Что это такое? Это — вещества паразита, которые распознаются растением и служат тем самым для него сигналом к включению системы ответных защитных реакций.
Вначале их назвали индукторами, поскольку они индуцируют устойчивость. Однако вследствие широкого толкования слова индуктор (индуцировать можно многие процессы, а не только устойчивость), термин индуктор предложили заменить на элиситор (от английского to elicit — вызывать, извлекать). А затем, на 12-м Ботаническом конгрессе в Ленинграде, слово элиситер было переведено как «провокатор», что оказалось очень близким к истине, поскольку никакое слово лучше этого не отражает истинную роль элиситеров в составе фитопатогенов. Элиситеры как бы «выдают» растению присутствие паразитов. Они представляют собой нечто вроде пятой колонны среди веществ паразита.
Тогда не может не возникнуть следующий вопрос, а затем же патогенам иметь в своем составе провокаторы-элиситеры? Ведь не для того же, чтобы их присутствие выдавало паразитов растениям, в которые они проникают? Конечно, нет. Дело не в том, что паразиты содержат элиситеры, чтобы позволить растению себя распознать, а в том, что растение приобретает способность распознавать среди метаболитов патогена вещества, которые начинают играть роль элиситеров. Роль элиситеров им навязывается растением. У паразита они служат совсем другим целям, выполняя нужные патогену функции. Чаще всего они являются структурными элементами клеточных оболочек либо экстрацеллюлярными ферментами и т. п.
Какова природа элиситеров и где они локализованы? Обычно это либо поверхностные, либо выделяющиеся паразитом вещества, т. е. именно то соединения, которые первыми соприкасаются с поверхностью растения. Ими могут быть хитин, хитозан, глюканы, гликопротеины, липополисахариды, липогликопротеиды, пектолитические и протеолитические ферменты. Как правило, большинство элиситеров содержат в своем составе углеводы, роль которых в процессах распознавания общеизвестна. Однако бывают и исключения. Так, элиситер фитоалексина гороха — пизатина — мониликолин А, выделенный из паразита, вызывающего плодовую гниль яблок и груш (Monilia fructigena), представляет собой полипептид с молекулярной массой около 8000 Дальтон.
Кстати, мониликолин А был первым элиситером, выделенным в Австралии в лаборатории профессора И. Круикчанка. Сейчас их известно несколько десятков, хотя не все они одинаково хорошо охарактеризованы. Часто один и тот же патоген содержит не один, а два или даже три элиситора, разной химической природы и по-разному локализованных в составе патогенов.
Так, в клеточных стенках и в составе выделений возбудителя фитофтороза сои присутствуют два элиситера, один из которых β-1,3-β-1,6-глюкан с молекулярной массой 100 000, а другой гликопротеин с молекулярной массой 150 000 Дальтон. В клеточных стенках возбудителя фитофтороза картофеля нами обнаружены высокомолекулярные β-1,3-β-1,6-глюканы, а в цитоплазме липогликопротеидный комплекс. На поверхности бактерий находится липополисахаридный комплекс, который также выполняет функцию элиситера. Элиситеры индуцируют фитоалексины в крайне низких концентрациях, составляющих 10-9 и даже 10-13 М.
К настоящему времени более или менее очищен только один элиситер из клеточных стенок возбудителя фитофтороза сои. Оказалось, что он представлял собой олигосахарид, состоящий из нескольких глюкозных остатков, связанных β-1,3 и β-1,6-связями. Однако даже в составе наиболее очищенной фракции элиситера присутствуют полимеры глюкозы, связанные в положении 1—4, которые рассматриваются как «загрязнение».
