CC BY
89
УДК 635.21/.24:577.27:551.524
ПАТОГЕН-ЗАВИСИМЫЕ (PR) БЕЛКИ В ЗАЩИТНОМ МЕХАНИЗМЕ РАСТЕНИЙ ПРИ ИНВАЗИИ ПАРАЗИТИЧЕСКИМИ НЕМАТОДАМИ
Зиновьева C.B.*, ЛавроваВ.В.**, Удалова Ж.В.****, Матвеева Л.М.**
* ФГБНУ «Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН» Центр паразитологии ИПЭЭ РАН ** ФГБНУ «Институт биологии Карельского научного центра РАН» *** ФГБНУ «ВНИИ фундаментальной и прикладной паразитологии животных и растений им. К.И.Скрябина»
Введение. Фитоиммунитет представляет собой сложную и многоуровневую систему защитных процессов и обуславливает возможность растений противостоять паразитарной инвазии, в том числе заражению нематодами. Ведущую роль в реализация иммунного ответа на заражение отводят веществам белковой природы. Это рецепторные белки, распознающие эффекторные молекулы паразита (R белки), белки, связанные с образованием сигнальных молекул (в частности, фенилаланин-аммиак-лиаза (PAL) -ключевой фермент в образовании салициловой кислоты), а также белки с защитными свойствами (преимущественно белки PR семейства) [1,4, 5,6]
PR-белки являются важным звеном, участвующим в защите растений от биотического стресса. Информация о роли PR-белков растений во взаимоотношениях с паразитическими нематодами крайне ограничена и противоречива. В основном она касается PR2 и PR3 белков - Р-1,3-глюканазы и хитиназы, а также PR-6 - ингибиторов протеиназ (PI). Одной из причин накопления этих белков в клетках является активации сигнального пути, опосредованного салициловой (СК) или жасмоновой (ЖК) кислотами. Защитные функции этих белков различны. Белки семейства PR6 - ингибиторы протеиназ (PI) - подавляют протеолитическую активность ферментов, выделяемых в растительную ткань личинками нематоды, что приводит к нарушению способности паразита переваривать растительные белки и, следовательно, подавлению роста и развития личинок. Белки, кодируемые генами PR2 и PR3 - хитиназы и Р-1,3-глюконаза имеют важное значение в патогенезе. Предполагается, что эти ферменты разрушают клеточные стенки фитопатогенов (особенно в сочетании), а также участвуют в образовании олигосахаринов, регулирующих иммунные ответы растений.
Известно, что реализация иммунитета во многом определяется способностью растительного организма быстро и специфично модулировать свой транскриптом, т.е. изменять экспрессию генов, связанных с развитием защитных реакций в ответ на заражение [3]. Многочисленные литературные данные свидетельствуют о возможности модуляции иммунного статуса (проявления защитных реакций) растений с помощью экзогенных обработок факторами биотической или абиотической природы.
На паразитарных системах картофельная цистообразующая нематода Globodera rostochiensis Wollenweber, 1923, Behrens, 1975 - картофель Solanum tuberosum L.» и «галловая нематода Meloidogyne incognita (Kofoid & White, 1919) Chitwood, 1949 - томат Lycopersicon esculentum L.» исследована динамика экспрессии генов защитного ответа растений при инвазии нематодами и их модуляция при действии индукторов различной природы.
Материал и методы. В проведенном исследовании иммунный статус растений оценивался по экспрессионной активности перечисленных выше генов как до момента заражения (с целью выяснения иммунного потенциала растений), так и в процессе нематодной инвазии с учетом биологических особенностей развития паразита. Экспрессию генов в инвазированных растениях исследовали в динамике на 3, 6 и 20 сутки после заражения. В этот период личинки нематоды проникают в корни, становятся неподвижными (седентарными) и начинают процесс питания и образования яиц. Транскрипционную активность R-генов оценивали методом ПЦР в режиме реального времени [2]. Для модуляции иммунного состояния растений применяли кратковременную низкотемпературную обработку и биогенные элиситоры с функцией сигнальных молекул - жасмоновую (ЖК) и салициловую (CK) кислоты.
Результаты и обсуждение. Полученные нами данные показали, что у устойчивых к заражению растений экспрессионная активность генов устойчивости (.H1 и Gro1-4 у картофеля и Mil,2 у томатов) проявляется в корнях здоровых растениях до инвазии, которая увеличивается в ответ на инвазию в первые дни и сохраняется до конца эксперимента. Активность транскриптома этих генов до инвазии указывает на то, что в клетках устойчивых растений присутствуют рецепторные белки, способные к своевременному распознаванию эффекторных молекул, секретируемых личинками, определяя тем самым межклеточное узнавание партнеров, что способствует в дальнейшем быстрой реактивности иммунной системы при внедрении личинок нематоды в корни.
