Иммунитет растений отличия от животных: ИММУНИТЕТ РАСТЕНИЙ: МОЖНО ЛИ ЕГО ПОВЫСИТЬ?

ИММУНИТЕТ РАСТЕНИЙ: МОЖНО ЛИ ЕГО ПОВЫСИТЬ?

Анатолий Таракановский

В качестве общей защиты растения, конечно же, обладают врожденной иммунной системой, у которой есть два механизма защиты. Первый (внешний) механизм иммунной системы запускается, когда рецепторы на поверхности растительных клеток распознают определенные молекулярные структуры патогенов, таких как вирусы, бактерии и грибы. Активация приводит к образованию вредных форм кислорода (что-то похожее на озон), которые могут ограничить рост патогена. Так, например, проявляется физиологическая пятнистость листьев на ячмене. Патоген, который преодолевает эту первую линию защиты, выделяет молекулы в клетки растения, которые распознаются уже внутренними рецепторами растения. Они запускают второй (внутренний) иммунный механизм, который при активации должен привести к разрушению инфицированных клеток.

Иммунная система растений имеет сходство с врожденной иммунной системой животных, но, поскольку растениям не хватает адаптивной иммунной системы, они полагаются исключительно на врожденный иммунитет для распознавания микробных патогенов и вредителей. Концептуально иммунитет растений можно разделить на клеточный поверхностный и внутриклеточный иммунитет.

Механизмы формирования фитобиомов с многочисленными вирусами, грибами и насекомыми сложны и еще плохо оценены на популяционном, организменном, клеточном и молекулярном уровнях. Эти механизмы связаны, с одной стороны, с активностью иммунной системы хозяина, а с другой — с системой вирулентности патогена. Недавние исследования показали, что, несмотря на отсутствие специфических антител, клеток-убийц и фагоцитарных процессов (в отличие от животных и человека), растения обладают многомерной и эффективной врожденной иммунной системой.

Особый интерес представляют соединения, непосредственно участвующие в защитных реакциях, и механизмы регуляции их синтеза с участием сигнальных молекул (в том числе фитогормонов). Комплекс защитных реакций растений включает физические и химические барьеры, которые могут быть постоянными или индуцируемыми в ответ на инфекцию.

Многие вопросы связаны с проблемой практического использования различных естественных регуляторных механизмов фитоиммунитета. Особый интерес представляют данные о инициировании защитных реакций растений против патогенов и насекомых-вредителей с использованием различных индукторов (например, эндофитов, эндосимбионтов). Хорошо известно, что некоторые штаммы эндофитных бактерий с высоким мутуалистическим потенциалом могут участвовать в развитии фенотипа хозяина, а комплекс растения-хозяина и его эндофитных мутуалистов представляет собой многоуровневую систему защиты, которая может быть более эффективной против фитопатогенов и насекомых, чем само растение-хозяин.

В сельском хозяйстве болезни растений в значительной степени контролируются химическими веществами, но в долгосрочной перспективе это неприемлемо из-за экологических проблем и необходимости переосмысления методов ведения сельского хозяйства в целом в свете чрезвычайной ситуации с изменением климата. Генетические формы устойчивости к болезням открывают потенциал для экологически чистого и устойчивого сельского хозяйства.

Иммунные рецепторы на поверхности клеток обнаруживают признаки патогенов или вредителей и инициируют клеточные реакции для противодействия инфекции через свои внутриклеточные механизмы. Множество иммунных рецепторов на поверхности листьев воспринимает поврежденное “я” как суррогат присутствия патогенов или вредителей. Внутриклеточные иммунные рецепторы обнаруживают признаки адаптированных патогенов или вредителей. Активация внутриклеточного иммунитета обычно считается более надежной реакцией и может быть связана с локализованной гибелью клеток, которая сдерживает распространение инфекции.

Растения разработали две стратегии обнаружения патогенов. На внешней поверхности клетки-хозяина консервативные микробные элиситоры распознаются рецепторными белками; их стимуляция приводит к запуску иммунитета. Второй механизм защиты включает распознавание внутриклеточными рецепторами молекул вирулентности патогена, называемых эффекторами; это распознавание индуцирует эффекторный иммунитет.

