Сигнальные системы клеток и их роль в жизнедеятельности растений. Сигнальные системы защитных реакций растений к патогенам Патогены и элиситоры

Устойчивость растений к патогенам определяется, как было установлено Х.Флором в 50-е годы 20 века взаимодействием комплементарной пары генов растения-хозяина и патогена, соответственно, гена устойчивости (R) и гена авирулентности (Аvr). Специфичность их взаимодействия предполагает, что продукты экспрессии этих генов участвуют в распознавании растением патогена с последующим активированием сигнальных процессов для включения защитных реакций.

В настоящее время известно 7 сигнальных систем: циклоаденилатная, MAP-киназная (mitogen-activated protein-kinase), фосфатидокислотная, кальциевая, липоксигеназная, НАДФ·Н-оксидазная (супероксидсинтазная), NO-синтазная.

В пяти первых сигнальных системах посредником между цитоплазматической частью рецептора и первым активируемым ферментом являются G-белки. Эти белки локализованы на внутренней стороне плазмалеммы. Их молекулы состоят из трех субъединиц: a, b и g.

Циклоаденилатная сигнальная система. Взаимодействие стрессора с рецептором на плазмалемме приводит к активации аденилатциклазы, которая катализирует образование циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) из АТФ. цАМФ активирует ионные каналы, включая кальциевую сигнальную систему, и цАМФ-зависимые протеинкиназы. Эти ферменты активируют белки-регуляторы экспрессии защитных генов, фосфорилируя их.

MAP-киназная сигнальная система. Активность протеинкиназ повышается у растений, подвергнутых стрессовым воздействиям (синий свет, холод, высушивание, механическое повреждение, солевой стресс), а также обработанных этиленом, салициловой кислотой или инфицированных патогеном.

В растениях функционирует протеинкиназный каскад как путь передачи сигналов. Связывание элиситора с рецептором плазмалеммы активирует МАР-киназы. Она катализирует фосфорилирование цитоплазматической киназы МАР-киназы, которая активирует при двойном фосфорилировании треониновых и тирозиновых остатков МАР-киназу. Она переходит в ядро, где фосфорилирует белки-регуляторы транскрипции.

Фосфатидокислотная сигнальная система. В клетках животных G белки под воздействием стрессора активируют фосфолипазы C и D. Фосфолипаза С гидролизует фосфатидилинозитол-4,5-бифосфат с образованием диацилглицерола и инозитол-1,4,5-трифосфата. Последний освобождает Са2+ из связанного состояния. Повышенное содержание ионов кальция приводит к активации Са2+-зависимых протеинкиназ. Диацилглицерол после фосфорилирования специфичной киназой превращается в фосфатидную кислоту, которая является сигнальным веществом в животных клетках. Фосфолипаза D непосредственно катализирует образование фосфатидной кислоты из липидов (фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин) мембран.

У растений стрессоры активируют G белки, фосфолипазы С и D у растений. Следовательно, начальные этапы этого сигнального пути одинаковы у животных и растительных клеток. Можно предположить, что в растениях также происходит образование фосфатидной кислоты, которая может активировать протеинкиназы с последующим фосфорилированием белков, в том числе и факторов регуляции транскрипции.

Кальциевая сигнальная система. Воздействие различных факторов (красного света, засоления, засухи, холода, теплового шока, осмотического стресса, абсцизовой кислоты, гиббереллина и патогенов) приводит к повышению содержания ионов кальция в цитоплазме за счет увеличения импорта из внешней среды и выхода из внутриклеточных хранилищ (эндоплазматического ретикулума и вакуоли)

Повышение концентрации ионов кальция в цитоплазме приводит к активации растворимых и мембранносвязанных Са2+-зависимых протеинкиназ. Они участвуют в фосфорилировании белковых факторов регуляции экспрессии защитных генов. Однако было показано, что Са2+ способен непосредственно влиять на человеческий репрессор транскрипции, не задействуя каскад фосфорилирования белков. Также ионы кальция активируют фосфатазы и фосфоинозитспецифичную фосфолипазу С. Регулирующее действие кальция зависит от его взаимодействия с внутриклеточным рецептором кальция - белком кальмодулином.

Липоксигеназная сигнальная система. Взаимодействие элиситора с рецептором на плазмалемме приводит к активации мембранносвязанной фосфолипазы А2, которая катализирует выделение из фосфолипидов плазмалеммы ненасыщенных жирных кислот, в том числе линолевой и линоленовой. Эти кислоты являются субстратами для липоксигеназы. Субстратами для этого фермента могут быть не только свободные, но и входящие в состав триглицеридов ненасыщенные жирные кислоты. Активность липоксигеназ повышается при действии элиситоров, заражении растений вирусами и грибами. Увеличение активности липоксигеназ обусловлено стимуляцией экспрессии генов, кодирующих эти ферменты.

Липоксигеназы катализируют присоединение молекулярного кислорода к одному из атомов (9 или 13) углерода цис,цис-пентадиенового радикала жирных кислот. Промежуточные и конечные продукты липоксигеназного метаболизма жирных кислот обладают бактерицидными, фунгицидными свойствами и могут активировать протеинкиназы. Так, летучие продукты (гексенали и ноненали) токсичны для микроорганизмов и грибов, 12-гидрокси-9Z-додеценовая кислота стимулировала фосфорилирование белков у растений гороха, фитодиеновая, жасмоновая кислоты и метилжасмонат через активирование протеинкиназ повышают уровень экспресии защитных генов.

НАДФ·Н-оксидазная сигнальная система. Во многих случаях заражение патогенами стимулировало продукцию реактивных форм кислорода и гибель клеток. Реактивные формы кислорода не только токсичны для патогена и инфицированной клетки растения-хозяина, но и являются участниками сигнальной системы. Так, перекись водорода активирует факторы регуляции транскрипции и экспрессию защитных генов.

NO-синтазная сигнальная система. В макрофагах животных, убивающих бактерии, наряду с реактивными формами кислорода действует окись азота, усиливающая их антимикробное действие. В животных тканях L-аргинин под действием NO-синтазы превращается в цитруллин и NO. Активность этого фермента была обнаружена и в растениях, причем вирус табачной мозаики индуцировал повышение его активности в устойчивых растениях, но не влиял на активность NO-синтазы в чувствительных растениях. NO, взаимодействуя с супероксидом кислорода, образует очень токсичный пероксинитрил. При повышенной концентрации окиси азота активируется гуанилатциклаза, которая катализирует синтез циклического гуанозинмонофосфата. Он активирует протеинкиназы непосредственно или через образование циклической АДФ-рибозы, которая открывает Са2+ каналы и тем самым повышает концентрацию ионов кальция в цитоплазме, что в свою очередь, приводит к активации Са2+-зависимых протеинкиназ.

Таким образом, в клетках растений существует скоординированная система сигнальных путей, которые могут действовать независимо друг от друга или сообща. Особенностью работы сигнальной системы является усиление сигнала в процессе его передачи. Включение сигнальной системы в ответ на воздействие различных стрессоров (в том числе и патогенов) приводит к активации экспрессии защитных генов и повышению устойчивости растений.

Индуцированные механизмы: а) усиление дыхания, б) накопление веществ, обеспечивающих устойчивость, в) создание дополнительных защитных механических барьеров, г) развитие реакция сверхчувствительности.

Патоген, преодолев поверхностные барьеры и попав в проводящую систему и клетки растения, вызывает заболевание растения. Характер заболевания зависит от устойчивости растения. По степени устойчивости выделяют четыре категории растений: чувствительные, толерантные, сверхчувствительные и крайне устойчивые (иммунные). Кратко охарактеризуем их на примере взаимодействия растений с вирусами.

