CC BY
71УДК 632.938.1
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИММУНИТЕТА РАСТЕНИЙ К ВРЕДИТЕЛЯМ
Н.А. Вилкова, Ал.В. Конарев
Всероссийский НИИ защиты растений, Санкт-Петербург
В статье рассматриваются фундаментальные вопросы становления и развития иммунитета растений к вредителям. На основе изучения структурной и функциональной организации им-муногенетической системы цветковых растений и ее механизмов показаны направления конструирования устойчивых к биотрофам форм сельскохозяйственных культур с использованием традиционных и биотехнологических подходов, разработана стратегия их использования в качестве важнейшего фактора обеспечения стабильности функционирования агроэкосистем.
Особо выделена проблема экологического изучения биоценотических функций иммунитета в конкретных условиях агробиоценозов. Выявлены и описаны два типа реактивности консу-ментов и идентифицированы механизмы иммуногенетической системы растений, определяющие физиологические и популяционно-динамические процессы у биотрофов.
Ключевые слова: иммунитет, иммуногенетическая система, атрептический барьер, ин-гибиторный барьер, иммуногенетические механизмы, групповая устойчивость, комплексная устойчивость, белки-ингибиторы, агробиоценоз, адаптациогенез, микроэволюция, генотип, физиологически активные вещества.
Иммунитет растений к вредителям, как особая область фитоиммунологии, сформировался сравнительно недавно - в 20 годы прошлого столетия. Импульсом к развитию исследований феноменов устойчивости растений к членистоногим вредителям послужило созданное Н.И.Вавиловым основополагающее учение об иммунитете растений к инфекционным заболеваниям (Вавилов, 1919,1966). Рассматривая феномен устойчивости растений к разным видам и группам вредных организмов, Н.И.Вавилов четко обозначил принципиальное различие во взаимодействиях растения-хозяина с возбудителями заболеваний и растения-хозяина с членистоногими вредителями.
Своеобразие функционирования биологической системы растение-вредитель в первую очередь проявляется в связи с активным образом жизни, в свободном выборе членистоногими кормовых растений, что отличает их от микроорганизмов. Это предопределяет особенности защитных механизмов растений как при поселении на них вредителей, так и при повреждении.
В ВИЗР исследования устойчивости растений к вредителям начали проводиться со дня основания института. Значительный вклад в становление и разви-
тие исследований по иммунитету растений к вредителям внесли работы многих энтомологов страны, в т.ч. таких выдающихся ученых, как Н.В.Курдюмов, И.В.Кожанчиков, В.Н.Щеголев, П.Г.Чесно-ков, К.ИЛарченко и др.
Начало нового этапа исследований по иммунитету растений к вредителям относится к 60 годам прошлого столетия, когда по инициативе выдающегося энтомолога профессора И.Д.Шапиро была организована специальная лаборатория, руководителем которой он был долгие годы. В настоящее время эта лаборатория представляет собой единственный в РФ специализированный центр, занимающийся как фундаментальными, так и прикладными разработками в области иммунитета растений к вредителям.
В качестве основной задачи изначально ставилось решение проблемы методического обеспечения конструирования устойчивых к биотрофам форм сельскохозяйственных культур и разработки стратегии их использования в качестве важнейшего фактора обеспечения стабильности функционирования агроэкоси-стем. Основным методологическим принципом исследования факторов устойчивости семенных растений к членистоногим вредителям, проводимых в ВИЗР, является широкое применение положений
Общей теории систем, фундаментальных разработок общей иммунологии и парази-тоценологии, эволюционно-исторического и онтогенетического подходов.
Накопленные к настоящему времени сведения о проявлении устойчивости организмов разных таксономических групп к повреждающему воздействию биотических и абиотических факторов свидетельствуют, что иммунитет разнообразен по своему происхождению, механизмам, но имеет общебиологическое значение и общие для всех организмов функции.
С эволюционных позиций иммунитет рассматривается в качестве механизма защиты структуры и функционирования как индивидуализированных систем, то есть видов, так и многокомпонентных биологических сообществ. Выступая в качестве важнейшего механизма стабильности сосуществования организмов в цепях питания, иммунитет тем самым обеспечивает устойчивость функционирования экологических систем. Арсенал защитных механизмов того или иного биологического вида, в т.ч. и растений, определяется его структурно-
функциональной организацией и местом в эволюционной иерархии видов (Галактионов, 1975; Петров, 1978; Вилкова, 1980; Румянцев, 1984; Вилкова, Фасула-ти, 2001; Вилкова и др., 2004,2005; Пав-люшин и др., 2008). Согласно общим положениям иммунологии иммунитет того или иного вида проявляется только в процессе взаимодействия между членами специфических экологических систем, выступая в форме взаимодействия фенотипов. В связи с этим, с учетом специфики организации членистоногих и сложности их взаимосвязей с кормовыми растениями, исследования иммунологических механизмов растений строились на анализе генотипических свойств вегетативных и репродуктивных органов, выполняющих барьерную функцию при освоении вредителями растений как среды обитания, так и источника питания.
Исследования проводились и ведутся в настоящее время на широком наборе сельскохозяйственных культур и их внутривидовых форм (сортов, линий,
Вестник защиты растений, ,3, 2010 гибридов), среди которых - виды семейства мятликовых (пшеница, ячмень, овес, кукуруза), пасленовых (картофель, томат, баклажан, перец), крестоцветных (капуста, редис, брюква, редька), тыквенных (огурец), зонтичных (морковь), а также пищевых и технических культур (хлопчатник, рапс, сорго) и других групп покрытосеменных (Asteridae) и голосеменных растений (Cycas).