Успешные патогены способны подавлять защитные реакции растения и тем самым размножаться и вызывать заболевание. Они достигают подавления за счет развертывания «эффекторных» белков.

Основная задача растений состоит в том, чтобы отличать патогенные микроорганизмы от комменсалов или полезных микробов и соответствующим образом активировать защитные механизмы при нападении патогенов.

Таким образом, любые приёмы и методы, которые создают консорциум «растение – микроорганизм» типа улучшения состояния микоризы или филлоплана, являются самым эффективным способом поддержания иммунитета растений: необходимо всячески поддерживать общий микробиологический потенциал ценоза вместо того, чтобы заливать поля химией или даже применять какие-то «элиситоры»…

Как растения защищаются • Евгения Правдолюбова • Научно-популярные задачи на «Элементах» • Ботаника

1. И повреждение от сильного дождя, и повреждение от погрыза — это механические повреждения. Растения способны к «осязанию» с помощью ионных каналов, чувствительных к механическому воздействию. Но механические повреждения приводят и к появлению химических сигналов, когда, например, молекулы из цитоплазмы клетки растения оказываются в межклеточном пространстве или появляются короткие фрагменты компонентов клеточной стенки, таких как пектин (O. Hamant, E. S. Haswell, 2017. Life behind the wall: sensing mechanical cues in plants).

Повреждение травоядным животным, скорее всего, будет более продолжительным по времени, чем повреждение из-за дождя. А кроме того, в ткани растения будут поступать чужеродные молекулы (элиситоры): белки и низкомолекулярные вещества, которые есть в слюне животного, молекулы, выработанные микрофлорой животного, иногда фрагменты белков самого растения, обработанных пищеварительными соками. У растений есть рецепторы к некоторым из этих молекулам. Какие-то из этих рецепторов присутствуют в клетках и на поверхности клеток постоянно, какие-то синтезируются после того, как растение ощутило механическое воздействие. Как определить, что важнее для защиты растения от травоядных животных — механическое воздействие или сигналы о чужеродных белках, — обсудим в послесловии.

Хотя патогенные грибы тоже оказывают механическое воздействие на клетки растений, оно гораздо слабее. Поэтому в случае болезней, вызванных грибами, важнее химические сигналы: молекулы, которые образуются при расщеплении клеточной стенки растения, и молекулы, специфичные для грибов.

Нужно подчеркнуть, что при повреждениях оказываются нарушены защитные барьеры растения, и поэтому заражение патогенами становится более вероятным. Неудивительно, что само по себе механическое повреждение «включает» первые шаги индуцируемой химической защиты от патогенов. Например, давно известно, что этилен (растительный гормон, выработка которого усиливается, в том числе, от механического воздействия) у многих растений индуцирует синтез хитиназ (T. Boller et al., 1983. Chitinase in bean leaves: induction by ethylene, purification, properties, and possible function). Хитиназы способны расщеплять клеточную стенку грибов. Если хитиназы найдут подходящий субстрат, то есть если произошло заражение, то мономеры хитина свяжутся с узнающими их рецепторами растения и иммунный ответ усилится.

2. Гормоны, которые выделяются в ответ на повреждения тканей растения, — этилен и жасмонаты (см. Jasmonic acid) — это летучие вещества. Благодаря этому соседние растения узнают о повреждениях и реагируют на них: например, синтезируют больше токсичных вторичных метаболитов, а также разнообразные защитные белки — хитиназы, ингибиторы протеиназ, которые мешают животным переваривать пищу. Отреагировать могут даже растения другого вида (см. E. E. Farmer, C. A. Ryan, 1990. Interplant communication: airborne methyl jasmonate induces synthesis of proteinase inhibitors in plant leaves), однако, возможно, близкие родственники будут реагировать сильнее — описан по меньшей мере один такой эксперимент (см. Растения предупреждают своих близких родственников о нападении насекомых-вредителей, «Элементы», 12.05.2009).