В чувствительных растениях вирус транспортируется из первично зараженных клеток по растению, хорошо размножается и вызывает разнообразные симптомы заболевания. Однако и в чувствительных растениях существуют защитные механизмы, ограничивающие вирусную инфекцию. Об этом свидетельствует, например, возобновление репродукции вируса табачной мозаики в протопластах, изолированных из зараженных листьев растений табака, в которых закончился рост инфекционности. Темно-зеленые зоны, образующиеся на молодых листьях больных чувствительных растений, характеризуются высокой степенью устойчивости к вирусам. Клетки этих зон почти не содержат вирусных частиц по сравнению с соседними клетками светло-зеленой ткани. Низкий уровень накопления вирусов в клетках темно-зеленой ткани связан с синтезом антивирусных веществ. В толерантных растениях вирус распространяется по всему растению, но плохо размножается и не вызывает симптомов. В сверхчувствительных растениях первично инфицированные и соседние клетки некротизируются, локализуя вирус в некрозах. Считается, что в крайне устойчивых растениях вирус репродуцируется только в первично зараженных клетках, не транспортируется по растению и не вызывает симптомов заболевания. Однако был показан транспорт вирусного антигена и субгеномных РНК в этих растениях, а при выдерживании зараженных растений при пониженной температуре (10-15оС) на инфицированных листьях формировались некрозы.

Наиболее хорошо изучены механизмы устойчивости сверхчувствительных растений. Образование локальных некрозов является типичным симптомом сверхчувствительной реакции растений в ответ на поражение патогеном. Они возникают в результате гибели группы клеток в месте внедрения патогена. Смерть инфицированных клеток и создание защитного барьера вокруг некрозов блокируют транспорт инфекционного начала по растению, препятствует доступу к патогену питательных веществ, вызывают элиминацию патогена, приводят к образованию антипатогенных ферментов, метаболитов и сигнальных веществ, которые активируют защитные процессы в соседних и отдаленных клетках, и в конечном итоге, способствуют выздоровлению растения. Гибель клеток происходит из-за включения генетической программы смерти и образования соединений и свободных радикалов, токсичных как для патогена, так и для самой клетки.

Некротизация инфицированных клеток сверхчувствительных растений, контролируемая генами патогена и растения-хозяина, является частным случаем программированной клеточной смерти (PCD – programmed cell death). PCD необходима для нормального развития организма. Так, она происходит, например, при дифференциации трахеидных элементов в ходе образования ксилемных сосудов и гибели клеток корневого чехлика. Эти периферические клетки погибают даже тогда, когда корни растут в воде, то есть гибель клеток является частью развития растения, а не вызвана действием почвы. Сходство между PCD и гибелью клеток при сверхчувствительной реакции заключается в том, что это два активных процесса, в некротизирующейся клетке также повышается содержание ионов кальция в цитоплазме, образуются мембранные пузырьки, увеличивается активность дезоксирибонуклеаз, ДНК распадается на фрагменты с 3’ОН концами, происходит конденсация ядра и цитоплазмы.

Помимо включения PCD, некротизация инфицированных клеток сверхчувствительных растений происходит в результате выхода фенолов из центральной вакуоли и гидролитических ферментов из лизосом вследствие нарушения целостности клеточных мембран и увеличения их проницаемости. Снижение целостности клеточных мембран обусловлено перекисным окислением липидов. Оно может происходить при участии ферментов и неферментативным путем в результате действия реактивных форм кислорода и свободных органических радикалов.

Одним из характерных свойств сверхчувствительных растений является приобретенная (индуцированная) устойчивость к повторному заражению патогеном. Были предложены термины: системная приобретенная устойчивость (systemic acquired resistance - SAR) и локальная приобретенная устойчивость (localized acquired resistance - LAR). О LAR говорят в тех случаях, когда устойчивость приобретают клетки в зоне, непосредственно примыкающей к локальному некрозу (расстояние примерно 2 мм). В этом случае вторичные некрозы совсем не образуются. Приобретенная устойчивость считается системной, если она развивается в клетках больного растения, удаленных от места первоначального внедрения патогена. SAR проявляется в снижении уровня накопления вирусов в клетках, уменьшении размеров вторичных некрозов, что свидетельствует об угнетении ближнего транспорта вируса. Не ясно, различаются ли между собой LAR и SAR или это один и тот же процесс, происходящий в клетках, расположенных на разном расстоянии от места первичного проникновения вируса в растение.

Приобретенная устойчивость, как правило, неспецифична. Устойчивость растений к вирусам вызывалась бактериальной и грибной инфекциями и наоборот. Устойчивость может индуцироваться не только патогенами, но и различными веществами.

Развитие SAR связано с распространением по растению веществ, образующихся в первично зараженных листьях. Было сделано предположение, что индуктором SAR является салициловая кислота, образующаяся при некротизации первично зараженных клеток.

При заболевании в растениях накапливаются вещества, повышающие их устойчивость к патогенам. Важную роль в неспецифической устойчивости растений играют антибиотические вещества – фитонциды, открытые Б. Токиным в 20-х годах 20 века. К ним относятся низкомолекулярные вещества разнообразного строения (алифатические соединения, хиноны, гликозиды с фенолами, спиртами), способные задерживать развитие или убивать микроорганизмы. Выделяясь при поранении лука, чеснока, летучие фитонциды защищают растение от патогенов уже над поверхностью органов. Нелетучие фитонциды локализованы в покровных тканях и участвуют в создании защитных свойств поверхности. Внутри клеток они могут накапливаться в вакуоли. При повреждениях количество фитонцидов резко возрастает, что предотвращает возможное инфицирование раненых тканей.

К антибиотическим веществам растений относят также фенолы. При повреждениях и заболеваниях в клетках активируется полифенолоксидаза, которая окисляет фенолы до высокотоксичных хинонов. Фенольные соединения убивают патогенны и клетки растения-хозяина, инактивируют экзоферменты патогенов и необходимы для синтеза лигнина.

Среди вирусных ингибиторов обнаружены белки, гликопротеины, полисахариды, РНК, фенольные соединения. Различают ингибиторы заражения, которые влияют непосредственно на вирусные частицы, делая их неинфекционными, или они блокируют рецепторы вирусов. Например, ингибиторы из сока свеклы, петрушки и смородины вызывали почти полное разрушение частиц вируса табачной мозаики, а сок алоэ вызывал линейную агрегацию частиц, что снижало возможность проникновения частиц в клетки. Ингибиторы размножения изменяют клеточный метаболизм, повышая тем самым устойчивость клеток, или угнетают вирусную репродукцию. В устойчивости растений к вирусам участвуют рибосом-инактивирующие белки (RIPs).

В сверхчувствительных растениях табака, пораженных вирусом табачной мозаики, были обнаружены белки, первоначально названные b-белками, а сейчас их обозначают как белки, связанные с патогенезом (PR-белки) или белки, ассоциированные с устойчивостью. Общепринятое название «PR-белки» предполагает, что их синтез индуцируется только патогенами. Однако эти белки образуются и в здоровых растениях при цветении и различных стрессовых воздействиях.

В 1999 году на основе аминокислотной последовательности, серологическим свойствам, энзимной и биологической активности была создана унифицированная для всех растений номенклатура PR-белков, состоящая из 14 семейств (PR-1 – PR-14). Некоторые PR-белки имеют протеазную, рибонуклеазную, 1,3-b-глюканазную, хитиназную активности или являются ингибиторами протеаз. Высшие растения не имеют хитина. Вероятно, что эти белки участвуют в защите растений от грибов, так как хитин и b-1,3-глюканы являются главными компонентами клеточных стенок многих грибов и хитиназа гидролизует b-1,3-связи хитина. Хитиназа может действовать также как лизоцим, гидролизуя пептидоглюканы клеточных стенок бактерий. Однако b-1,3-глюканаза может способствовать транспорту вирусных частиц по листу. Это объясняется тем, что b-1,3-глюканаза разрушает каллозу (b-1,3-глюкан), которая откладывается в клеточной стенке и плазмодесмах и блокирует транспорт вируса.

