Б. А. Рубин
МОЛЕКУЛЯРНО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОБЛЕМЫ ПАТОГЕНЕЗА И ИММУНИТЕТА РАСТЕНИЙ
ОБЩИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ФИТОПАТОГЕНЕЗА И ИММУНИТЕТА
Иммунитетом называют невосприимчивость растения к заболеванию, которая проявляется при установлении непосредственного контакта организма с тем или иным патогенным микроорганизмом или вредителем из мира насекомых. Еще И. И. Мечников подчеркивал, что иммунитет следует рассматривать как одно из проявлений приспособительных свойств, возникающих и развивающихся в процессе эволюции живой природы. Этим, в частности, объясняется характерная для диких предков современных культурных растений высокая степень устойчивости к большому числу заболеваний.
На протяжении многих десятилетий проводились и продолжают осуществляться работы, направленные на раскрытие природы факторов, обуславливающих способность растения противостоять воздействию патогенных микроорганизмов, а также вредителям из мира насекомых. Внимание исследователей привлекали как анатомо-морфологические, так и химические особенности растений. Результаты проведенных в этом направлении работ могут быть кратко резюмированы следующим образом. Анатомо-морфологические признаки растения могут в некоторых случаях служить средством, предотвращающим возможность его заболевания. Однако их роль может в основном оказаться действительной только на первой фазе заболевания — внедрение паразита внутрь клетки и установление контакта с протоплазмой. Они могут оказать влияние также на скорость распространения уже внедрившейся инфекции (особенности строения и химического состава покровных и клеточных стенок, устьичного аппарата и т. п.). В целом, однако, значение перечисленных выше особенностей для проявлений иммунитета весьма ограничено. То же относится к особенностям химического состава тканей растения-хозяина.
Как уже говорилось, на протяжении всей истории фитоиммунологии в ней непрерывно возникали и развивались тенденции связать иммунитет растения с наличием в его тканях тех или иных химических соединений, которым приписывалась решающая роль в определении характера взаимодействия хозяина и паразита. Вещества эти принято делить на две группы:
а) привлекающие возбудителя и способствующие развитию инфекции;
б) соединения, действующие в прямо противоположном направлении — токсичные для микроорганизма и подавляющие развитие инфекции.
Результаты детальных многолетних исследований показывают, однако, что как содержание, так и состав углеводов, органических кислот, гликозидов, эфирных масел, фенолов и дубильных веществ, алкалоидов и многих других соединений сколько-нибудь существенной роли в защитных реакциях не играют.
В начале 30-х годов Б. П. Токин открыл существование в растительных тканях соединений, обладающих высокой антимикробной активностью. Они получили название фитонцидов. Обширные исследования, проведенные Б. П. Токиным и созданной им школой, убеждают в том, что фитонцидность является универсальным свойством всех растений-бактерий, низших грибов, хвойных, водных, а также наземных растений, включая высшие цветковые. По своей природе фитонциды принадлежат к самым различным классам химических соединений. Способность продуцировать фитонциды непостоянна. Она изменяется в ходе развития растения и зависит также от условий этого развития.
Наибольшая фитонцидная активность тканей выявляется при их механическом разрушении, вслед за тем эффект ослабевает. Одной из характерных особенностей фитонцидов — слабо выраженная специфичность их действия. Например, фитонциды тканей лука и чеснока вызывают гибель большого числа разнообразных микроорганизмов, в том числе и микробов, неспособных поражать ткани этих растений. Гибельное влияние фитонциды лука и чеснока, а также хрена оказывают на большое число различных бактерий, патогенных для животных организмов, включая и человека. Что касается роли фитонцидов в явлениях фитоиммунитета, то вопрос этот изучен пока недостаточно. В ряде случаев фитонциды несомненно могут участвовать в реакциях неспецифической устойчивости к возбудителям заболевания, вызываемых сапрофитами. Вполне вероятно также, что фитонциды выполняют роль фактора, регулирующего скорость прорастания спор возбудителя, и т. п. В целом же вопрос о роли фитонцидов в комплексе активных реакций иммунитета требует дальнейших углубленных исследований.
Несколько слов по поводу соединений, относящихся к группе фитоалексинов. Этот термин был впервые предложен еще в 1940 г. Мюллером и относился к гипотетическому антибиотическому соединению, образующемуся в ходе взаимодействия картофеля с грибом Phytophthora infestans. В последние годы исследования в данной области развернулись широким фронтом во многих странах. Изучены некоторые соединения, которые образуются живыми тканями высших растений в качестве ответной реакции на установление контакта с микроорганизмами. Таковы орхинол, пизатин, фазеолин, получившие свои названия в соответствии с названием растений, из которых они выделены. По своей природе они относятся к гетероциклическим соединениям хроманокумарановой группы.