3. Как правило, фунгициды и инсектициды достаточно неспецифичны и могут вредить широкому кругу видов. Конкретные возможные последствия очень разнообразны. Падение численности и разнообразия насекомых и грибов в смежных экосистемах, естественно, отражается на непосредственно связанных с ними видах. В результате может меняться структура сообщества: например, если становится меньше опылителей, то насекомоопыляемые растения будут размножаться хуже, а если угнетены микоризные грибы, то станет меньше связанных с ними растений. Уже известно, что опылителей действительно становится меньше (см.  D. Goulson et al., 2015. Bee declines driven by combined stress from parasites, pesticides, and lack of flowers).

Опосредованное влияние инсектицидов на сообщество растений отмечено, например, в этом эволюционном эксперименте: применение инсектицида на экспериментальной площадке привело к гибели насекомых, контролирующих численность некоторых сорняков, и эти сорняки получили преимущество перед экспериментальным растением (см. Вредители контролируют эволюцию растений, «Элементы», 07.10.2012).

4. Естественно, что применение фунгицидов и инсектицидов хотелось бы сократить. Вот основные варианты такого сокращения, которые известны автору задачи:

• Селекция. Восприимчивость к тому или иному заболеванию у растения может быть связана с тем, что нет подходящего гена устойчивости — кодирующего рецептор, связывающий специфические для патогена молекулы, или кодирующего белок, который мешает патогену «сломать» иммунный ответ растения. Благодаря селекции можно собрать в одном сорте гены устойчивости против наиболее опасных патогенов (конечно, надо еще их найти, и для этого очень полезно изучать диких сородичей культурных растений, ведь при одомашнивании культурные растения прошли сквозь «бутылочное горлышко» и потеряли значительную часть своего генетического разнообразия). Еще один интересный подход — в пределах одного сорта создавать генотипы, отличающиеся по вариантам генов иммунитета, восприимчивые к разным болезням и уязвимые перед разными вредителями. Если такие растения выращивать вместе, то распространение болезни или вредителя будет замедлено: восприимчивые к конкретной болезни растения редко будут соседствовать друг с другом, они будут рассеянны в массе невосприимчивых растений.
• Создание ГМО-растений с защитными веществами. Защитные вещества должны быть нетоксичны для млекопитающих. Один из самых распространенных вариантов — встраивать в геном растения Cry-белки, токсичные только для насекомых.
• Обработка локальных очагов заболевания вместо полей целиком. Для этого нужно постоянно тщательно мониторить состояние посадок, и это возможно сделать с помощью дронов и автоматического анализа изображений.
• Можно также селить на листьях растений бактерии, вырабатывающие токсичные для насекомых белки, или бактерии, способные подавлять рост патогенов. Но такие сообщества бактерий едва ли окажутся устойчивыми.
• Обработка веществами, активирующими иммунный ответ растения, то есть элиситорами. Например, для этого уже используют хитозан. Недостаток этого способа состоит в том, что при такой обработке растения будут постоянно тратить ресурсы на синтез защитных веществ, а значит, медленнее расти и давать несколько меньший урожай.

Есть ли у растений иммунная система? › Спросите эксперта (ABC Science)

Есть ли у растений иммунная система, и если нет, то как они защищаются от инфекции?

Растениям приходится иметь дело с широким спектром захватчиков — вирусами, бактериями, грибками, насекомыми и нематодами, и это лишь некоторые из них, — но они справляются с этими нападающими совершенно иначе, чем животные и люди, говорит научный сотрудник доктор Питер Доддс из CSIRO.

«У людей и животных есть циркулирующая иммунная система, в которой лейкоциты и Т-клетки циркулируют по всему телу в крови, — объясняет Доддс.

«Это означает, что они могут добраться до очага инфекции и помочь защитить клетки, подвергшиеся атаке. У растений нет такой системы кровообращения, поэтому каждая клетка растения должна реагировать независимо.»

Отдельные растительные клетки экспрессируют рецепторы, которые распознают молекулы патогена и затем запускают защитные реакции, которые могут включать утолщение клеточной стенки, выработку противомикробных соединений и гибель клетки-хозяина.

«Часто лучший способ с точки зрения реакции всего растения — это совершить самоубийство этой клетки», — говорит он. 9наверх

Жесткая резистентность

Другое основное различие между иммунитетом растений и животных заключается в том, что животные, подвергшиеся заражению, могут адаптироваться и приобретать иммунитет, а растения – нет. Вместо этого их способность распознавать и отражать конкретных нападающих заложена в их генах.