В результате выполненных ВИЗР исследований экологических, этологиче-ских, физиолого-биохимических и моле-кулярно-генетических взаимодействий в биологических системах, включающих растение-продуцент и консументы различных порядков и таксономической принадлежности, были научно обоснованы представления об основных иммуно-генетических механизмах растений. Проведена классификация явлений устойчивости семенных растений к фитофагам и построена их иммуногенетическая система (Вилкова, 1980,1988). Она включает конституциональный и индуцированный иммунитет (табл. 1).
Таблица 1. Система иммуногенетических барьеров цветковых растений (Вилкова, 1980)
КОНСТИТУЦИОНАЛЬНЫЕ БАРЬЕРЫ вегетативных и репродуктивных органов ИНДУЦИРОВАННЫЕ БАРЬЕРЫ вегетативных и репродуктивных органов
Атрептический (отличия в структуре основных биополимеров пищи) Некротический (отмирание клеточных комплексов тканей и органов)
Морфологический (отличия в структуре тканей и органов) Галлогенетический и тератогенетический (формирование галлов и терат)
Ростовой (отличия процессов роста)
Физиологический (отличия физиологических процессов и обмена веществ) Репарационный (процессы заместительного возобновления органов)
Органогенетический (различия в процессах дифференциации клеток и тканей) Оксидативный (процессы окисления продуктов обмена веществ)
Ингибиторный (проявление ингибирующего эффекта у конституциональных соединений)
Показано, что основу иммуногенети-ческой системы семенных растений со-
Вестник защиты растений, ,3, 2010 ставляет неспецифический конституциональный иммунитет, механизмы которого сформировались и совершенствовались в процессе сопряженной эволюции растений не столько с отдельными видами, сколько с экологически-
ми комплексами биотрофов в системе ценозов. Онтогенетическая модификация конституциональных свойств в ответ на повреждающее действие различных факторов составляет индуцированный иммунитет.
Таблица 2. Элементы концептуальной модели сорта пшеницы _с групповой устойчивостью к вредителям_
Барьеры иммуногенетиче-ской системы Механизмы и параметры иммунологических барьеров Вредные организмы
Особенности специфики роста и развития растений
Ростовой (скорость роста вегетативных органов и корневой системы). Оганогенетический (интенсивность органообразова-тельных процессов в онтогенезе) Ускоренные темпы роста и формирования надземных и подземных органов побегов. Ускоренное прохождение сопряженных с видами вредителей этапов органогенеза растений злаковые мухи злаковые мухи, хлебные клопы, злаковые тли, пшеничный трипс, красногрудая пьявица, стеблевые пилильщики
Особенности архитектоники растения, структуры его органов, тканей и клеток
Морфологический (архитектоника, макро- и микроструктуры растений) Ксерофитный тип листа; Лист узкий с плотным расположением жилок; Слабо развитый восковой налет; высокая степень опушенности (более 50 волосков на 1 мм2); Включения кремния в клетках эпидермиса листа (2-3 слоя и более); Плотное расположение проводящих пучков в мезофилле (> 2 пучков на 1 мм2); Сильное развитие склеренхимы в проводящих пучках; Стебель с диаметром междоузлий 2.5-3 мм; Выполненность стебля паренхимой (индекс 15 ед.); Сильное развитие механических элементов в паренхиме стебля; Колос плотный, остистый; Колосковые чешуи густоопушенные; Плотное прилегание цветковых чешуй к зерновке; Плотная структура оболочек зерновки (37-42 мкм); Эндосперм с высоким (более 50%) содержанием крупных крахмальных зерен с диаметром более 15 мкм красногрудая пьявица злаковые мухи, злаковые тли, красногрудая пьявица красногрудая пьявица злаковые мухи, злаковые тли, красногрудая пьявица красногрудая пьявица, злаковые мухи красногрудая пьявица, злаковые мухи злаковые мухи, злаковые тли, красногрудая пьявица стеблевые пилильщики стеблевые пилильщики, гессенская муха злаковые мухи, злаковые тли, пилильщики злаковые тли, пшеничный трипс, зерновая совка, фузариоз колоса зерновая совка хлебные клопы хлебные клопы, фузариоз колоса, пшеничный трипс хлебные клопы, жук-кузька, фузариоз колоса, энзимо-микозное истощение семян (ЭМИС)
Физиолого-биохимические особенности растений
Атрептический (особенности молекулярных структур основных биополимеров, синтезируемых растениями) Низкая степень стереохимического соответствия гидролаз потребителя молекулярным структурам пищи); Низкий уровень атакуемости биополимеров пищи гидролазами потребителя злаковые мухи, хлебные клопы, жук-кузька, злаковые тли, пшеничный трипс, красногрудая пья-вица, стеблевые пилильщики, зерновая совка, фу-зариоз колоса, ЭМИС
Физиологический (уровень содержания физиологически активных веществ в растениях) Повышенный уровень содержания полифенолов (МБОА, гидроксамовой кислоты и др. ФАВ) в тканях растений на ранних этапах органогенеза (П-УШ); Низкий уровень содержания низкомолекулярных нутриногенов в тканях растений злаковые мухи, злаковые тли, красногрудая пьявица, стеблевые пилильщики злаковые тли
Ингибиторный (наличие конституциональных белков-ингибиторов) Особенности компонентного состава, структуры и количества ингибиторов гидролаз вредных организмов хлебные клопы
Защитно-восстановительные реакции растений в ответ на повреждение вредными организмами
Репарационный (особенности восстановительных процессов в растениях при их повреждении) Особенности патогенеза и уровень патологической реактивности растений на повреждения; Специфика процессов восстановления клеточных, тканевых структур и органов растений злаковые мухи, злаковые тли, красногрудая пьявица
Ингибиторный (накопление в растениях индуцируемых ингибиторов) Специфические особенности компонентного состава и структуры ингибиторов насекомые, микроорганизмы, фитопатогенные грибы и др.