В состав PR-белков входят также низкомолекулярные (5 кДа) белки – модификаторы клеточных мембран грибов и бактерий: тионины, дефенсины и липидпереносящие белки. Тионины токсичны в условиях in vitro для фитопатогенных грибов и бактерий. Их токсичность обусловлена разрушающим действием на мембраны патогенов. Дефенсины обладают сильными антигрибными свойствами, но не действуют на бактерии. Дефенсины из растений семейств Brassicaceae и Saxifragaceae подавляли рост растяжением гиф грибов, но способствовали их ветвлению. Дефенсины из растений семейств Asteraceae, Fabaceae и Hippocastanaceae замедляли растяжение гиф, но не влияли на их морфологию.

При заражении растений патогенами увеличивается активность литического компартмента клеток чувствительных и сверхчувствительных растений. К литическому компартменту клеток растений относят мелкие вакуоли – производные эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи, функционирующие как первичные лизосомы животных, то есть содержащие гидролазы структуры, в которых нет субстратов для этих ферментов. Кроме этих вакуолей к литическому компартменту клеток растений относятся центральная вакуоль и другие вакуоли, эквивалентные вторичным лизосомам клеток животных, которые содержат гидролазы и их субстраты, а также плазмалемма и ее производные, в том числе парамуральные тела, и внеклеточные гидролазы, локализованные в клеточной стенке и в пространстве между стенкой и плазмалеммой.

ББК 28.57 Т22

Ответственный редакторчленкорреспондент РАНА.И. Гречкин

Рецензенты:

доктор биологических наук, профессорЛ.Х. Гордон доктор биологических наук, профессорЛ.П. Хохлова

Тарчевский И.А.

Сигнальные системы клеток растений / И.А. Тарчевский; [Отв. ред. А.Н. Гречкин]. -

М.: Наука, 2002. - 294 с: ил. ISBN 5-02-006411-4

Рассматриваются звенья информационных цепей взаимодействия патогенов и растений, включающие элиситоры, рецепторы элиситоров, G-белки, протеинкиназы и проте-инфосфатазы, факторы регуляции транскрипции, репрограммирование экспрессии генов и ответ клеток. Главное внимание уделяется анализу особенностей функционирования отдельных сигнальных систем клеток растений - аденилатциклазной, МАР-киназной, фосфатидатной, кальциевой, липоксигеназной, НАДФН-оксидазной, NO-синтазной и протонной, их взаимодействию и объединению в единую сигнальную сеть. Предлагается классификация патогениндуцированных белков по их функциональным признакам. Приводятся данные о трансгенных растениях с повышенной устойчивостью к патогенам.

Для специалистов в области физиологии растений, биохимиков, биофизиков, генетиков, фитопатологов, экологов, агробиологов.

По сети АК

Plant Cell Signaling Systems /1.A. Tarchevsky; . - M.: Nauka, 2002. - 294 p.; il. ISBN 5-02-006411-4

The book discussed the members of signaling chains of interplay of pathogens and plant-host, namely elicitors, receptors, G-proteins, protein kinases and protein phosphatases, transcription factors reprogramming of genes expression, cell response. The main part of the book is devoted to functioning of separate cell signaling systems: adenylate cyclase, MAP kinase, phosphatidate, calcium, lipoxy-genase, NADPH-oxidase, NO-synthase, protons systems. The concept of interconnections of cell signaling systems and their integration to general cell signaling network is developing. The author has preposed the classification of pathogen-related proteins according to their function properties. The data on transgenic plants with the increased resistance to pathogens are presented.

For physiologists, biochemists, biophysicists, genetics, phytopathologists, ecologists, and agrobiologists

ISBN 5-02-006411-4

© Российская академия наук, 2002 © Издательство "Наука"

(художественное оформление), 2002

В последние годы стремительно развиваются исследования молекулярных механизмов регуляции экспрессии генов под влиянием изменения условий существования. В клетках растений было обнаружено существование сигнальных цепей, которые с помощью специальных белков-рецепторов, в большинстве случаев расположенных в плазмалемме, воспринимают сигнальные импульсы, преобразуют, усиливают и передают их в геном клетки, вызывая репрограммирование экспрессии генов и изменения в обмене веществ (в том числе кардинальные), связанные с включением ранее "молчавших" и выключением некоторых активных генов. Значимость сигнальных систем клеток была продемонстрирована при изучении механизмов действия фитогормонов. Была также показана определяющая роль сигнальных систем в формировании адаптационного синдрома (стресса), вызванного действием на растения абиотических и биотических стрессоров.

Отсутствие обзорных работ, в которых анализировались бы все звенья различных сигнальных систем, начиная с характеристики воспринимаемых сигналов и их рецепторов, преобразования сигнальных импульсов и передачи их в ядро и кончая драматическими изменениями в обмене веществ клеток и их структуре, заставили автора предпринять попытку восполнить этот пробел с помощью предлагаемой вниманию читателей книги. Необходимо учитывать, что исследование информационного поля клеток еще очень далеко от завершения и многие детали его структуры и функционирования остаются недостаточно освещенными. Все это привлекает новых исследователей, для которых обобщение публикаций по сигнальным системам клеток растений будет особенно полезным. К сожалению, не все обзоры

статьи экспериментального характера вошли в список литературы, что в определенной степени зависело от ограниченности объема книги и времени для ее подготовки. Автор приносит извинения коллегам, чьи исследования не были отражены в книге.

Автор выражает благодарость своим сотрудникам, принимавшим участие в совместном исследовании сигнальных систем клеток растений. Особую признательность автор выражает профессору Ф.Г. Каримовой, кандидатам биологических наук В.Г. Яковлевой и Е.В. Асафовой, А.Р. Муха-метшину и доценту Т.М. Николаевой за помощь в подготовке рукописи к печати.

Работа выполнена при финансовой поддержке фонда Ведущей научной школы РФ (гранты 96-15-97940 и 00-15-97904) и Российского фонда фундаментальных исследований (грант 01-04-48-785).

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших проблем современной биологии является расшифровка механизмов реагирования прокари-отических и эукариотических организмов на изменения условий их существования, особенно на действие экстремальных факторов (стресс-факторов, или стрессоров), вызывающих у клеток состояние стресса.

В процессе эволюции у клеток выработались приспособления, позволяющие воспринимать, преобразовывать и усиливать приходящие из окружающей среды сигналы химической и физической природы и с помощью генетического аппарата реагировать на них, не только адаптируясь к изменившимся условиям, перестраивая свои обмен веществ и структуру, но и выделяя различные летучие и нелетучие соединения во внеклеточное пространство. Одни из них выполняют роль защитных веществ против патогенов, другие могут рассматриваться в качестве сигнальных молекул, вызывающих ответ других клеток, расположенных на большом расстоянии от места действия на растения первичного сигнала.

Можно считать, что все эти адаптивные события происходят в результате изменений в информационном поле клеток. Первичные сигналы с помощью различных сигнальных систем вызывают реакцию со стороны генома клеток, проявляющуюся в репрограммировании экспрессии генов. По сути дела, сигнальные системы регулируют работу основного вместилища информации - молекул ДНК. С другой стороны, они сами находятся под контролем генома.

Впервые в нашей стране целенаправленно исследовать сигнальные системы клеток начали Е.С. Северин [Северин, Кочеткова, 1991] на животных объектах и О.Н. Кулаева [Кулаева и др., 1989; Kulaeva,1990; Kulaeva et al., 1992; Кулаева, 1995;

Бурханова и др., 1999] - на растительных.

