать различной степенью агрессивности. К примеру, раса паразита обладает геном вирулентности, комплементарным к соответствующему гену устойчивости сорта растения, и поэтому способна его поражать. Но она может его поражать в большей или меньшей степени — вот это и есть проявление агрессивности. Если патоген с геном вирулентности долгое время растет на питательной среде, то его способность проникать в ткани растения-хозяина уменьшается, спороношение сокращается, агрессивность падает. Но достаточно сделать несколько пассажей этой расы через растение, т. е. культивировать ее не на питательной среде, а на растительных тканях, раса вновь приобретает агрессивность, при условии, конечно, что за время ее роста в среде не утерялся ген вирулентности.
Как правило, расы, различающиеся по генам вирулентности и дающие дифференцированную реакцию с сортами, свойственны высокоспециализированным паразитам: облигатам или факультативным сапрофитам, которые претерпели со своим растением длительный период совместной эволюции, в результате чего и выработались эти гены вирулентности. Расы, не имеющие генов вирулентности, различающиеся количественно по степени агрессивности, обычно присущи менее специализированным паразитам — полифагам, стоящим на низкой эволюционной ступени паразитизма. Вирулентность — это как бы дополнительная надстройка на агрессивность паразита, выработавшаяся в процессе его специализации к отдельным сортам или формам внутри вида хозяина.
Свойству вирулентности и агрессивности у паразитов соответствуют вертикальная и горизонтальная устойчивость у растений. Именно она и определяет устойчивость отдельных сортов к несовместимым для них расам патогенов, в том случае, если сорт обладает геном, некомплементарным гену вирулентности паразита. Такой вид устойчивости определяется наличием у сорта растения одного или нескольких генов устойчивости. Приведено графическое изображение такой фитофтороустойчивости для сорта картофеля, обладающего генами P1. Сорт с таким генотипом будет поражаться совместимыми к нему расами паразита 1; 1,2 и 1,3, но не будет поражаться несовместимыми расами 2 и 3. Устойчивость на этом графике выглядит в виде вертикальных столбцов, почему и получила название вертикальной.
Второй тип устойчивости в отличие от вертикальной получил название горизонтальной. Иногда ее еще называют полевой или относительной. Механизм горизонтальной устойчивости еще недостаточно изучен. Она контролируется многими генами и поэтому называется полигенной. Если вертикальная устойчивость обеспечивает полную устойчивость, но лишь к отдельным расам паразита, то горизонтальная обусловливает хотя и относительно низкий уровень устойчивости, но зато по отношению ко всем без исключения расам. Постоянство и эффективность против всех рас паразита — ее наиболее ценное свойство. Соответственно на правой части рисунка представлено поражение тем же набором рас фитофторы, но уже другого сорта картофеля, не имеющего R-генов, но обладающего горизонтальной устойчивостью. Из рисунка видно, что полевая устойчивость примерно в равной, хотя и в небольшой мере предохраняет сорт от поражения всеми расами и поэтому изображена на графике в виде горизонтальной полосы, отчего и получила название горизонтальной.
Итак, если сорт к одним расам патогена проявляет устойчивость, а к другим нет, то его устойчивость называется вертикальной. Если же небольшой уровень устойчивости расы равномерно распределяется по отношению ко всем расам патогена — она является горизонтальной. Некоторые сорта растений могут сочетать в себе и горизонтальную и вертикальную устойчивость. Первая — количественный признак. Сорту может быть свойствен низкий, средний или высокий уровень горизонтальной устойчивости. Вторая — признак качественный и работает по принципу «да или нет».
В большинстве случаев от полифагов растение защищает горизонтальная устойчивость. От высокоспециализированных монофагов растения бывают защищены вертикальной, а иногда и сочетанием вертикальной и горизонтальной устойчивости. Вертикальная устойчивость подразумевает существование дифференцированной реакции между сортами хозяина и расами паразита, а при горизонтальной такая реакция отсутствует.