Очень мало известно относительно механизма действия элиситеров. Поскольку каждое ботаническое семейство имеет фитоалексины разной химической природы, за синтез которых ответственны разные ферментные системы, то изучать механизмы индукции очень сложно. Предполагается, что в здоровом растении группа генов, ответственных за образование ферментов, синтезирующих фитоалексины, зарепрессирована. Индукция связана с дерепрессией этих участков генома клетки, в результате чего и начинается синтез ферментов. В пользу подобного предположения говорит тот факт, что под влиянием заражения несовместимыми паразитами в растительных тканях начинается активный синтез молекул РНК и усиленный синтез белка. Если инфицированные ткани обработать метаболическими ядами, ингибирующими синтез РНК и белка, образование фитоалексинов прекращается.
Пожалуй, наиболее убедительным доказательством в пользу справедливости этого предположения являются опыты с фитоалексином касторовых бобов — касбеном, который по химической природе представляет собой дитерпен. В тканях устойчивых бобов под влиянием заражения синтез касбена возрастал в 20—40 раз. Но самое интересное состояло в том, что заражение активировало не синтез дитерпепов вообще, а только одного дитерпена— касбена. Синтез других дитерпенов под влиянием заражения оставался в пределах нормы. Это говорит о том, что синтез касбена в результате инфицирования является результатом специфической индукции соответствующих ферментов, а не результатом усиления биогенеза дитерпенов вообще.
Существует и другая гипотеза, согласно которой ферменты, ответственные за образование фитоалексинов, хотя и существуют в здоровой клетке, но находятся в ней в неактивном состоянии, поскольку связаны некими ингибиторами. Под действием элиситора ингибирование снимается.
Большинство известных к настоящему времени элиситоров обнаружено на основании их способности вызывать накопление в растительных тканях фитоалексинов. Впоследствии стало ясным, что многие из элиситоров не только индуцируют синтез этих веществ, но и вызывают некротизацию тканей, являющуюся неотъемлемой составной частью реакции СВЧ, а также образованно раневой перидермы, отторгающей зону инфицирования от здоровой ткани. Таким образом, многие из числа ныне известных элиситеров индуцируют не только фитоалексины, но вызывают образование целого комплекса защитных реакций, связанных с реакцией СВЧ, и поэтому их правильнее называть элиситерами защитных реакций.
Еще Мюллер определил фитоалексины как продукты некротизации клеток. И действительно, подавляющее большинство элиситеров вызывают некроз клеток и накопление в них фитоалексинов. Однако есть и исключения, которым является мониликолин А. Он вызывает накопление фазеолина в клетках фасоли, которые остаются живыми, окрашиваются прижизненными красителями и сохраняют способность к плазмолизу (способность к плазмолизу и окраска прижизненными красителями — признак жизнеспособности клеток).
Индуцировать образование фитоалексинов могут не только паразитарные грибы, но и бактерии, вирусы, нематоды, а также некоторые насекомые. Кроме того, их образование может индуцироваться под влиянием ряда химических агентов и физических воздействий. Все существующие элиситеры были разделены на два класса: биотические (имеющиеся у микроорганизмов) и абиотические. К числу абиотических элиситеров относятся соединения, ничего общего не имеющие с продуктами метаболизма фитопатогенов. Сюда относятся соли тяжелых металлов, которые по своей способности индуцировать, например, образование пизатина.
К числу абиотических элиситеров относятся также некоторые ингибиторы отдельных метаболитических процессов (иодацетат, фтористый натрий, 2,4-динитрофенол, некоторые антибиотики, фенольные соединения, цитокинины, циклический аденозинмонофосфат и, наконец, многие пестициды). Элиситерами являются и некоторые физические воздействия, например облучение ультрафиолетовыми лучами, частичное замораживание. Сообщалось даже, что умеренное постукивание по листьям конских бобов вызвало у них образование фитоалексинов, тогда как сильный удар — нет.
По-видимому, нет общей структуры вещества, которое определило бы его принадлежность к элиситерам, так же как и нет какой-либо определенной мишени для их действия у растительных клеток. В качестве элиситеров могут выступать вещества, различным образом повреждающие растительные клетки.
Если сравнить действие абиотических элиситеров с биотическими, то налицо их отличие, по крайней мере по двум пунктам.