В настоящее время иммунологи рассматривают конституциональный иммунитет как универсальную систему механизмов, защищающую любой организм от экстремальных экологических воздействий, в т.ч. и от повреждающего воздействия вредных организмов.
В результате углубленного анализа механизмов конституционального и индуцированного иммунитета и их функционирования у семенных растений лабораторией обоснована концепция групповой и комплексной устойчивости сель-
скохозяйственных культур к биотрофам; разработана методология выявления устойчивых форм растений по фенотипу (рега). На основе качественных и количественных параметров групповой и комплексной устойчивости определена система признаков для скрининга устойчивых форм растений и построения их концептуальных моделей. В результате разработаны 7 моделей устойчивых к биотрофам сортов различных сельскохозяйственных культур, что показано на примерах пшеницы (табл. 2) и картофеля (табл. 3).
Таблица 3. Элементы концептуальной модели сорта картофеля _грызущим вредителям (Вилкова и др.,
с групповой устойчивостью к 2004)_
Признаки (механизмы) устойчивости генотипов картофеля к колорадскому жуку
Иммуногенетические барьеры
Примеры устойчивых форм и признаки устойчивости (по номерам левого списка)
1. Куст мощный, многостебельный, сильно облиственный.
2. Толщина листовой пластинки 400 мкм и более.
3. Механическая прочность тканей листа более 12 г на 1 мм2
4. Густое железистое опушение с преобладанием трихом В-типа
(имеется только у некоторых дикорастущих видов).
5. Большое число глазков клубня и их одновременное прорастание.
6. Ускоренное формирование надземных частей в период от появления всходов до цветения.
Морфологический
Органогенетический
Арина: 5,6,7,8,10 Астра: 2,3,8,9,10 Гатчинский: 1,2,5,6,12 Зарево: 1,3,5,6,8,9,10,11,12 Зов: 2,3,6,7,8,9,11 Искра: 1,5,6,7,8,10,12 Лиза: 1,2,5,6,8,9,10,12 Полет: 1,5,6,7,12 Раменский: 1,6,8,9,10,11,12 Сантэ: 1,5,6,7,8,9,10 Светлячок: 5,6,7,8,9,11
Свитанок киевский: 1,5,6,8,9,10,11,12 Сотка: 1,8,9,10,12
«
«
«
«
7. Скороспелость или короткий период между цветением и отмиранием ботвы.
8. Низкая атакуемость основных биополимеров растения гидролазами насекомого.
9. Наличие белков - ингибиторов гидро-лаз насекомого.
10. Наличие видоспецифичных гликоал-калоидов и (или) других физиологически активных веществ со свойствами репеллентов, детергентов или токсинов, а также продуктов их окисления.
11. Некроз тканей листьев под кладками яиц жуков.
12. Интенсивная и ускоренная регенерация листового аппарата._
Атрептический
Ингибиторный
Физиологический и ок-сидативный
Некротический Репарационный
Столовый 19: 2,3,8,9,10,11 Темп: 1,2,3,6,12 Большинство устойчивых дикорастущих видов: 8,9,10 Опушенные виды -S. ЬегШаиНп, S. polyadenium, S. tarijense, S. ро1уШсЬоп, S. neocardenasii, S. caripense и др.: 4,8,9,10
Петербургский, Ли-га,Добрына,Рябинушка Темп, Зарево, Искра, Лиза, Полет, Сотка
«
Установлено, что наибольшее значение в качестве предикторов групповой и комплексной устойчивости растений имеют механизмы морфологического, физиологического, ростового, атрептиче-ского и ингибиторного барьеров.
Исследования особенностей пищевого поведения, процессов питания и пищеварения у более чем 50 видов фитофагов, относящихся к разным таксономическим группам, позволили заключить, что центральным механизмом становления разных категорий пищевой специфичности фитофагов (гостальной, субгостальной, топической, онтогенетической) служит специфика энзиматического спектра пищеварительной системы и способов переваривания нативных пищевых продуктов, то есть организация пищеваритель-но-транспортного конвейера (Вилкова, 1980). При этом показано, что адаптивные свойства в строении и функционировании пищеварительной системы фитофагов формировались как механизмы преодоления иммуногенетических барьеров кормовых растений при поисках пищи и ее потреблении, и, в частности, таких эволюционно древних механизмов, как атрептический и ингибиторный барьеры.
В результате этого цикла исследований были разработаны и опубликованы 24 методики выявления устойчивых к вредителям форм растений, на которые получено 16 авторских свидетельств и 7 патентов. С помощью этих методик проводится иммунологический анализ воз-
делываемых сортов, селекционных и коллекционных образцов растений для их паспортизации. Выявленные устойчивые формы растений (более 1100) предлагаются в качестве источников устойчивости в селекционных программах, для разработки и совершенствования экологически безопасных систем и технологий защиты растений применительно к различным агроклиматическим зонам и условиям землепользования. Многие методические разработки использованы селекционерами при создании устойчивых сортов ряда культур.
Методические разработки лаборатории энтомологии и иммунитета растений к вредителям селекционерами использованы при создании:
- сортов пшеницы, устойчивых к стеблевым хлебным пилильщикам: При-кумская 22, Прикумская 35, Прикумская 38, Прикумская 42 (селекционер Г.И.Петров), Кинельская 30, Кинельская 40, Самарская, Заречная (селекционер Н.И.Глуховцева);
- сортов и гибридов капусты с групповой и комплексной устойчивостью к вредителям и возбудителям заболеваний: Серпейка, Амагер зимний и др. (селекционеры Б.В.Квасников, В.А.Твердо-хлебов);
- сортов моркови, устойчивых к морковной мухе и морковной листоблошке: Каллисто, Альтаир и др. (селекционер Н.И. Житкова);
-7 линий огурца с комплексной устойчивостью к паутинному клещу и основ-
ным возбудителям заболеваний (селекционер О.В.Юрина).