В представляемой вниманию читателей монографии содержится обобщение результатов изучения влияния биотических стрессоров на функционирование сигнальных систем клеток растений. В настоящее время интенсивно исследуются МАР-киназная, аденилатциклазная, фос-фатидатная, кальциевая, липоксигеназная, НАДФН-окси-дазная, NO-синтазная и протонная сигнальные системы и их роль в онтогенетическом развитии растений и в формировании ответа на изменяющиеся условия существования, особенно на действие различных абиотических и биотических стрессоров. Автор решил сосредоточить внимание лишь на последнем аспекте этой проблемы - на молекулярных механизмах ответа растений на действие патогенов, тем более что в этот ответ вовлечен целый ряд фито-гормонов и выяснение особенностей взаимодействия с ними сигнальных систем клеток растений привлекает большое внимание исследователей.

Воздействие биотических стрессоров приводит к ответу растений, в основных чертах сходному с ответом на абиотические стрессоры . Он характеризуется совокупностью неспецифических реакций, что и позволило называть его адаптационным синдромом, или стрессом. Естественно, что могут обнаруживаться и специфические черты ответа, зависящие от вида стрессора, однако с усилением меры его воздействия на первый план все в большей степени начинают выступать неспецифические изменения [Меерсон, 1986; Тарчевский, 1993]. Наибольшее внимание им было уделено Н.С. Введенским (представления о парабиозе), Д.С. Насоновым и В.Я. Александровым (представления о паранекрозе), Г. Селье - в работах, посвященных стрессу у животных, В.Я. Александровым - в исследованиях молекулярных основ стресса.

К числу наиболее значительных неспецифических изменений при биотическом стрессе можно отнести следующие:

1. Фазность в развертывании во времени ответа на действие патогена.

2. Усиление катаболизма липидов и биополимеров.

3. Повышение в тканях содержания свободных радикалов.

4. Подкисление цитозоля с последующей активацией протонных помп, что возвращает рН к исходному значению.

5. Повышение в цитозоле содержания ионов кальция с последующей активацией кальциевых АТФаз.

6. Выход из клеток ионов калия и хлора.

7. Падение мембранного потенциала (на плазмалемме).

8. Снижение общей интенсивности синтеза биополимеров и

9. Прекращение синтеза некоторых белков.

10. Усиление синтеза или синтез отсутствовавших так называемых патогениндуцируемых защитных белков (хитиназ, (3-1,3-глюканаз, ингибиторов протеиназ и др.).

11. Интенсификация синтеза укрепляющих клеточные стенки компонентов - лигнина, суберина, кутина, каллозы, богатого оксипролином белка.

12. Синтез антипатогенных нелетучих соединений -

фитоалексинов.

13. Синтез и выделение летучих бактерицидных и фунгицидных соединений (гексеналей, ноненалей, терпенов и

Др->- 14. Усиление синтеза и повышение содержания (или по

явление) стрессовых фитогормонов - абсцизовой, жасмоновой, салициловой кислот, этилена, гормона пептидной природы системина.

15. Торможение фотосинтеза.

16. Перераспределение углерода из |4 СО2 , усвоенного в процессе фотосинтеза, среди различных сое динений - уменьшение включения метки в высокополимерные соединения (белки, крахмал) и сахарозу и усиление (чаще относи тельное - в процентах от усвоенного углерода) - в аланин, малат, аспартат [Тарчевский, 1964].

17. Усиление дыхания с последующим его торможением. Активация альтернативной оксид азы, изменяющей направленность электронного транспорта в митохондриях.

18. Нарушения ультраструктуры - изменение тонкой гранулярной структуры ядра, уменьшение числа полисом и диктиосом, набухание митохондрий и хлоропластов, умень шение в хлоропластах числа тилакоидов, перестройка цито-

скелета .

19. Апоптоз (программируемая смерть) клеток, подверг шихся воздействию патогенов, и соседних с ними.

20. Появление так называемой системной неспецифиче

ской устойчивости к патогенам в удаленных от места воздействия патогенов участках (например, метамерных органах) растения.

Многие из перечисленных выше изменений являются следствием "включения" стрессорами относительно небольшого числа неспецифических сигнальных систем.

По мере все более глубокого изучения механизмов ответных реакций растений на действие патогенов обнаруживаются новые неспецифичные ответные реакции клеток растений. К ним относятся и неизвестные ранее сигнальные пути.

При выяснении особенностей функционирования сигнальных систем необходимо иметь в виду, что эти вопросы являются частью более общей проблемы регуляции функционирования генома. Следует заметить, что универсальность структуры основных носителей информации клеток различных организмов - ДНК и генов - предопределяет унификацию и тех механизмов, которые обслуживают реализацию этой информации [Гречкин, Тарчевский, 2000]. Это касается репликации ДНК и транскрипции, структуры и механизма действия рибосом, а также механизмов регуляции экспрессии генов изменяющимися условиями существования клеток с помощью набора в значительной степени универсальных сигнальных систем. Звенья сигнальных систем также в основном унифицированы (природа, найдя в свое время оптимальное структурное и функциональное решение биохимической или информационной задачи, сохраняет и тиражирует его в процессе эволюции). В большинстве случаев самые разнообразные химические сигналы, поступающие из окружающей среды, улавливаются клеткой с помощью специальных "антенн" - рецепторных белковых молекул, пронизывающих клеточную мембрану и выступающих над ее поверхностями с наружной и внутрен-

ней стороны. Несколько типов строения этих рецепторов унифицированы у клеток растений и животных. Некова -лентное взаимодействие внешнего участка рецептора с той или иной сигнальной молекулой, поступающей из среды, окружающей клетку, приводит к изменению конформации рецепторного белка, которое передается на внутренний, ци-топлазматический участок. В большинстве сигнальных систем с ним контактируют посреднические G-белки - еще одно унифицированное (по своим структуре и функциям) звено сигнальных систем. G-белки выполняют функции преобразователя сигналов, передавая сигнальный конформаци-онный импульс на стартовый фермент, специфичный для той или иной сигнальной системы. Стартовые ферменты одного типа сигнальной системы у различных объектов также универсальны и имеют протяженные участки с одной и той же последовательностью аминокислот. Одним из важнейших унифицированных звеньев сигнальных систем являются протеинкиназы (ферменты, переносящие концевой остаток ортофосфорной кислоты с АТФ на те или иные белки), активируемые продуктами стартовых сигнальных реакций или их производными. Фосфорилированные с помощью протеинкиназ белки являются следующими звеньями сигнальных цепей. Еще одно унифицированное звено сигнальных систем клеток - это белковые факторы регуляции транскрипции, которые представляют собой один из субстратов протеинкиназных реакций. Структура этих белков также в значительной степени унифицирована, а модификации структуры определяют принадлежность факторов регуляции транскрипции к той или иной сигнальной системе. Фосфорилирование факторов регуляции транскрипции обусловливает изменение конформации этих белков, их активацию и последующее взаимодействие с промоторным участком определенного гена, что приводит к изменению интенсивности его экспрессии (индукции или репрессии), а в крайних случаях - к "включению" некоторых молчавших генов или "выключению" активных. Репрограммирование экспрессии совокупности генов генома вызывает изменение соотношения белков в клетке, что и является основой ее функционального ответа. В отдельных случаях химический сигнал из внешней среды может взаимодействовать с рецептором, расположенным внутри клетки - в цитозоле или да-

Рис. 1. Схема взаимодействия внешних сигналов с рецепторами клетки

1 , 5 , 6 - рецепторы, расположенные в плазмалемме; 2 ,4 - рецепторы, находящиеся в цитозоле; 3 - стартовый фермент сигнальной системы, локализованный в плазмалемме; 5 - рецептор, активирующийся под влиянием неспецифического изменения структуры липидной составляющей плазмалеммы; СИБ - сигналиндуцированные белки; ФРТ -белковые факторы регуляции транскрипции; i|/ - изменение мембранного потенциала

же ядре (рис. 1). В клетках животных такими сигналами являются, например, стероидные гормоны. Этот информационный путь имеет меньшее число интермедиатов, в связи с чем у него и меньше возможностей для регуляции со стороны клетки.