1. Биотические элиситеры вызывают образование фитоалексинов в значительно больших концентрациях, чем абиотические. Так, абиотические элиситеры оказываются активными в концентрациях 10-3— 10-5 М, тогда как биотические — 10-9 М и ниже, как мы это уже говорили. Причем даже в максимально индуцирующих концентрациях абиотические элиситеры редко могут вызвать образование фитоалексинов в концентрациях, приводящих к полному подавлению роста паразитов.
2. Под влиянием абиотических элиситеров в растительных тканях индуцируются не только фитоалексины, но и ряд других соединений, не имеющих никакого отношения к реакции несовместимости паразита и хозяина. Наоборот, биотические элиситеры вызывают прицельное индуцирование только фитоалексинов.
Недавно удалось выявить разницу в действии биотических и абиотических элиситеров. Оказалось, что накопление фитоалексинов под действием биотических элиситеров происходит за счет их интенсивного синтеза, который значительно преобладает над процессом их распада — метаболизма. Абиотические элиситеры действуют наоборот. Иными словами, многие абиотические агенты, повреждающие клетку, подавляют процесс метаболизма ксенобиотиков — фитоалексинов, благодаря чему последние и накапливаются. Более того, в силу повреждения систем метаболизма они могут сохраняться в этих тканях в течение определенного времени, тогда как под действием биотических элиситеров фитоалексины после достижения фунгитоксических концентраций исчезают из растительных тканей, поскольку элиситер не повреждает системы их метаболизма.
В свете этих данных по-новому можно представить себе, как отражается на содержании фитоалексинов обработка растения теми пестицидами, которые обладают способностью вызывать их образование. Под воздействием таких пестицидов индуцируется накопление в растительных тканях фитоалексинов, которые сохраняются в ткани, а не исчезают из нее, поскольку процессы их метаболизма подавлены. Обработка пестицидами может происходить несколько раз в сезон, поэтому количество фитоалексинов в растительных тканях все более и более возрастает и может накопиться в них в токсических для человека и животных концентрациях. Конечно, совсем не обязательно, чтобы все пестициды служили элиситерами фитоалексинов и при этом ингибировали их метаболизм. Число таких элиситеров достаточно велико, и трудно представить себе, чтобы все они имели единый механизм действия. Однако при испытании и отборе новых пестицидов следует все же иметь в виду их нежелательную способность вызывать накопление фитоалексинов в растительных тканях.
Итак, предполагается, что на поверхности паразитарных микроорганизмов имеются определенные вещества, которые распознаются растением и являются для него элиситерами защитных реакций, чаще всего реакции СВЧ. Казалось бы, все просто и ясно. Элиснтеры вызывают СВЧ-гибель клеток хозяина и образование фитоалексинов, которые накапливаются в отмерших клетках и губят присутствующего там паразита. Однако в этой простой схеме не все концы сходятся с концами.
1. Элиситер паразита, нанесенный на поверхность растительной ткани, вызывает гибель поверхностных клеток, с которыми он непосредственно соприкасается, тогда как фитоалексины образуются в более глубокорасположенных слоях клеток, куда элиситер вряд ли проникает.
2. СВЧ-гибель клеток растения наступает вскоре после соприкосновения с элиситером паразита. Так, клетка листа или черешка картофеля погибает уже спустя 30 минут после того, как ее цитоплазматическая мембрана приходит в соприкосновение с гифой несовместимой расы возбудителя фитофтороза, тогда как фитоалексины начинают образовываться лишь спустя несколько часов после гибели клеток. Более того, если с помощью определенных приемов задержать СВЧ-гибель клетки, то настолько яге задерживается и начало образования фитоалексина, и, наоборот, если СВЧ-гибель ускоряется, то ускоряется и образование фитоалексина.
Создается впечатление, что ответная реакция растительной ткани включает в себя как минимум два последовательных этапа: элиситер вызывает СВЧ-гибель соприкасающихся с ним растительных клеток, а уже СВЧ-реакция служит как бы вторичным сигналом к образованию фитоалексинов. Можно было бы предполагать, что сигнал к их возникновению передает некое вещество, которое освобождается из погибших (или погибающих?) клеток растения-хозяина.