Сотрудники лаборатории являются соавторами 4 гибридов кукурузы с комплексной устойчивостью к вредным организмам: Коллективный 167 СВ, Коллективный 181 СВ, ЧКГ 280 М, ТОСС 230 СВ (Программа ТОС "СЕВЕР").
На современном этапе сформировались два основных подхода к созданию устойчивых сортов - традиционный, базирующийся на естественных защитных механизмах, и новый, дополняемый достижениями биохимии, генетики и молекулярной биологии. Следует отметить, что между данными подходами нет принципиальных отличий, однако последний подразумевает более целенаправленное использование природных механизмов, основанное на знании важных особенностей процессов, происходящих в системе «растение-насекомое». В качестве иллюстрации можно привести результаты цикла работ по изучению ряда аспектов атрептического и ингиби-торного барьеров, выполненных в сотрудничестве специалистами ВИЗР и Ротамстедской исследовательской станции (Великобритания). Эволюционно древний атрептический барьер обусловлен специфическими структурными особенностями молекул основных питательных веществ, в частности белков, углеводов и липидов, влияющими на их доступность для гидролиза пищеварительными ферментами фитофагов (Вилкова, 1980). Кроме того, во всем мире возрастает интерес к ингибиторам протеиназ и амилаз как факторам устойчивости растений к вредителям и болезням. Преимуществом ингибиторов перед, например, бактериальными токсинами, уже используемыми при создании устойчивых к вредителям сортов растений, является то, что это характерные для растений белки. Еще более важно, что ингибиторы, увеличивая затраты вредителем энергетических и пластических ресурсов на усвоение пищи, замедляют его развитие, снижают плодовитость и, в целом, ослабляют его, повышая тем самым эффективность других мер защиты, но, как
Вестник защиты растений, ,3, 2010 правило, в отличие от токсинов, не индуцируют адаптивное формообразование и появление резистентных форм (Michaud, 2000). Скрининг сотен видов цветковых и голосеменных растений позволил выявить ряд новых типов белков-ингибиторов пищеварительных ферментов фитофагов, перспективных для использования при создании форм растений, устойчивых к вредным организмам и вносящих вклад в понимание эволюции защитных белков. Среди них - уникальный низкомолекулярный циклический ингибитор трипсина из семян подсолнечника ^искеИ е! а1., 1999; Konarev е! а1., 2000), ингибитор трипсина из семян вероники с необычной для ингибиторов двуспиральной структурой (Konarev е! а1., 2004; Соппеге е! а1., 2007), а также новый ингибитор протеиназ из древнейшего голосеменного растения - цикаса (Cycas) (Konarev е! а1., 2008). Мишенью для ингибиторов, сконструированных на их основе, может стать, помимо пищеварительных ферментов других насекомых, протеиназа слюнных желез черепашки, ответственная за разрушение запасных белков зерна пшеницы и ухудшение хлебопекарных качеств муки. Ее особенностью является высокая специфичность к белкам клейковины пшеницы и нечувствительность к известным белковым ингибиторам, что является результатом коэволюции.
Сделать протеиназу чувствительной к ингибитору можно, придав его реактивному центру структуру, имитирующую природный белковый субстрат протеина-зы. Для протеиназы слюнных желез вредной черепашки таким субстратом являются высокомолекулярные субъединицы глютенина. Известно, что их полипептидные цепи состоят из N и С-концевых доменов, содержащих остатки цистеина, участвующие в образовании трехмерной структуры клейковины за счет дисульфидных связей с низкомолекулярными глютенинами, а также длинного участка, состоящего из многократно повторяющихся три-, гекса и нонапепти-дов с относительно консервативными последовательностями (Shewry е! а1., 2003).
Для того чтобы точнее определить субстратную специфичность протеиназы вредной черепашки и механизмы ее пониженной чувствительности к известным ингибиторам из растений, мы выделили и очистили данный фермент, а также определили его структуру, используя молекулярно-биологические подходы (рис. 1).
СЛЮННЫЕ ЖЕЛЕЗЫ
I
иРНК
I
кДНК
I
Амплификация <-
Клонирование
I
Полная аминокислотная последовательность
Компьютерная ЗЭ-модель протеиназы
ПОВРЕЖДЕННОЕ ЗЕРНО 1
Выделение протеиназы
Частичное секвенирование 1
Конструирование праимеров
Определение субстратной специфичности 1
/
—► Моделирование взаимодействия протеиназы с белками клейковины и ингибиторами
/ -О-
Выяснение механизмов субстратной Конструирование эффективных специфичности протеиназы ингибиторов
£
Создание устойчивых форм пшеницы
Рис. 1. Схема исследований протеиназы вредной черепашки, гидролизующей белки клейковины пшеницы, и их возможные перспективы ( -0- ) (Когш^ е! а1., 2010)
Рис. 2. Упрощенная модель высокомолекулярной субъединицы глютенина пшеницы с указанием расположения пептидных связей, гидролизуемых протеиназами слюнных желез вредной черепашки (Konarev et al., 2010) и клопа Nysius huttoni (Every et al., 2005)
В ходе наших исследований было установлено, что протеиназа вредной черепашки гидролизует, в первую очередь, пептидные связи между гекса- и нона-пептидами глютенина (Konarev et al., 2010), что отличает ее от протеиназы слюнных желез новозеландского клопа Nysius hittoni White, специфичной к пептидным связям в середине гексапептидов (Every et al., 2005). Выявленные отличия
(рис. 2) указывают, в частности, на то, что в процессе коэволюции с кормовым растением пищевая адаптация указанных видов клопов на молекулярном уровне (на уровне пищеварительных ферментов насекомых и белков пшеницы) шла разными путями, в результате чего атрептические барьеры растения к каждому из этих вредителей могут иметь свою специфику. Эти результаты могут способствовать созданию форм пшеницы с клейковиной, устойчивой к действию протеиназы черепашки за счет корректировки структуры запасных белков, что можно будет сделать как традиционными, так и биотехнологическими методами.