В нашей стране всегда уделялось большое внимание проблемам фитоиммунитета. Этой проблеме посвящен ряд монографий и обзоров отечественных ученых [Сухоруков, 1952; Вердеревский, 1959; Вавилов, 1964; Горленко, 1968; Рубин и др., 1975; Метлицкий, 1976; Токин, 1980;

Метлиц-кий и др., 1984; Метлицкий, Озерецковская, 1985; Курсано-ва, 1988; Ильинская и др., 1991; Озерецковская и др., 1993; Кораблева, Платонова, 1995; Чернов и др., 1996; Тарчев-ский, Чернов, 2000].

В последние годы особое внимание уделяется молекулярным механизмам фитоиммунитета. Было показано, что

при инфицировании растений включаются различные сигнальные системы, которые воспринимают, умножают и передают сигналы от патогенов в генетический аппарат клеток, где происходит экспрессия защитных генов, позволяющая растениям организовать как структурную, так и химическую защиту от патогенов. Успехи в этой области связаны с клонированием генов, расшифровкой их первичной структуры (в том числе промоторных участков), структуры кодируемых ими белков, использованием активаторов и ингибиторов отдельных звеньев сигнальных систем, а также мутантов и трансгенных растений с внедренными генами, отвечающими за синтез участников рецепции, передачи и усиления сигналов. В исследовании сигнальных систем клеток растений важную роль играет конструирование трансгенных растений с промоторами генов белков-участников сигнальных систем.

В настоящее время сигнальные системы клеток растений при биотическом стрессе наиболее интенсивно изучаются в Институте биохимии им. А.Н. Баха РАН, Казанском институте биохимии и биофизики РАН, Институте физиологии растений РАН, Пущинском филиале Института биоорганической химии РАН, центре "Биоинженерия" РАН, Московском и Санкт-Петербургском государственных университетах, Всероссийском научноисследовательском институте сельскохозяйственной биотехнологии РАСХН, Всероссийском научноисследовательском институте фитопатологии РАСХН и др.

Проблема расшифровки молекулярных механизмов биотического стресса, в том числе роли в его развитии сигнальных систем, объединила на протяжении последних десяти с лишним лет физиологов и биохимиков растений, микробиологов, генетиков, молекулярных биологов, фитопатологов. Публикуется большое количество экспериментальных и обзорных статей по различным аспектам этой проблемы (в том числе в специальных журналах:

"Physiological and Molecular Plant Pathology", "Molecular Plant - Microbe Interactions", "Annual Review of Plant Physiology and Pathology"). В то же время в отечественной литературе отсутствует обобщение работ, посвященных сигнальным системам клеток, что и привело автора к необходимости написания предлагаемой читателям монографии.

ПАТОГЕНЫ И ЭЛИСИТОРЫ

Болезни растений вызывают тысячи видов микроорганизмов, которые можно разделить на три группы : вирусы (более 40 семейств) и вироиды; бактерии (Agrobacterium, Corynebacterium, Erwinia, Pseudomonas, Xanthomonas, Streptomyces) и

микоплазмоподобные микроорганизмы; грибы (низшие:

Plasmodiophoromycetes, Chitridomycetes, Oomycetes: высшие: Ascomycetes, Basidi-omycetes, Deuteromycetes).

тез з ащитных ферментов: фенилаланин -аммиак-лиазы

И анионной пероксидазы . Бескрылые формы, относящиеся к этому подклассу, появились в результате утраты этих органов в процессе эволюции крылатых форм. Подкласс насчитывает 20 отрядов насекомых, среди которых имеются полифаги, не обладающие специфичностью по отношению к растению, олигофаги и монофаги, у которых ярко выражена специфичность взаимодействия патогена и растения-хозяина. Одни насекомые питаются листьями (всей листовой пластинкой или скелети-руя лист), другие - стеблями (в том числе выгрызая стебель изнутри), завязями цветов, плодами, корнями. Тли и цикады высасывают сок из проводящих сосудов с помощью хоботка или стилета.

Несмотря на принимаемые меры борьбы с насекомыми, продолжает оставаться злободневной проблема уменьшения причиняемого ими вреда. В настоящее время свыше 12% урожая сельскохозяйственных растений на планете теряется в результате атаки на них патогенных микроорганизмов,

нематод и насекомых .

Повреждение клеток приводит к деградации их содержимого, например высокополимерных соединений, и появлению олигомерных сигнальных молекул. Эти "обломки кораблекрушения" [Тарчевский, 1993] достигают соседних клеток и вызывают в них защитную реакцию, включающую изменение экспрессии генов и образования кодируемых ими защитных белков. Часто механическое повреждение растений сопровождается их инфицированием, так как открывается раневая поверхность, через которую в растение проникают патогены. Кроме того, в ротовых органах насекомых могут обитать фитопатогенные микроорганизмы. Известно, например, что переносчиками микоплазмен-ной инфекции являются цикады, у которых взрослые формы и личинки питаются соком ситовидных сосудов растений, прокалывая хоботком-стилетом покровы листьев и

Рис. 2. Схема взаимодействия клетки патогена с растением -хозяином / - кутиназа; 2 - продукты деградации компонентов кутикулы (возможно,

обладающие сигнальными свойствами); 3 - (3-глюканаза и другие гликозилазы, экскретируемые патогеном; 4 - элиситоры - фрагменты клеточной стенки (КС) хозяина; 5 - хитиназы и другие гликозилазы, действующие разрушающе на КС патогена; 6 - элиситоры - фрагменты КС патогена; 7 - фитоалексины - ингибиторы протеиназ, кутиназ, гликози-лаз и других ферментов патогена; 8 - токсические вещества патогена; 9 - укрепление КС хозяина за счет активации пероксидаз и усиления синтеза лигнина, отложения оксипролиновых белков и лектинов; 10 - индукторы сверхчувствительности и некроза соседних клеток; // - продукты деградации кутина, действующие на клетку патогена

молодых стеблей. Розанная цикадка, в отличие от других представителей цикадовых, высасывает содержимое клеток. Цикады производят меньшее повреждение тканей растений, чем листогрызущие насекомые, тем не менее растения могут на него реагировать так же, как на сопряженное с ним инфицирование растений.

При контакте с растениями клетки патогенов выделяют различные соединения, обеспечивающие их проникновение в растение, питание и развитие (рис. 2). Некоторые из этих соединений являются токсинами, которые патогенные микроорганизмы выделяют для ослабления сопротивляемости хозяина. В настоящее время описано более 20 хозяинспецифичных токсинов, продуцируемых патогенными грибами.

Рис. 3. Фитотоксичное соединение из Cochlio-bolus carbonum

Бактерии и грибы образуют также неселективные токсины, в частности фузикокцин, эрихосетен, коронатин, фазе-олотоксин, сирингомицин, табтоксин .

Один из хозяин-специфичных токсинов, выделяемых

Pyrenophora triticirepentis, - это белок 13,2 кДа, другие являются продуктами вторичного метаболизма, имеющими самую разнообразную структуру - это поликетиды, терпено-иды, сахариды, циклические пептиды и т.д.

