О значении белков в устойчивости растений к различным патогенным агентам свидетельствуют материалы, полученные в исследованиях с применением серологического метода. Согласно этим данным между устойчивыми и восприимчивыми сортами различных растений существуют четкие антигенные различия. Т. И. Федотова и М. С. Дунин первыми показали, что белки паразита и поражаемого им растения-хозяина обнаруживают иммунологическое сродство. Восприимчивость рассматривалась ими как результат наличия комплементарных белковых структур у хозяина и паразита, т. е. наличия общих антигенов.
На фоне разнообразных форм паразитизма конкретная защитная роль белков клетки может проявляться в различной форме. В частности, белки- ферменты катализируют химические реакции, в результате которых образуются различного рода защитные механические и химические барьеры, а также отдельные химические соединения.
Защитной реакцией может служить также новообразование белков- ингибиторов ферментов, белков-репрессоров, способных блокировать ферментные системы патогена, соединений, оказывающих лизирующее или агглютинирующее действие. Интересен в связи с этим факт обнаружения в тканях растений лектинов — высокомолекулярных белковых веществ, обладающих способностью взаимодействовать с определенным антигеном по типу сывороточных антител.
Из клеточных стенок различных растений был выделен белок, который ингибировал экзополигалактуроназу ряда патогенных грибов. Этот фермент используется микроорганизмами при разрушении клеточных стенок тканей растения-хозяина.
Важная роль принадлежит белкам также в борьбе с вирусами. Имеются данные, свидетельствующие о том, что в тканях устойчивых сортов растений, заражение вирусами вызывает ответную защитную реакцию, связанную с образованием антиинфекционных интерфероноподобных веществ белковой природы.
Такого рода данные получены Μ. Е. Ладыгиной при изучении влияния вирусной инфекции на белковые компоненты клеток листьев табака. Исследуя мембранные белки митохондрий методами гельфильтрапии и электрофореза, Μ. Е. Ладыгина показала, что у иммунного вида Nicotiam glutinosa с колонки софадекса G-200 мембранные белки здоровых листьев элюируются в одном пике (рис. 1). Через 48 h после заражения ВТМ появляется новый белок (пик II), которого нет в здоровой ткани, а также в зараженной до начала некрозообразования.
Этот белок (мол. вес около 26 000) обладает весьма значительной антивирусной активностью: подавляет развитие некрозов на листьях табака на 50—60 %. Мембранные белки митохондрий восприимчивого вида табака (Nicotiana tabacum) как здоровых, так и зараженных ВТМ листьев элюируются в двух никах. Ни одна из этих фракций антивирусными свойствами не обладает.
Рис. 1. Кривые элюции мембранных белков митохондрий иммунного и неиммунного видов табака под влиянием ВТМ
N. glutinosa: 1—контроль; 2 — зараженные; N. tabacum: 3 — контроль;
4 — зараженные; I, II, II* — пики
Особый интерес представляют изменения, возникающие в каталитическом аппарате клетки, и в первую очередь явления индуцированного синтеза ферментов, которые по своей природе принадлежат, как известно, белкам.
Работы, выполненные в Московском государственном университете, показали, что эта перестройка носит не только количественный, но и глубокий качественный характер. Перед рассмотрением этих данных необходимо остановиться на одном принципиально важном вопросе. Современные методы расчленения белковых соединений протоплазмы убеждают в том, что белковые компоненты ферментов неоднородны, а представляют собой комплексы нескольких молекулярных форм белка, получивших название изоферментов или „изозимов“. Молекулярная разнокачественность установлена для большого числа ферментов самых разнообразных групп. Отдельные изозимы различаются по электроподвижности, величине и знаку заряда, по специфичности к субстрату, чувствительности к ингибиторам, температуре, pH и ряду других факторов. Установлено, что количество и состав изозимов (т. наз. изозимный спектр) в тканях разных органов одного и того же растения неодинаковы и непостоянны. Молекулярная гетерогенность ферментов — один из весьма действенных механизмов, обеспечивающих способность растения к саморегулированию, адаптации к изменяющимся условиям среды и пр.
Особого внимания заслуживает обнаруженная неоднородность изозимного состава ферментов у иммунных и неиммунных форм растений, а также изменчивость спектра изоензимов в результате взаимного индуцирующего влияния хозяина и паразита.
Особенно наглядно это положение подтверждается в случае биосинтеза в инфицированной клетке растения-хозяина каталитически активных белков- ферментов, которыми не располагает сам возбудитель инфекции.
Рис. 2. Скорость включения лейцина в изозимы пероксидазы (imp/4 min. mg белка) под влиянием заражения ткани капусты грибом Botrytis cinerea
I— Амагер, устойчивый сорт; II — неустойчивый — сорт; а — здоровая ткань; б — зараженная ткань
В частности, в мицелии возбудителя серой гнили капусты — гриба Botrytis cinerea не удается обнаружить присутствие пероксидазы. В то же время активность этого фермента в зараженных тканях устойчивого сорта капусты при заражении В. cinerea весьма значительно возрастает.