Другой возможный путь ограничения деструктивного воздействия протеиназы черепашки - использование специфичных к ней белковых ингибиторов. Для конструирования подобных ингибиторов необходимо знание пространственной структуры самого фермента. Определение полной аминокислотной последовательности протеиназы черепашки позволило построить ее трехмерную компьютерную модель, а также определить параметры взаимодействия активного центра фермента с разнообразными субстратами и ингибиторами. Следующим этапом должно стать конструирование реактивного центра ингибитора, структурно соответствующего протеиназе черепашки, на основе известных ингибиторов, включая найденных нами, а также выбор из них оптимального варианта. О принципиальной возможности таких работ свидетельствует тот факт, что обнаруженный нами у подсолнечника циклический ингибитор трипсина уже используется как основа для разработки противораковых препаратов в медицине именно как ингибитор протеиназ, сопутствующих опухолеобразованию (Swedberg е! а1., 2009). Кроме того, протеиназа черепашки может оказаться полезной для специальной обработки изделий из муки пшеницы для питания больных целиаки-ей, страдающих от повышенной чувствительности к определенным белкам клейковины. Одним из таких факторов, вы-
зывающих целиакию, являются фрагменты глютенина, которые могут быть предварительно специфично гидролизо-ваны данным ферментом для снижения их негативного воздействия на больных.
Приведенные примеры демонстрируют перспективные пути практического применения атрептического и ингибитор-ного барьеров для создания устойчивых к вредной черепашке и другим вредным организмам форм растений с использованием как традиционных, так и биотехнологических подходов. Кроме того, результаты наших исследований протеина-зы черепашки могут представлять интерес для биотехнологической промышленности и медицины.
Среди основных направлений современного этапа развития фитоиммуноло-гии следует особо выделить проблему экологического изучения закономерностей функционирования иммуногенети-ческой системы растений в разных типах агробиоценозов. Необходимость развития исследований биоценотических функций иммунитета растений диктуется прежде всего задачами рационального и эффективного использования иммунологических разработок в конкретных условиях агробиоценозов. Эти задачи приобрели особую актуальность в последние десятилетия в связи с резким усилением антропогенных воздействий на экосистемы, приводящих к глубокой структурно-функциональной трансформации биологических сообществ. Об этом свидетельствуют накопленные к настоящему времени сведения о различных формах изменения динамических процессов, протекающих в экосистемах различного типа (Вилкова и др., 2000,2001,2002,2003; Пав-люшин и др., 2008,2009,2010).
Проведенные в этом плане исследования на примерах разных типов агробио-ценозов выявили полифункциональность иммуногенетической системы семенных растений. В частности, установлено, что иммунитет растений-продуцентов определяет в агроэкосистемах:
- качественные и количественные показатели потоков вещества и энергии по цепям питания;
- специфику коммуникационных взаимосвязей членов сообществ, участвуя в формировании "сигнального поля" агробиоценозов;
- пространственно-хорологическую структуру консорций различных типов и их функционирование;
- популяционно-динамическую реактивность биотрофов, характер процессов диверсификации и дивергенции их популяций, в т.ч. направленность и темпы адаптивной микроэволюции.
Селекционные преобразования сельскохозяйственных культур, сформировавшие специфику иммуногенетической системы их внутривидовых форм (сортов, гибридов, линий), предопределили и типы реакций отклика биотрофных компонентов агробиоценоза на воздействие выращиваемых растений.
Исследования показали, что вводимые в производство генотипы сельскохозяйственных культур являются индукторами различных форм адаптациогенеза консументов в агробиоценозах. Так, характер и тип реактивности фитофагов определяются представленностью в иммунной системе кормовых растений тех или иных механизмов. Нами выявлены и описаны два типа реактивности консу-ментов и идентифицированы механизмы иммуногенетической системы растений, определяющие физиологические и попу-ляционно-динамические процессы у био-трофов (табл. 4,5).
В результате действие, например, механизмов атрептического и ингибиторно-го барьеров, проявляющееся в низкой атакуемости основных биополимеров кормовых растений (белков, углеводов, липидов) ферментами потребителей или при их ингибировании, сопровождается у фитофагов понижением уровня обмена веществ, в т.ч. активности ферментов аэробного и анаэробного обмена (рис. 3), повышением энергозатрат на пищедобы-вающую и пищеварительную деятельность, низким КПД усвоения пищи. Все это в целом характеризуется как "синдром неполного голодания" и вызывает снижение биотического потенциала членистоногих.