Как правило, к последним относятся пептиды, синтез которых происходит вне рибосом и которые содержат остатки D- аминокислот. Например, хозяин-специфичный токсин из Cochliobolus carbonum имеет тетрапептидную циклическую структуру (D-npo-L-ana-D-ana-L-A3JJ), где последняя аббревиатура означает 2-амино-9,10-эпокси-8-оксо-де-каноевую кислоту (рис. 3). Токсин образуется в клетках патогена с помощью токсинсинтазы. Устойчивость к этому соединению у кукурузы зависит от гена, кодирующего НАДФН-зависимую карбонил-редуктазу, восстанавливающую карбонильную группу, что приводит к

деактивации токсина. Оказалось, что в организме растения-хозяина токсин вызывает ингибирование гистон-деацетилаз и, как следствие, сверхацетилирование гистонов. Это подавляет защитный ответ растения, вызываемый инфицированием патогенами .

Другой тип соединений, выделяемых патогенами, получил название элиситоров (от англ. elicit - выявлять, вызывать). Собирательный термин "элиситор" был предложен впервые в 1972 г. для обозначения химических сигналов, возникающих в местах инфицирования растений патогенными микроорганизмами, и получил широкое распространение.

Элиситоры играют роль первичных сигналов и приводят в действие сложнейшую сеть процессов индукции и регуляции фитоиммунитета. Это проявляется в синтезе защитных белков, нелетучих растительных антибиотиков - фитоалек-синов, в выделении антипатогенных летучих соединений и др. В настоящее время охарактеризована структура множества природных элиситоров. Некоторые из них продуцируются микроорганизмами, другие (вторичные элиситоры) образуются при ферментативном расщеплении высокополимерных соединений кутикулы и полисахаридов клеточных стенок растений и микроорганизмов, третьи представляют собой стрессовые фитогормоны, синтез которых в растениях индуцируется патогенами и абиогенными стрессорами. К числу важнейших элиситоров относятся белковые соединения, экскретируемые патогенными бактериями и грибами, а также белки оболочки вирусов . Наиболее изученными белковыми элиситорами можно считать небольшие (10 кДа), консервативные, гидрофильные, обогащенные цистеином элиситины, секретируе-мые всеми исследовавшимися видами

Phytophthora и Pythium . К ним относится, например, криптогеин .

Элиситины вызывают сверхчувствительность и отмирание инфицированных клеток, особенно у растений рода Nicotiana . Наиболее интенсивное образование фитофторой элиситинов происходит при росте ми-

Обнаружено, что элиситины способны переносить сте-ролы через мембраны, так как имеют стеролсвязывающий сайт . Многие патогенные грибы сами не могут синтезировать стеролы, что делает понятной роль элиситинов не только в питании микроорганизмов, но и в индуцировании защитной реакции растений. Из фитофторы был выделен гликопротеидный элиситор 42 кДа . Его активность и связывание с белковым рецептором плазмалеммы, мономерная форма которого представляет собой белок 100 кДа , обеспечивалась олигопептидным фрагментом из 13 аминокислотных остатков. Расоспецифичный элиситорный пептид, состоящий из 28 остатков аминокислот с тремя дисуль-фидными группами, удалось получить из фитопатогенного гриба Cladosporium fulvum , причем образовывался пептид из предшественника, содержавшего 63 аминокислоты. Этот фактор авиру-лентности обнаруживал структурную гомологию с рядом небольших пептидов, таких как ингибиторы карбоксипеп-тидазы и блокаторы ионных каналов , и связывался рецепторным белком плазмалеммы, по-видимому, вызывая его модуляцию, димеризацию и передачу сигнального импульса в сигнальные системы . Из более крупного пре-протеина Cladosporium fulvum, состоящего из 135 аминокислот, в ходе посттрансляционного процессинга образуется элиситорный белок, насчитывающий 106 аминокислот. Элиситорные белки, продуцируемые ржавчинным грибом Uromyces vignae, представляют собой два небольших полипептида 5,6 и 5,8 кДа, по свойствам непохожие на другие элиситины . Среди бактериальных белковых элиситоров наиболее изучены харпины

Многие фитопатогенные бактерии продуцируют элиситорные олигопептиды (созданы их синтетиче-

ские аналоги), соответствующие наиболее консервативным участкам белка - флагеллина ,

являющегося важным фактором вирулентности этих бактерий. Из Erwinia amylovora выделен новый элиситорный белок, С-область которого гомологична ферменту пектатлиазе, способной вызывать появление эли-ситорных олигомерных фрагментов - продуктов деградации пектина . Патогенная бактерия Erwinia carotovora экскретирует элиситорный белок харпин и ферменты пектатлиазу, целлюлазу, полигалактуроназу и протеазы, гидролизующие полимерные компоненты клеточных стенок растенияхозяина (см. рис. 2), в результате чего образуются олигомерные элиситорные молекулы . Интересно, что пектатлиаза, выделяемая Erwinia chrysanthemi ,

приобретала активность в результате внеклеточного процессинга. Некоторые липиды и их производные также относятся к

элиситорам, в частности 20-углеродные полиненасыщенные жирные кислоты некоторых патогенов - арахидоно-вая и эйкозапентаеновая [Ильинская и др., 1991; Озерец-ковская и др., 1993; Озерецковская, 1994; Гилязетдинов и др., 1995; Ильинская и др., 1996а, б; Ильинская, Озерец-ковская, 1998], и их оксигенированные производные. В обзорной работе [Ильинская и др., 1991] обобщаются данные об элиситорном действии на растения липидов (липопро-теинов), продуцируемых патогенными грибами. Оказалось, что элиситорным эффектом обладает не белковая часть липопротеинов, а их липидная часть, представляющая собой не свойственные для высших растений арахидоно-вую (эйкозатетраеновую) и эйкозопентаеновую кислоты. Они вызывали образование фитоалексинов, некротиза -цию тканей и системную устойчивость растений к различным патогенам. Продукты липоксигеназного превращения в тканях растений С20 жирных кислот (гидроперокси-, гидрокси-, оксо-, циклические производные, лейкотрие-ны), образующиеся в клетках растения-хозяина с помощью ферментного липоксигеназного комплекса (субстратами которого могут быть как С,8 , так и С20 полиеновые жирные кислоты), оказывали сильнейшее влияние на защитную реакцию растений. Это объясняется, по-видимому, тем, что в неинфицированных растениях нет оксиге-

нированных производных 20-углеродных жирных кислот, и их появление в результате инфицирования приводит к драматическим результатам, например к образованию некрозов вокруг инфицированных клеток, что создает барьер для распространения патогенов по растению.

Имеются данные, что индуцирование патогеном липоксигеназной активности приводило к формированию ответной реакции растения и в том случае, когда элиситор не содержал С20 жирных кислот и субстратом липоксигеназной активности могли быть только собственные С18 полиеновые жирные кислоты, а продуктами - октадеканоиды, а не эйкозаноиды. Элиситорными свойствами обладают также сиринголиды [Л et al., 1998] и цереброзиды - сфинголипид-ные соединения . Цереброзиды А и С, изолированные из Magnaporthe grisea, были наиболее активными элиситорами для растений риса. Продукты деградации цереброзидов (метиловые эфиры жирных кислот, сфинго-идные основания, гликозил-сфингоидные основания) не обнаруживали элиситорной активности.

Некоторые элиситоры образуются в результате действия на ткани растений гидролаз, выделяемых патогенами. Назначение гидролаз двоякое. С одной стороны, они обеспечивают питание патогенов, необходимое для их развития и размножения, с другой - разрыхляют механические барьеры, стоящие на пути проникновения патогенов в места их обитания в растениях.