«Если растение с эффективным геном устойчивости встречает нового агрессора и побеждается, то нет никакого способа заставить его снова работать», — говорит Доддс. «Вы должны пойти и найти новый генетический источник устойчивости. Вы не можете его создать, вы должны его найти; он должен существовать где-то среди диких родственников культурных растений, с которыми вы работаете».

Когда в начале этого века в Африке появился новый штамм стеблевой ржавчины пшеницы, он преодолел один из основных генов устойчивости, действовавший в течение 30–40 лет, и привел к крупной эпидемии в Африке, которая распространилась по всей Африке. на Ближний Восток.

Доддс — один из многих ученых, пытающихся найти новые источники устойчивости к ржавчине. «Было проведено много селекционной и поисковой работы по изучению диких родственников пшеницы, чтобы попытаться найти новые гены устойчивости, эффективные против этого конкретного штамма». 9наверх

Генная инженерия

Скрещивание является традиционным способом сделать растения более устойчивыми. Но предлагают ли современные методы генной инженерии (ГМ) новые способы повышения иммунитета растений?

«Конечно, использование GE для создания сопротивления имеет большой потенциал, — говорит Доддс. «Обычно в селекции вы ограничены вещами, которые вы действительно можете скрещивать, но если вы можете использовать трансгенный подход, вы можете получить устойчивость немного шире, перейти к родственникам пшеницы, которые вы обычно не можете скрестить, и изолировать гены устойчивости. и положите их обратно в пшеницу».

Клонирование тоже имеет потенциал, и в Европе ученые работают над клонированием генов картофеля в продолжающейся борьбе с тем же патогеном, phytophthora infestans , который опустошил Ирландию в 19 веке.

Но биоразнообразие остается наиболее важным фактором в борьбе с новыми болезнями, говорит Доддс,

«Для многих сельскохозяйственных культур сохраняются обширные коллекции местных сортов, которые прибыли из первоначального центра происхождения этой культуры, Ближнего Востока для пшеницы или Перу для картофеля. Нам нужны эти дикие родственные виды, поэтому люди часто обращаются к ним, когда им нужно искать новые источники устойчивости».

Доктор Питер Доддс, главный научный сотрудник отдела растениеводства CSIRO, разговаривал с Энни Хаствелл.

Врожденный иммунитет у растений и животных: различия и сходства | Биохимик

Пропустить пункт назначения

Особенность|
01 октября 2014 г.

Кара Х. Хейни;

Фредерик М. Осубель;

Джонатан М. Урбах

Biochem (Лондон) (2014) 36 (5): 40–45.

https://doi.org/10.1042/BIO03605040

• Разделенный экран

• Просмотры

  • Содержание артикула
  • Рисунки и таблицы
  • Видео
  • Аудио
  • Дополнительные данные
  • Экспертная оценка

• PDF

• Делиться

  • Facebook
  • Твиттер
  • LinkedIn
  • MailTo

• 
  Иконка Цитировать
  
  Цитировать

• Получить разрешения

Citation

Кара Х. Хейни, Фредерик М. Осубель, Джонатан М. Урбах; Врожденный иммунитет у растений и животных: различия и сходства. Biochem (Лондон) 1 октября 2014 г.; 36 (5): 40–45. doi: https://doi.org/10.1042/BIO03605040

Скачать файл цитаты:

• Рис (Зотеро)
• Менеджер ссылок
• EasyBib
• Подставки для книг
• Менделей
• Бумаги
• КонецПримечание
• РефВоркс
• Бибтекс

панель инструментов поиска

Расширенный поиск

Растения и животные не должны становиться бесплатной пищей для микробов, которые значительно превосходят эукариотическую жизнь как по количеству, так и по разнообразию. Адаптивный иммунитет в строгом смысле, при котором хозяин создает иммунологическую память после воздействия патогена, ограничен позвоночными. И растения, и животные (включая насекомых и млекопитающих) имеют врожденную иммунную систему, которая помогает защитить хозяев от большинства микробов, с которыми они сталкиваются в течение жизни.