Таблица 4. Типы реакций отклика консументов на воздействие барьеров иммуногенетической системы растений
Индукторы адаптивных процессов у консументов Воздействие на генотипические формы консументов Преобладающая форма адаптациогенеза консументов Биоценотические последствия
Первый тип реактивности: преимущественное проявление на индивидуальном уровне Преобладающая форма отбора - стабилизирующая
Механизмы атрептиче-ского, морфологического, ростового, органогенети-ческого, ингибиторного барьеров иммуногенетической системы растений-продуцентов
Неизбирательное
Модификационная адаптивность: компенсаторно-приспособительные реакции в пределах широты норм реагирования особей любых генотипи-ческих форм в популяциях консументов
Сохранение плавных и замедленных процессов микроэволюции (без изменений их вектора) в популяциях консументов; сохранение биоразнообразия и структурно-функциональной це-лостености агробио-ценоза_
Второй тип реактивности: преимущественное проявление на популяционном и биоценотиче-_ском уровнях. Преобладающая форма отбора - движущая_
Механизмы физиологического и оксидативного барьеров растений (высокие концентрации ФАВ вторичного обмена); индукторы устойчивости растений; пестициды; бактериальные токсины ВТ-трансгенных форм растений_
Избирательное (селективное)
Формообразовательная адаптивность: смена вектора и ускорение процессов микроэволюции с изменением генетической структуры и популяцион-ных норм реакций консу-ментов (развитие резистентности к ФАВ)
Смена вектора и ускорение процессов микроэволюции у всех видов консумен-тов; обеднение биоразнообразия и структурно-функциональная дезинтеграция агро-биоценоза_
Таблица 5. Реакции фитофагов на воздействие некоторых защитных механизмов _растений_
Антифидантные факторы:
- снижение доступности белков и углеводов для гидролиза,
- низкая атакуемость
биополимеров, -ингибирование пищеварительных ферментов,
-разрушение незаменимых компонентов пищи,
I
синдром неполного голодания
I
сохранение структуры популяции, снижение вредоносности
Токсические факторы: - повреждение структур кишечника,
- нарушение проницаемости клеточных
мембран,
- нарушение метабо-
лизма
I
высокая летальность
I
ускоренная микроэволюция с отбором резистентных форм фитофагов
I
снижение эффективности защитных факторов
Первый тип реактивности проявляется у фитофагов наиболее полно на моле-кулярно-генетическом и организменном
уровнях, мало ный уровень.
затрагивая популяцион-
Н
Цит У
Кат
Н
У
II III IV
Периоды онтогенеза
Рис. 3. Динамика активности окислительно-восстановительных ферментов (усл. ед.) в онтогенезе вредной черепашки при питании на разных по устойчивости генотипах пшеницы Н- неустойчивый сорт Безостая 1, У- устойчивый сорт Украинка, Цит-цитохромоксидаза, Кат- каталаза, периоды онтогенеза вредной черепашки: 1- развитие личинок, II- нажировка, III- зимовка, IV- восстановительный период и питание-созревание, V- откладка яиц
Индуцируют этот тип реактивности в основном механизмы атрептического, морфологического, ростового, органогене-тического и ингибиторного барьеров. Действие их сказывается на обеспечении фитофагов жизненно необходимыми веществами и энергией. При этом развивающиеся у фитофагов онтогенетические адаптации к труднодоступной пище обычно недостаточны для обеспечения организма нутриногенами, адекватными уровню функционирования их физиологических систем.
Примером такого типа адаптациогене-за могут служить вредители колосовых злаков, в т.ч. такой экономически значимый для России объект, как клоп вредная черепашка.
Так, при питании на сортах пшеницы с низкой атакуемостью биополимеров зерновки гидролазами вредителя наблюдается снижение массы тела и плодовитости клопов, уменьшение содержания запасных веществ в жировом теле, высокая смертность особей. Примером различной атакуемости углеводного комплекса эндосперма зерновки пшеницы разных сортов гидролазами гетеротрофов агроценозах служат отличия мозаики эндосперма.
Однако на популяционном уровне при этом типе реактивности ни одна из внут-рипопуляционных генотипических форм фитофага не имеет селективных преимуществ перед другими. В итоге происходит неизбирательная элиминация особей с сохранением существующей структуры популяции фитофага, без ускорения и изменения направленности микроэволюционных процессов. Данный тип реактивности фитофагов носит в основном компенсаторно-приспособительный характер и все наблюдаемые биоценоти-ческие изменения происходят без изменения структуры сообщества при преобладании в экосистемах стабилизирующей формы естественного отбора, то есть по принципу когерентной эволюции, протекающей плавно и замедленно.
В то же время анализ генотипической структуры популяций вредной черепашки в Северо-Кавказском регионе РФ выявил происходящие в настоящее время изменения фенооблика и эпигенетического ландшафта популяций при развитии вредителя на разных сортах озимой пшеницы, подтверждаемые низкими значениями коэффициента генетического сходства популяций (табл. 6).
Таблица 6. Различия феногенетической структуры популяций вредной черепашки на посевах разных сортов озимой пшеницы в Ростовской области
Средние частоты встречаемости (% к общему числу особей)
Сорта Сальский район Егорлыкский район Азовский район Неклиновский район Зимовников-ский район
1 2 1 2 1 2 1 2 1 2
Дон 95 31.3 63.1 Зерноградка 9 40.1 47.1 Донской маяк 49.8 44.3 Донская безостая 36.8 55.9 Подарок Дона Донская юбилейная Набор сортов (ГСУ) 43.6 48.6 21.3 68.9 68.9 29.1 56.7 39.2 67.6 30.1 59.3 33.4 63.0 34.8 63.4 30.1 61.0 37.0 51.4 44.9
Это свидетельствует о возбуждении микроэволюционных процессов в популяциях вредителя, что, по-видимому, связано с суммарным селективным воздействием всего комплекса антропогенных факторов, включая широкое применение пестицидов.
Второй тип реактивности консументов проявляется в основном при воздействии на фитофагов физиологически активных веществ (ФАВ) - таких как вещества вторичного обмена растений, индукторы устойчивости растений, пестициды и трансгенные растения, экспрессирован-
Вестник защиты растений, 3, 2010 ные бактериальными токсинами. В этом случае каскад ответных реакций на разных уровнях организации биологическим систем представлен иными процессами. На уровне организма реактивность характеризуется резким дисбалансом в определенных ключевых этапах обменных процессов, искажением хода аэробного обмена, активизацией ферментов анаэробного обмена, таких как каталаза, по-лифенолоксидаза, эстеразы и т.д. Такие процессы сопровождаются развитием у потребителей стресс-реакций на воздействия экстремальных для вида условий существования, о чем можно судить по повышению уровня содержания в организме фитофагов биогенных аминов. Примером могут служить личинки колорадского жука, питающиеся листьями устойчивых сортов картофеля с повышенным содержанием альфатома-тина (рис. 4).