Одним из таких барьеров является кутикула, состоящая главным образом из гетерополимера кутина, погруженного в воск. Обнаружено более 20 мономеров, из которых состоит кутин

Это различной длины насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты и спирты, в том числе гидроксилированные и эпокси-дированные, дикарбоксиловые длинноцепочечные кислоты и т.д. В кутине большинство первичных спиртовых групп участвует в образовании эфирных связей, так же как часть вторичных спиртовых групп, обеспечивающих сшивки между цепями и точки ветвления в полимере. Часть другого "барьерного" полимера - суберина, по составу близка к кутину. Главное его отличие в том, что свободные жирные кислоты являются основным компонентом субериновых восков, в то время как в кутине их очень мало. Кроме того, в суберине

присутствуют главным образом С22 и С24 жирные спирты, в то время как в кутине - С26 и С28 . Для преодоления поверхностного механического барьера растений многие патогенные грибы выделяют ферменты, гидролизу-ющие кутин и часть составляющих суберина. Продуктами кутиназной реакции были различные оксигенированные жирные кислоты и спирты , в основном 10,16- дигидрокси-Ск,- и 9,10,18-тригидрокси-С|8 -кислоты, представляющие собой сигнальные молекулы, индуцирующие в прорастающей споре гриба образование и выделение дополнительных количеств кутиназы, "разъедающих" кутин и облегчающих проникновение гриба внутрь растения. Было обнаружено, что лаг-период появления у гриба кутиназной мРНК после начала образования упомянутых выше ди- и триоксикислот составляет всего 15 мин, а выделения дополнительной кутиназы - в два раза больший. Повреждение гена кутиназы у Fusarium solani сильно снижало степень вирулентности этого гриба . Ингибирование кутиназы с помощью химических препаратов или антител предотвращало инфицирование растений. Предположение о том, что оксигенированные продукты деградации кути-на могут выступать в роли не только индукторов образования кутиназы у патогенов, но и элиситоров защитных реакций у растения-хозяина [Тарчевский, 1993], впоследствии подтвердилось .

После проникновения патогенных микроорганизмов через кутикулу одни из них перемещаются в проводящие пучки растений и используют для своего развития имеющиеся там питательные вещества, а другие транспортируются внутрь живых клеток хозяина. В любом случае патогены встречаются с еще одним механическим барьером - клеточными стенками, состоящими из различных полисахаридов и белков и в большинстве случаев укрепленными жестким полимером - лигнином [Тарчевский, Марченко, 1987; Tarchevsky, Marchenko, 1991]. Как уже упоминалось выше, для преодоления этого барьера и обеспечения своего развития углеводным и азотным питанием патогены выделяют ферменты, гидролизующие полисахариды и белки клеточных стенок.

Специальные исследования показали, что при взаимодействии бактерий и тканей растения-хозяина ферменты

деградации появляются не одновременно. Например, пектилметилэстераза присутствовала и в неинокулированных бактерией Erwinia carotovora subsp. atroseptia тканях клубней картофеля , тогда как полигалактуроназная, пектатлиазная, целлюлазная, протеазная и ксила-назная активности появлялись соответственно через 10, 14, 16, 19 и 22 ч после инокуляции.

Оказалось, что олигосахаридные продукты деградации полисахаридов клеточных стенок растений обладают элиситорными свойствами. Но активные олигосахариды могут образовываться и полисахаридами, входящими в со став клеточных стенок патогенов. Известно, что одним из способов защиты растений от патогенных микроорганизмов является образование после инфицирования и выделение за пределы плазмалеммы ферментов - хитиназы и β-1,3-глюканазы, гидролизующих полисахариды хитин и β-1,3-полиглюканы клеточных стенок патогенов, что приводит к подавлению их роста и развития. Обнаружено, что олигосахаридные продукты такого гидролиза являются и активными элиситорами защитных реакций растений. В результате действия олигосахаридов повышается устойчивость растений к бактериальной, грибной или вирусной инфекции .

Олигосахаридным элиситорам, их строению, активности, рецепторам, "включению" ими сигнальных систем клеток, индукции экспрессии защитных генов, синтезу фитоалексинов, реакции сверхчувствительности и другим ответам растений посвящен целый ряд обзорных статей .

В лаборатории Элберсгейма , а затем в ряде других лабораторий показано, что олигогликозиды, образующиеся в результате патогениндуцированной эндогликозидазной деградации гемицеллюлоз и пектиновых веществ растений, хитина и хитозана грибов, могут играть роль биологически активных веществ. Было даже предложено считать их новым классом гормонов ("олигосахаринов", в отличие от олигосахаридов, не обладающих активностью). Образование олигосахаридов в результате гидролиза полисахаридов, а не в ходе синтеза из моносахаридов было показано на примере

АВ11 и АВ12 играют ключевую роль в АБК-индуциро-

ванном сигнальном пути . Наблюдались рН-зависимая и М§2+ -зависимая акти-

вация ABU .

У протеинфосфатаз МР2С основной мишенью является МАРККК, активируемая при воздействии различных стрессоров. Такая специфика становится объяснимой, если учесть, что у некоторых протеинфосфатаз обнаружены места связывания с соответствующими им протеинкиназами

Участниками сигналь-

ных систем клеток. Это позволяет обеспечивать существование комплекса протеинкиназа-протеинфосфатаза и своевременно и эффективно блокировать преобразование и передачу в геном сигнального импульса. Принцип работы этого механизма достаточно прост: накопление определенной протеинкиназы - интермедиата сигнальной цепи - активирует фосфопротеин-фосфатазу и приводит к дефосфорилированию (инактивации) протеинкиназы. Например, активация некоторых протеинкиназ может привести к фосфорилированию и активации соответствующих протеинфосфатаз. При исследовании функционирования протеинфосфатаз часто используют специфические ингибиторы, например окадаевую кислоту и каликулин .

ФАКТОРЫ РЕГУЛЯЦИИ ТРАНСКРИПЦИИ

Синтез матричных РНК катализируется ДНК-зависи- мыми РНК-полимеразами"- одними из наиболее крупных белковых комплексов, состоящих из двух больших и 5- 13 малых субъединиц, что определяется сложностью и важностью их фу нкций. Эти субъединицы имеют консервативные последовательности аминокислот, в большей или меньшей степени общие для животных и растений, iАктивность РНК-полимеразы и узнавание транскрибируемых генов регулируются с помощью нескольких типов белков. Наибольшее внимание привлекают факторы регуляции транскрипции." Эти белки способны взаимодействовать с другими белками, в том числе с идентичными, изменять конформацию при фосфорилировании нескольких входящих в их состав аминокислот,[узнавать регуляторные последовательности нуклеотидов в промоторных участках генов, что приводит к изменению интенсивности их экспрессии.: Именно факторы регуляции транскрипции направляют РНК-полимеразу на точку инициации транскрипции соответствующего гена (или совокупности генов), не участвуя непосредственно в каталитическом акте син - теза мРНК.

У животных организмов определены особенности структуры более 1 тысячи факторов регуляции транс - крипции. Клонирование их генов способствовало получению информации, позволившей осуществить классификацию этих белков.

Все факторы регуляции транскрипции содержат три основных домена. Наиболее консервативным является ДНКсвязывающий домен. Последовательность аминокислот в нем определяет узнавание определенных последовательностей нуклеотидов в промоторах генов.

В зависимости от гомологии первичной и вторичной структур ДНК-связывающего домена факторы регуляции транскрипции подразделяются на четыре суперкласса: 1) с доменами, обогащенными основными аминокислотами; 2) с ДНК-связывающими доменами, координирующими ионы цинка, - "цинковыми пальцами"; 3) с доменами типа спи- раль-поворот-спираль; 4) с доменами типа |3-скэффолд, образующими контакты с малой бороздкой ДНК [Патрушев, 2000]. Каждый суперкласс подразделяется на классы, семейства и подсемейства. В суперклассе 1 обращают на себя внимание факторы регуляции транскрипции с доменами типа "лейциновая застежка-молния", представляющими собой ос-спирали, у которых каждая седьмая аминокислота является лейцином, выступающим с одной стороны спирали. Гидрофобное взаимодействие остатков лейцина одной молекулы с аналогичной спиралью другой молекулы обеспечивает димеризацию (по аналогии с застежкоймолнией) факторов регуляции транскрипции, необходимую для взаимодействия с ДНК.