Показано, что синтез фитоалексинов может быть вызван как микроорганизмами, способными поражать данное растение, так и микроорганизмами, которые вызвать заболевание этого растения не могут. Синтез может быть вызван также воздействием культуральной среды, на которой рос микроорганизм, и даже дистиллированной воды, в которой прорастали споры (Cruikshank, 1965; Muller, 1964). Имеются, наконец, данные, согласно которым роль раздражителя, вызывающего образование фитоалексинов, может принадлежать различным неорганическим соединениям (Cruikshank, Perrih, 1963).
Показано, кроме того, что фитоалексины могут образовываться также в результате различных химических и механических воздействий на ткани растения. Обнаружены фитоалексины и в здоровой, не подвергавшейся действию инфекции ткани растения. В ряде случаев внесение в питательную среду соединений из группы фитоалексинов вообще не подавляет развития патогена. Отсюда следует, что фитонцидам и фитоалексинам, так же как и любым другим, отдельно взятым химическим компонентам, не может принадлежать существенная роль в активных противоинфекционных, защитных реакциях растения.
Такой вывод полностью согласуется с утверждением Н. И. Вавилова, которое было сформулировано им в монографии "Учение об иммунитете растений к инфекционным заболеваниям", опубликованной в 1935 г. Н. И. Вавилов писал: "В отдельных случаях причины иммунитета могут быть связаны с отдельными факторами, как кислотность, анатомическое строение и т. д., но в целом, по мере накопления знания, природа иммунитета оказывается более сложной. Иммунитет приходится рассматривать как результат взаимодействия многих слагаемых. Клетку, выявляющую реакции иммунитета, приходится рассматривать не как выхваченную из общего комплекса, а во взаимодействии со средой, от которой мы не можем оторвать ни растения, ни паразита, что приходится учитывать, работая по селекции на иммунитет" (Избранные труды, т. 2, 1967, с. 280). Далее он писал: "Та или иная реакция сортов, иммунитет, или обратно, восприимчивость определяется, по существу, тремя категориями факторов: с одной стороны, наследственными особенностями сорта, с другой — избирательной способностью рас и, с третьей стороны — также условиями среды. Меняя условия среды, можно в той или иной степени изменить и реакции иммунитета" (там же, с. 286). В этих именно направлениях и должны, согласно Н. И. Вавилову, развиваться исследования проблемы патогенеза и иммунитета растений. Эти указания полностью сохраняют свое значение и для настоящего времени.
Итак, генеральной задачей патологической физиологии растений следует считать выявление глубинных механизмов, регулирующих взаимодействия хозяина и патогена, и разработку средств преодоления биологической совместимости этих организмов. Принципиального характера сдвиги в состоянии и развитии наших представлений о сущности процессов патогенеза и иммунитета стали возможны благодаря успехам, достигнутым в последние десятилетия в ряде разделов экспериментальной биологии (физиология и биохимия, биофизика, молекулярная биология). Они способствуют расширению знаний относительно биологической роли отдельных сторон данной проблемы, позволяют связать в единую систему большое число разрозненных направлений исследований, перевести эти работы на уровень изучения общего метаболизма растения как целостного организма. Такая задача представляется вполне осуществимой прежде всего на основе тех успехов, которые достигнуты в изучении химической природы и механизма действия белоксинтезирующих центров и функций других органоидов протоплазмы, а также путей первичного использования и последующей реализации клеткой солнечной энергии для различных процессов обмена веществ, требующих затраты химической энергии.
В настоящее время уже не вызывает сомнений то, что внедрение патогенного микроорганизма в ткани растения-хозяина вызывает сложную цепь взаимообусловленных сдвигов в обмене веществ обоих партнеров, которыми и определяется конечный результат встречи. Реакция каждого из партнеров на взаимное вмешательство имеет, как правило, приспособительный характер, определяемый как природными, генетическими факторами, так и конкретными условиями, в которых это взаимодействие осуществляется. Бесспорно доказано также, что возникающие под влиянием инфекции сдвиги в деятельности каталитического аппарата клетки не обусловлены непосредственным воздействием возбудителя и его метаболитов на отдельные ферменты. Наблюдающаяся в зараженной клетке сложная цепь изменений функций катализаторов опосредована одновременным влиянием на всю совокупность структурных компонентов протопласта. Именно поэтому иммунитет, так же как и восприимчивость растения, патогенность и вирулентность возбудителя, не могут служить выражением частных, изолированных свойств этих организмов. В связи с этим в работах по проблемам патогенеза и иммунитета растений необходимо исходить прежде всего из динамических свойств организмов с учетом того, что каждый из них представляет собой открытую систему, обладающую способностью к активной адаптации, приспособительной изменчивости. Именно этим, в первую очередь, и обусловлена присущая партнерам норма реагирования на взаимное вмешательство, направление и интенсивность тех сдвигов в обмене, от которых зависит конечный результат взаимодействия в системе растение-хозяин — паразит.