1.0 0.8 0. 6 0.4 0.2
1 2 3 4 А
1 2 3 4 Б
1 2 3 4 В
Рис. 4. Содержание альфа-томатина в листьях ряда сортов картофеля (А) и уровень белка (Б) и биогенных аминов (В) у личинок колорадского жука Неустойчивые сорта: 1- Невский, 2- Лорх; устойчивые сорта: 3- Раменский, 4 -Зарево
Развитие стресс-реакции свидетельствует о включении механизмов, повышающих сопротивляемость выживших особей к воздействию ФАВ и формирует новый уровень нормы физиологических реакций. Реакции отклика фитофагов на воздействие ФАВ, проявляются в основном на популяционном и биоценотиче-ском уровнях и приобретают характер
формообразовательной адаптивности у фитофагов, которая сопровождается необратимыми перестройками генотипиче-ской структуры их популяций, то есть проявляется в диверсификации и дивергенции популяций.
При этом в сообществах преобладает движущая форма естественного отбора. В результате происходит резкая элиминация численности особей одних генотипов и избирательное выживание других, имеющих селективное преимущество. Это ведет к перестройке генотипической структуры популяций консументов всех порядков, что часто обедняет биоразнообразие агробиоценозов, следствием чего является нарушение механизмов регуляции их стабильного функционирования. В этих условиях формообразовательные процессы у консументов часто принимают ярко выраженный характер некогерентной эволюции, темпы которой на 5-6 порядков выше темпов когерентной эволюции, так как она не ограничена прессом надпопуляционных систем, а определяется почти исключительно популяци-онно-динамическими механизмами.
Примеры ускоренного микроэволюционного формирования внутривидовых форм фитофагов преимущественно под воздействием ФАВ, содержащихся в кормовых растениях, представляют: колорадский жук, у которого методами фе-ногенетики выявлены практически все биотаксономические единицы, известные во внутривидовой систематике, а также хлопковая совка, гессенская муха, некоторые виды тлей и другие массовые вредители.
Еще более острая ситуация возникнет при совместном экзогенном и эндогенном воздействии ФАВ на популяции гетеро-трофов - при выращивании растений с высоким содержанием веществ вторичного обмена в сочетании с их обработкой пестицидами или индукторами устойчивости в процессе вегетации. В подобных случаях микроэволюционные преобразования популяций фитофагов еще более ускорятся и могут привести к появлению более агрессивных форм вредителей.
Таким образом, необходимо подчеркнуть, что при введении в систему защиты растений любого нового средства борьбы с вредными организмами, в тч. и устойчивых форм растений, следует учитывать вероятные отклики на них всей экосистемы, а не только отдельных ее компонентов.
Проведенные в ВИЗР исследования свидетельствуют о необходимости конструирования устойчивых к биотрофам генотипов сельскохозяйственных культур с учетом специфики биоценотических функций иммуногенетической системы растений. При этом в селекционных программах в числе параметров новых генотипов следует использовать маркеры не только хозяйственно-ценных свойств, но и признаков, не индуцирующих интенсивные процессы адаптациогенеза у био-трофов. Нуждается в научном обосновании и стратегия территориального размещения и ротации в севооборотах сортов сельскохозяйственных культур с различной генетической природой устой-
чивости к вредным организмам.
Очевидно, что стратегия защиты растений в целом должна базироваться на средствах и технологиях, способствующих усилению стабилизирующего отбора в популяциях вредных видов фауны и флоры и механизмов биоценотической регуляции их численности. Рекомендации по использованию новых методов и средств защиты растений должны быть основаны на результатах оценки экологического риска возможных негативных последствий их применения, а сами методы и средства защиты растений должны отвечать следующим требованиям:
- сохранение биоразнообразия и биохорологической структуры ценоза;
- отсутствие селективности действия на генотипические формы вредных видов;
- сдерживание процессов адаптивной микроэволюции в популяциях гетеротрофов.
Эти представления и должны быть положены в основу экотоксикологическо-го мониторинга с четко разработанной системой предикторов.
Литература
Вавилов Н.И. Иммунитет растений к инфекционным заболеваниям// Изв. Петровской с.-х. академии, 1919, 1-4, 1,487 с.
Вавилов Н.И. Избранные сочинения // М., 1966, 559 с.
Вилкова Н.А Физиологические основы теории устойчивости растений к насекомым. Автореф. докт. дисс., Л., 1980, 48 с.
Вилкова H.A. Анализ взаимосвязей насекомых фитофагов и их кормовых растений в целях оптимизации мероприятия по защите растений. Разработка интегрированных методов защиты растений // Материалы симпозиума по теме СЭВ Ш. 1. 5. и МОББ. Мале Возаны, ЧССР,1988, с. 159-175.
Вилкова Н.А, Иващенко Л.С. Механизмы устойчивости пасленовых культур к вредителям и их функциональное значение в регуляции жизнедеятельности колорадского жука // Современные системы защиты и новые направления в повышении устойчивости картофеля к колорадскому жуку. М., Центр "Биоинженерия" РАН, 2000, 1, с.25-35.
Вилкова H.A., Сухорученко Г.И., Фасулати С.Р. Устойчивые сорта и средства защиты растений как индукторы микроэволюционных процессов у насекомых-фитофагов // Информ. бюлл. ВПРС МОББ, 2002, 32, с. 194-204.