И такое вещество было недавно обнаружено в сое американским фитоиммунологом Альберсхеймом. Им оказался фрагмент плеточных стенок сои, состоящий из 12 молекул галактуроновой кислоты, соединенных между собой α-1,4-глюкозидными связями. Близкий по строению фрагмент удалось выделить из препарата цитрусового пектина.
Полученные данные позволили понять механизм индукции фитоалексинов с помощью пектолитических ферментов, которые воздействуют на клеточную стенку растения и высвобождают из нее пектиновый фрагмент, являющийся своеобразным химическим посыльным, или вторичным элиситером, вызывающим образование фитоалексинов в прилегающих здоровых клетках. По-видимому, в погибающих под действием элиситеров паразита растительных клетках также активизируются собственные ферментные системы, разрушающие клеточную стенку и высвобождающие индуцирующий фитоалексины фрагмент. А поскольку гибель или повреждение клеток вызывают многие химикаты и физические воздействия, то неудивительно, что в ответ на их обработку в растительных тканях образуются фитоалексины. Ведь недаром их количество часто прямо пропорционально степени токсичности элиситера для клетки растений.
Таким образом, в ответ на широкий набор воздействий, убивающих или повреждающих растительные клетки, из их клеточных оболочек высвобождается своеобразный химический курьер, или иммунологический посыльный, который диффундирует в прилегающие клетки, где либо индуцирует образование защитных веществ, либо повышает способность к их образованию.
Таким образом, вновь полученные данные позволяют рассматривать в более широком аспекте вещества, защищающие растения от инфекции. Они позволяют сохранить целостность растениям, поврежденным токсическими химикатами либо физическими воздействиями, поскольку страхуют их от инфекционных болезней. Иммунная система в таких растениях ослаблена, в силу чего поврежденные участки их тканей оказываются незащищенными, через которые инфекция беспрепятственно проникает.
Особое значение приобретают неспецифические свойства фитоалексинов, в силу чего они будут предохранять поврежденные растения от широкого набора потенциально опасных для них патогенов. Ведь мало ли каким патогеном может поразиться поврежденный участок.
Если подходить к защитной роли фитоалексинов с таких позиций, то следует признать, что они в известной мере оправдывают название «стрессовые метаболиты», как их определяют некоторые исследователи. Другое дело, что совсем не все растительные метоболиты, образующиеся в ответ на стресс, обладают антибиотическими свойствами, и поэтому понятие о стрессовых метаболитах шире. Тем не менее, если раньше фитоалексины определяли как индуцированные антибиотические вещества, защищающие растения только от патогенов, то теперь, вероятно, правильнее говорить, что эти вещества защищают растительные ткани от целого ряда стрессовых воздействий, в том числе и от некоторых химических и физических повреждений.
Альберсхейм с соавторами предлагает новый термин «олигосахарины» для углеводов, обладающих биологической активностью. В свете таких представлений к олигосахаринам относятся биогенные элиситеры, например структурные полисахариды клеточных стенок паразитарных грибов, которые способны распознаваться растениями и индуцировать у них защитные реакции. К этой же группе биологически активных углеводов принадлежат и эндогенные иммунологические посыльные пектиновой природы, высвобождаемые в ответ на стресс из состава клеточных стенок растений. Кстати, обнаружено, что такого рода посыльные не только вызывают образование фитоалексинов в соседних растительных клетках, но и индуцируют у них образование ингибиторов протеаз, инактивирующих ферменты патогенных микроорганизмов и насекомых.
Возможно, что продукты деградации клеточных стенок действуют как гормоны, которые связываются со специфическими белками на плазмалемме, активизируя тем самым аденилатциклазу, синтезирующую циклическую АМФ. А в животной клетке циклическая АМФ является универсальным посредником при передаче гормонального сигнала.