Например, в работе Т. М. Ивановой было установлено, что растворимые белки тканей капусты, обладающие пероксидазной активностью, делятся на сефадексе G-75 на две фракции. При заражении активность пероксидазы в обеих фракциях возрастала параллельно увеличению в них количества белка.
В дальнейшем при изучении синтеза белка пероксидазы в тканях капусты под влиянием заражения В. cinerea была использована меченая по углероду аминокислота лейцин.
Как показали опыты, в зараженных В. cinerea тканях устойчивого сорта капусты Амагер весьма значительно увеличивались скорость включения лейцина в белок фермента по сравнению со здоровыми тканями. В вариантах опыта, в которых использовался ингибитор белкового синтеза (циклогексид), активность пероксидазы не увеличивалась. Ингибитор подавлял также включение 14С лейцина в белок.
В зараженных тканях неустойчивого сорта капусты (Номер Первый) наблюдалось подавление активности пероксидазы и скорости включения метки в ее белок по сравнению со здоровыми тканями. В данном случае, следовательно, новообразование белка пероксидазы не происходило.
Еще более четкие данные получены при изучении процесса включения меченой по углероду аминокислоты в митохондриальные белки.
Так, у устойчивого сорта капусты при заражении грибов Botrytis этот процесс активировался в 2—3 раза, а у огурцов при заражении мучнистой росой—на 50— 60%. У восприимчивого сорта капусты скорость включения возрастала всего на 10—15 %, а у огурцов она даже снижалась вдвое.
Опыты показали, что в ходе индуцированного синтеза ферментов образуются иммунологически специфичные изоэнзимы.
Рис. 3. Седиментограммы рибосом (в градиенте сахарозы) листьев огурца относительно устойчивого сорта Дальневосточный (I) и неустойчивого Неросимый (II) здоровых и зараженных мучнистой росой
1 — зараженная ткань; 2 — здоровая ткань
Это установлено с помощью современных методов иммунобиохимии (реакции преципитации, иммуно электрофорез и др.).Один из примеров, также относящийся к пероксидазе капусты, приводится на рис. 2, данные которого показывают, что в зараженной грибом Botrylis cinerea ткани устойчивого сорта капусты Аматер возрастает физиологическая активность всех изозимов пероксидазы (о чем можно судить по интенсивности включения меченого лейцина в белок изоэнзимов). Способность синтезировать белок у изозимов пероксидазы в три — четыре раза выше у устойчивого сорта, чем у неустойчивого. В особенности важно подчеркнуть, что в изозимном спектре зараженной ткани устойчивой капусты регистрируется появление нового, иммунологически специфического компонента, которого нет в здоровой ткани и которого нет как в здоровой, так и в зараженной ткани восприимчивого к грибу сорта.
Одной из основных причин, обуславливающих активирование биосинтеза белка, являются изменения, возникающие под влиянием инфекции в фракционном составе рибосом. Примером могут служить данные, полученные при изучении особенностей седиментограмм рибосом (в градиенте сахарозы), изолированных из здоровых и зараженных листьев огурца. Показано, что при заражении мучнистой росой у устойчивого сорта огурца появляется пик полирибосом — наиболее эффективной части рибосомного комплекса, тогда как у неустойчивого этот пик не обнаруживается. Не выявляется он и у здоровых листьев (рис. 3).
Индуцируемый инфекцией биосинтез белков обусловлен не только увеличением количества полисом, но и сохранением нативной структуры входящей в их состав m-РНК. Успешному функционированию рибосомального аппарата способствует, кроме того, подавление активности рибонуклеаз, что, в свою очередь, предотвращает деградацию рибосомальной РНК.
Последующее детальное изучение этого вопроса показало, что у восприимчивых форм растений белоксинтезирующие системы действительно значительно менее активны по сравнению с устойчивыми.
Совокупность полученных данных позволяет заключить, что вызываемые инфекцией изменения функций рибосомального аппарата охватывают как предрибосомальный, так и рибосомальный этапы биосинтеза белка.
Образующиеся под влиянием патогена новые изоэнзимы отличаются и в отношении их субстратной специфичности. Так, например, в зараженной ткани окисление хлорогеновой кислоты, крезола во много раз усиливалось, а окисление пирокатехина в два раза снижалось (по сравнению со здоровой тканью).
О большом практическом значении процесса биосинтеза новых изоэнзимов свидетельствуют данные, полученные в работе с двумя линиями кукурузы при заражении грибом Ustilago leae, возбудителем пузырчатой головни.
Наблюдения над особенностями ряда ферментов в онтогенезе здоровой кукурузы показали, что ход развития растений связан с глубокими изменениями в наборе изозимов, электрофоретической подвижности, отношении к субстрату и т. д.
При изучении изменений, возникающих в ферментативном аппарате кукурузы при заражении, показано, что у более устойчивой кукурузы (линия ВИР-40) инфекция повышает активность этого фермента в два-три раза по сравнению с более восприимчивой линией ВИР-44. У кукурузы линии ВИР-40 заражение сопровождается появлением ряда новых изозимов. Речь и в данном случае идет о глубокой качественной перестройке ферментного белка.
Эти данные могут быть использованы как один из критериев при проведении селекции кукурузы на устойчивость к пузырчатой головне — одной из самых вредоносных болезней этого растения.