Вилкова H.A., Сухорученко Г.И., Фасулати С.Р. Антропогенные факторы микроэволюции насекомых-фитофагов в агробиоценозах, включая трансгенные сорта картофеля // Трансгенные растения - новое направление в биологической защите растений. Мат. Межд. научно-практ. конф. Краснодар, 2003, с.170-179.
Вилкова Н.А., Сухорученко Г.И., Фасулати С.Р. Стратегия защиты сельскохозяйственных растений от адвентивных видов насекомых-фитофагов на примере колорадского жука Leptinotarsa decemlineata Say (Coleóptera, Chrysomelidae) // Вестник защиты растений. СПб, 2005, 3, с.3-15.
Вилкова Н.А., Фасулати С.Р. Изменчивость и адаптивная микроэволюция насекомых-фитофагов в агробиоценозах в связи с иммуногенетическими свойствами кормовых растений // Труды РЭО, СПб, Наука, 2001, 72, с. 107-129.
Вилкова Н.А., Фасулати С.Р., Кандыбин Н.В., Коваль А.Г. Биоэкологические факторы экспансии колорадского жука. // Защита и карантин растений, 2001, 1, с. 19-23.
Вилкова Н.А., Нефедова Л.И., Асякин Б.Л., Фасулати С.Р., Конарев Ал.В., Юсупов Т.М. Научно обоснованные параметры конструирования устойчивых к вредителям сортов сельскохозяйственных культур. СПб, ВИЗР, 2004, 76 с.
Вилкова Н.А., Нефедова Л.И., Асякин Б.Л., Фасулати С.Р., Конарев Ал.В., Юсупов Т.М. Научно обоснованные параметры конструирования устойчивых к вредителям сортов сельскохозяйственных культур. РАСХН, 2005,75 с.
Галактионов В.Г. Естественная история иммунитета. Природа, 1975, 12, с. 20-29.
Конарев Ал.В., Вилкова Н.А., Lovegrove A., Marsh J., Shewry Р. Протеиназы вредных организмов и их ингибиторы в изучении иммунитета растений // 2-е Всероссийское совещание «Соврем, проблемы иммунитета растений к вредным организмам». СПб, ВИЗР, 2008, с. 213-216.
Павлюшин В.А., Вилкова Н.А., Сухорученко Г.И., Нефедова Л.И. Вредная черепашка: распространение, вредоносность, методы контроля // Защита и карантин растений, 2010, 1, с.54 (2)-83 (32).
Павлюшин В.А., Сухорученко Г.И., Фасулати С.Р., Вилкова Н.А. Колорадский жук: распространение, экологическая пластичность, вредоносность, методы контроля // Защита и карантин растений, 2009, 3, с.1(69-)-32(100).
Павлюшин В.А., Фасулати С.Р., Вилкова Н.А., Сухорученко Г.И., Нефедова Л.И. Антропогенная трансформация агроэкосистем и ее фитосанитарные последствия. СПб, ВИЗР, 2008, 120 с.
Петров Р.В. Беседы о новой иммунологии. М., Молодая гвардия, 1978, 224 с.
Румянцев С.Н. Микробы, эволюция, иммунитет. Наука, 1984; 171 с.
Every D., Sutton К.Н., Shewry P.R., Tatham A.S., Coolbear Т. Specificity of action of an insect proteinasepurified from wheat grain infested by the NewZealand wheat bug, Nysius huttoni // Journal of Cereal
Science, 2005,42, p. 185-191.
Konarev A.V., Lovegrove A., Beaudoin F., Marsh J., Vilkova N.A., Nefedova L.I., Sivri Ozay D., 2010.
Koksel H., Shewry P.R. Characterisation of a novel glutenin-specific proteinase of Sunn pest Eurygaster integriceps Put. responsible for wheat gluten degradation. 8 International Wheat Congress, St.Petersburg, 1-4 June, 2010.
Michaud D. Protease/inhibitor interactions in plant-pest systems // D.Michaud ed. Recombinant Protease Inhibitors in Plants. Eurekah.com, Georgetown, TX, 2000, p. 1-8.
Shewry PR, Halford NG, Tatham AS, Popineau Y, Lafiandra D, Belton PS. The high molecular weight subunits of wheat glutenin and their role in determining wheat processing properties // Adv Food Nutr Res, 2003, 45, p. 219-302.
Swedberg J.E., Nigon L.V., Reid J.C., de Veer S.J., Walpole C.M., Stephens C.R., Walsh T.P., Takayama T.K., Hooper J.D., Clements J.A., Buckle A.M., Harris J.M. Substrate-guided design of a potent and selective kallikrein-related peptidase inhibitor for kallikrein 4 // Chemistry and Biology 2009, 16, p. 633-643.
MODERN PROBLEMS OF PLANT IMMUNITY TO PESTS N.A.Vilkova, A.V.Konarev
Fundamental questions of formation and development of plant immunity to pests are discussed. Directions of designing forms of agricultural crops resistant to biotrophs are shown with use of traditional and biotechnological approaches on the basis of studying the structural and functional organization of immunogenetic system of flowering plants and its mechanisms. Strategy of the crop use is developed as the crops are the major stability factor of sustainable agroecosystems.
The problem of ecological studying of biocenotic immunity functions in concrete conditions of agrobiocenoses is especially allocated. Two types of consumer responsiveness are revealed and described, and mechanisms of immunogenetic system of the plants, defining physiological and population-dynamic processes in biotrophs are identified.
Keywords: immunity, immunogenetic system, inhibitory barrier, immunogenetic mechanisms, group stability, complex stability, ingibitory proteins, agrobiocenosis, microevolution, metabolism, genotype, physiologically active material.
Н.А.Вилкова, профессор, [email protected] А.В.Конарев, д.б.н., [email protected]