Таким образом, полимеры клеточных стенок являются как бы хранителями регуляторных молекул, которые Альберсхейм по аналогии с животными считает возможным причислить к числу вторичных гормонов. Возможно, что вторичные растительные гормоны высвобождаются либо из стенок, либо других органелл растительных клеток не только в условиях стресса, но и под действием первичных гормонов, таких, как ауксины, гиббереллины, цитокинины и этилен. Таким образом, благодаря открытию Альберсхейма выступили из мрака контуры еще одного этапа в той цепи последовательных явлений, которые возникают при взаимодействии паразита с несовместимым для него хозяином.
Итак, клетка несовместимого хозяина, распознавшая элиситер проникающего паразита, гибнет в результате реакции СВЧ. Из ее клеточных стенок высвобождается олигосахарин, несущий весть об опасности в глубь ткани, заставляющий ее мобилизоваться для борьбы с врагом (одним словом, иммунологический буревестник). Налицо своеобразная эстафета индуцирования. Гибнущая клетка передает своим здоровым собратьям сигнал «SOS».
Значит, налицо, по крайней мере, два индуктора, один из которых является причиной СВЧ-гибели клетки, а другой — образования фитоалексинов. Действия этих индукторов разъединены во времени и в пространстве. Возможно, существует и третий индуктор, вызывающий образование раневой перидермы, отграничивающей область инфекции.
В свете этих фактов несколько по-новому может быть интерпретировано одно из наиболее загадочных и до сих пор ускользающее от понимания исследователей явление СВЧ. Оказывается, жертва частью клеток во имя сохранения целого не так уж неоправдана и несовершенна. Именно умирающая клетка посылает в пространство сигнал об опасности. А это означает, что чем быстрее отомрет клетка, тем раньше узнают ее здоровые собратья о грозящей им опасности. А мы помним, что чем быстрее происходит СВЧ-гибель клетки, тем устойчивее сорт растения.
Некротизированная клетка — это отмершая клетка. Но под влиянием токсинов клетки хозяина тоже погибают. Образуется ли в них иммунологический посыльный, сигнализирующий о необходимости образования фитоалексинов, пока неизвестно. Возможно, что и нет.
Извещенные об опасности клетки срочно мобилизуют свои резервы, перестраивая обмен, синтезируют фитоалексины, которые направляются навстречу врагу, находящемуся в некротизированных клетках, где и накапливаются до концентраций, вызывающих гибель паразита. Почему они накапливаются именно в некротизированных клетках, нетрудно объяснить. Ведь для здоровых растительных клеток фитоалексины являются ядом (ксенобиотиками эндогенного происхождения), поэтому они подлежат немедленному уничтожению (метаболизму) с помощью уже упомянутой системы моноокслгеназ. В некротизированных клетках эта система вряд ли в состоянии функционировать.
Получается, что некротизнрованные клетки, даже мертвые, продолжают верно служить своему растению, выполняя функции вместилищ яда. Иного выхода нет, поскольку то количество яда, которое нужно накопить, чтобы погубить паразита, пи одна живая клетка не в состоянии выдержать. Ведь яд настолько неизбирателен, что убивает подряд все живое, в том числе и собственные клетки, которые его производят.
Совершенно иное дело — иммунная система человека и животных, которая может позволить себе выбрасывать в кровяное русло антитела, нисколько при этом не опасаясь за жизнь клеток собственного тела. Антитела настолько специфичны, что будут уничтожать только свою мишень — антигены паразита, и не затронут собственных клеток.
Выходит, у растений нет и не может быть другого способа погубить паразита с помощью токсических фитоалексинов, кроме как накопить их в отмерших клетках. Возможно, что сигнал «SOS» можно было бы послать и минуя гибель собственных клеток, но концентрировать нужное для гибели паразита количество фитоалексинов можно только в отмерших клетках.
По-видимому, отмершая клетка не только посылает приказ живым клеткам синтезировать фитоалексины, но и каким-то образом руководит их направленным транспортом, являясь притягательным центром для их перемещения. Так ли это, покажет будущее.