Известно, что жизнедеятельность организма связана с непрерывными динамическими перестройками внутренней организации протоплазмы, ее морфологических и химических компонентов и их функций, с изменениями скорости и направленности всей совокупности протекающих в ней процессов. Диалектическое сочетание таких противоречивых свойств, как постоянство и изменчивость, вариабельность и сохраняемость — таков фундамент, на котором покоится форма движения материи, которую мы именуем жизнью.
Биологические системы функционируют на основе принципа взаимосвязи структуры и функции.
Характер процессов, развивающихся в биологических структурах, зависит от состояния этих структур, тогда как результаты процессов и природа образующихся в их ходе химических соединений непосредственно воздействует на состояние самих структур. Упорядоченность в пространстве и во времени огромного количества различных реакций и составляет основу свойственной живым системам способности к саморегулированию, самосохранению, самовоспроизведению. Являясь справедливыми для любого организма, все изложенные выше положения еще в большей степени приложимы к той сложной биологической системе, которая возникает в результате взаимодействия регуляторных систем растения-хозяина и систем патогенного организма. Огромное количество экспериментальных фактов свидетельствует о том, что инфицированное растение действительно представляет собой качественно особую биологическую систему. Ее специфика не только и даже не столько от исходных свойств партнеров, как главным образом от тех сдвигов в нормальном ходе метаболизма, которые индуцируются в тканях последних в результате возникающего при этом противоборства управляющих механизмов.
Исход встречи зависит от способности растения-хозяина противопоставить дезорганизующему влиянию метаболитов паразита систему защитных реакций, являющихся выражением его иммунитета. В этом случае речь должна идти об отсутствии иммунитета у патогена к тем продуктам обмена,
которые синтезируются в инфицированной клетке под непосредственным влиянием самого возбудителя заболевания. Гибель инфицированной клетки свидетельствует об отсутствии иммунитета у растения, о стабильности, прочности управляющих систем возбудителя, их способности преодолеть сопротивляемость, которой обладают регуляторные системы хозяина.
Функционирование живых систем регулируется на различных уровнях их организации. Важно подчеркнуть принципиальную близость осуществляющих эту регуляцию механизмов. Все системы управления тесно связаны друг с другом и находятся в постоянном информационном взаимодействии. На молекулярном уровне ключевые регуляторные механизмы представлены нуклеиновыми кислотами и белками. Напомним, что ДНК структурных генов через посредство РНК передает белоксинтезирующим системам хранящуюся в ней наследственную информацию, в соответствии с которой осуществляются биосинтезы специфических белков, включая белки-ферменты. Геном регулирует также образование субстратов и конечных продуктов реакции, влияющих на функцию уже имеющихся в клетке ферментов, опять- таки по принципу обратной связи.
На субклеточном уровне важная роль отводится также мембранам, которые являются высокоспециализированными регуляторами потока веществ и энергии в различных направлениях. Аналогичные функции регуляции выполняют и другие структурные компоненты протоплазмы (митохондрии, хлоропласты, элементы ретикулума и др.). Все эти элементы создают первичную гетерогенность живой материи на уровне клетки.
На клеточном и надклеточном уровнях управление воплощено в химических и регуляторных механизмах, которые связывают микро- и макроструктурные элементы гетерогенного организма в функционально единую систему. Самыми сложными системами управления с полным основанием признаются механизмы, регулирующие взаимодействие организма с физикохимическими (абиотическими) и биологическими факторами окружающей его внешней среды. Природа именно этих управляющих систем и должна служить предметом внимания при обсуждении проблем взаимодействия растений с возбудителями их заболеваний.
Процессы биосинтеза соединений-компонентов систем управления относятся к категории эндэргонических, т. е. таких, которые осуществимы только при затрате определенных количеств свободной энергии. Тем самым подчеркивается генетическая связь и зависимость управляющих систем от нормального функционирования всей совокупности морфологических структур и каталитических механизмов, регулирующих процессы энергообмена живой клетки. В свою очередь, эффективность работы этих элементов протопласта зависит от их ультраструктурной молекулярной организации.
Конечный результат противоборства хозяина и паразита должен определяться степенью устойчивости, пластичности регуляторных механизмов хозяина и паразита, способности этих механизмов противостоять дезорганизующему обмен вмешательству со стороны другого партнера.