В устойчивых растениях до инвазии отмечена значительная экспрессия гена PAL, при участии которого происходит биосинтез CK. Высокая экспрессионная активность гена PAL отмечалась на протяжении всего периода развития нематоды, что способствует накоплению также ряда вторичных соединений, биогенез которых реализуется при участии PAL (фенилпропаноидов, ряда фитоалексинов, производных лигнина и др.), роль которых в защитных реакциях растений на нематодную достаточно известна. Проведенные исследования показали
также, у устойчивых к нематоде растений наблюдается значительное возрастание экспрессии защитных генов (PR1, PR2, PR3 и РГ) при заражении, что, несомненно, свидетельствует об их защитной функции в ответ на инвазию. Таким образом, в целом, можно констатировать, что иммунное состояние устойчивых растений обеспечивает быструю реакцию на проникновение нематод с последующим быстрым адекватным развитием защитного ответа.
Иная ситуация обстоит с восприимчивыми растениями. Так в корнях картофеля, до момента заражения, так и после инвазии отсутствуют активности генов устойчивости (H1 и Grol-4), отмечен также низкий уровнь экспрессии защитных генов (PR1, PR2, PR3 и PI), а так же более низкая степень активности гена
фенилаланин-аммиак-лиазы (PAL), по сравнению с таковой у устойчивых растений. Отсутствие возможности своевременного распознавания атаки паразита вследствие неактивных генов устойчивости до заражения приводит к слишком медленному формированию защитных реакций в растительном организме во время проникновения нематоды (Skupinova et al., 2002). У восприимчивых растений при заражении изменения в экспрессии генов защитных белков незначительны, и проявляются уже после проникновения личинок в корни, что может быть одной из причин развития заболевания.
Исследования экспрессии PR-генов при действии температурного прайминга (обработка картофеля) или обработке биогенными индукторами (СК или ЖК) показало повышение их активности и выявили сходство в динамике экспрессии исследованных генов с устойчивыми растениями, обладающими генетической устойчивостью к фитонематодам.
Исследована динамика изменения активности PR-белков - Р-глюканазы (PR2) и хитиназы (PR3) в растениях при инвазии и обработке ЖК и СК. Установлено, что эти ферменты проявляют большую активность во время миграрции нематод, при седентарной стадии их активность минимальна. Анализ активности ингибиторов протеиназ (PI) в листьях растений томата, показал, что в восприимчивых к галловой нематоде растениях активность была в 2,7 раза ниже по сравнению с устойчивыми. При инвазии активность ИП корнях и листьях устойчивых и восприимчивых растений томатов значительно возрастала, особенно в случае обработки ЖК.
Заключение. На основании полученных результатов можно предположить, что транскрипционная активность гена PAL и защитных генов (PR1, PR2, PR3 и PI) играет значительную роль в при развитии взаимоотношений растительного организма с нематодами. Влияние PR-белков, кодируемых этими генами, на нематод проявляется и в период проникновения в растение, и в период развития в корнях, однако отсутствие возможности своевременного распознавания паразита в восприимчивых растениях вследствие низкой экспрессии генов устойчивости приводит к слишком медленному формированию защитных реакций в растительном организме во время проникновения нематоды, что и приводит к развитию заболевания.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (№ 15-04-04625_а).
Литература: 1.3иновьева C.B. Васюкова Н.И., Озерецковская О.Л.//Прикл. биохимия и микробиология.-2004.-Т.40.-№2.-С.133-143. 2.Лаврова В.В., Матвеева Е.М., Зиновьева С.В.//Известия РАН. Серия биологическая.-2017. - № 2. - С. 97-106. 3.Katagiri F., Tsuda K.//MPMI.-2010.-V.23.-№12.-P. 1531-1536. 4.Martin G.B., Bogdanove A., Sessa G.//Annu. Rev. Plant Biol.-2003.-V.54,- P. 23-61. 5.van Loon L.C., Rep M., Pieterse C.M.J.//Annu. Rev. Phytopathol.-2006.- V.44. - P. 135-162. 6.Zinovieva 8.У.//Паразитология,- 2014,- T. 48. - № 2,- С. 110-130.
Pathogen-related (PR) proteins in plant defense mechanism at infection by parasitic nematodes. Zinovjeva S.V., Lavrova V.V., Udalova Zh.V., Matveeva E.M. Severtsov Institute of Ecology and Evolution; Institute of Biology, Karelian Research
183
Center; All-Russian K.I. Skryabin Scientific Research Institute of Fundamental and Applied Parasitology of Animals and Plants.
Summary. The defense plant mechanism against stress factors involves a multitude of tools including various types of stress proteins with putative protective functions. The activity of certain PRs and expression of genes encoding PRs have been studied on two systems: potatoes - Globodera rostochiensis and tomato - Meloidogyne incognita. One represents data on changes in gene expression of plant protective proteins at infection by parasitic nematodes (PAL, PR-2 and PR-3, PR-6) in tissues of plants.