В суперклассе 2 "цинковые пальцы" представляют собой последовательности аминокислот, содержащие четыре остатка цистеина, которые оказывают координирующее действие на ион цинка. "Цинковые пальцы" взаимодействуют с большой бороздкой ДНК. В другом классе этого суперкласса структура "цинковых пальцев" обеспечивается двумя остатками цистеина и двумя остатками гистидина (рис. 5), еще в одном классе координация двух ионов цинка в одном "пальце" осуществляется шестью остатками цистеина. Вершины "цинковых пальцев" контактируют с большой бороздкой ДНК.

Исследование структуры факторов регуляции транскрипции у растений позволило установить гомологию с белками этого типа, характерными для животных объектов. Типичные факторы регуляции транскрипции содержат следующие три основных структурных элемента: ДНК-связы- вающий, олигомеризационный и регуляторный домены . Мономерные формы транскрипционных факторов неактивны, в отличие от димерных (олигомерных). Образованию олигомерных форм предшествует фосфорилирование мономерных форм в цитозоле, затем происходит их ассоциация и после этого доставка в ядро или с помощью

Рис. 5. Структура "цинкового пальца" фактора регуляции транскрипции

Г - остаток гистидина; Ц-S - остаток цистеина

специальных транспортных белков или благодаря взаимодействию с рецепторными белками в порах ядерной мембраны, после чего они переносятся в ядро и взаимодействуют с промоторными участками

соответствующих генов. "Факторы регуляции транскрипции кодируются мультигенными семействами, и их синтез может индуцироваться патогенами и элиситорами, а активность изменяться в результате посттрансляционной модификации (главным образом, фосфо-рилирования или дефосфорилирования).

В настоящее время создана все более расширяющаяся база данных о структуре различных факторов регуляции транскрипции и их генов у растений . Показано, что специфичность связывания с ДНК определяется аминокислотными последовательностями стержневой и петлевой зон в уже упоминавшихся лейциновых "застежкахмолниях", представляющих собой одну из наиболее многочисленных и консервативных групп эукариотиче-ских факторов регуляции транскрипции . Часто факторы регуляции транскрипции классифицируются именно по структуре ДНК-связывающих доменов, которые могут включать спиральные последовательности аминокислот, "цинковые пальцы" - участки с двумя цистеино-выми и двумя гистидиновыми остатками или со многими ци-стеиновыми остатками и т.д. У растений от одного до четырех "цинковых пальцев" найдены в ДНК-связывающих доменах факторов регуляции транскрипции .

Механизм взаимодействия факторов регуляции транскрипции с ДНК-зависимыми РНК-полимеразами и промоторными участками генов остается одной из ключевых и все еще недостаточно изученных проблем функционирования генома клеток. Особенно скудна информация, касающаяся растительных объектов.

Мутации в генах, кодирующих факторы регуляции транскрипции у животных, могут привести к определенным заболеваниям .

У растений описаны представители семейства генов, кодирующих факторы регуляции транскрипции с лейциновыми "застежками-молниями". Было показано, что транскрипционные факторы этого типа отвечают за салицилатиндуцированное образование защитных антипатогенных белков и что мутации в указанных генах приводят к потере способности синтезировать эти белки

ПРОМОТОРЫ ГЕНОВ БЕЛКОВ СИГНАЛЬНЫХ СИСТЕМ И ЗАЩИТНЫХ БЕЛКОВ

В настоящее время интенсивно исследуется структура промоторных участков генов, отвечающих за приобретение иммунитета к различным патогенам. Уже давно привлекает внимание факт практически одновременного синтеза целого ряда патогениндуцируемых белков: Это может быть вызвано как дивергенцией сигнальных путей в одной сигнальной системе, что обусловливает активацию нескольких типов факторов регуляции транскрипции, так и "включением" тем или иным элиситором нескольких сигнальных систем, которые, функционируя параллельно, активируют несколько типов факторов регуляции транскрипции и, вследствие этого, вызывают экспрессию нескольких видов защитных белков. Не исключена также возможность того, что промоторы генов нескольких индивидуальных белков имеют одну и ту же структуру регуляторных элементов, что приводит к их одновременной экспрессии даже в случае сигнальной активации одного представителя факторов регуляции транскрипции.1

Последний вариант имеет место при действии на растения стрессового фитогормона этилена, когда фактор регуляции транскрипции взаимодействует с GCC-боксом промоторных участков нескольких этилениндуцируемых генов, что обеспечивает более или менее одновременное образование целой группы этилениндуцируемых белков . Такой принцип пакетного синтеза защитных белков реализуется при ответе клеток на различные стрессоры или элиситоры (к вторичным элиситорам можно отнести и стрессовые фитогормоны). Например, при действии повышенных температур индуцируется транскрипция группы генов, содержащих в промоторных участках общий регуля-

торный элемент HSE (heat shock element), отсутствующий у других генов . Эта закономерность была подтверждена с помощью приема создания гибридных генов с промотором гена теплового шока, состыкованного с другим геном, обычно не изменяющим интенсивности экспрессии при действии повышенных температур. В случае же трансгенных растений начиналась его экспрессия. В эукариотических клетках обнаружены также промоторные участки со сходными последовательностями нуклеотидов у различных генов, индуцируемых одним и тем же интермедиатом (вторичным посредником) сигнальных систем, например циклическим АМФ. В последнем случае сигнальная последовательность нуклеотидов промоторного участка имеет обозначение CRE (cyclic AMP response element).

У арабидопсиса обнаружена глюкокортикоидная система активации факторов регуляции транскрипции, включение которой приводило к экспрессии патогениндуцируемых защитных генов [Н. Kang et al., 1999]. Распространенными последовательностями нуклеотидов в G-боксе про-

моторов были CCACGTGG, а в С-боксе - TGACGTCA .

Вирус табачной мозаики и салициловая кислота вызывали у растений табака индукцию двух генов факторов регуляции транскрипции класса WRKY, узнающих в промоторных участках защитных генов определенную последовательность нуклеотидов - TTGAC (W-box). Активация этих факторов регуляции транскрипции осуществлялась с помощью их фосфорилирования протеинкиназами . Все белки класса WRKY, в отличие от других классов транскрипционных факторов (таких, как bZIP и myb), имеют консервативный домен, содержащий гептамерный пеп-

тид WRKYGQK .

(Один из доменов фактора регуляции транскрипции, отвечающего за преобразование жасмонатного сигнала, активирует регуляторный участок промотора нескольких генов, кодирующих жасмонат- и элиситор-индуцируемые белки, в частности стриктозидин-синтазу . Оказалось, что активирующим действием обладает N-концевой кислый домен фактора регуляции транскрипции, а обогащенный остатками серина С-концевой домен -I ингибирующим.

Показано, что промотор гена фенилаланин-аммиак-лиа- зы (важнейшего стартового фермента разветвленного метаболического процесса синтеза соединений, играющих защитную роль, - салицилата, фенольных кислот, фенилпропаноидных фитоалексинов и лигнина) содержит по две копии обогащенных АС-повторами участков .

При изучении промотора гена другого фермента синтеia фитоалексинов - халконсинтазы, у культуры клеток бобов, табака и риса было обнаружено, что в активации промотора принимают участие G-бокс (CACGTG) в области от -74 до -69 пар нуклеотидов и Н-боксы (ССТАСС) в области от -61 до -56 и от -126 до -121 пар нуклеотидов .

В других опытах было выяснено, что при действи и элиситоров экспрессия гена халконсинтазы у растений гороха зависит от области промотора от -242 до -182 пар нуклеотидов, в которой два участка содержат идентичные AT последовательности -ТААААТАСТ-, причем одна из них, располагающаяся в области от -242 до -226, была необходима для проявления максимальной активности гена .

Промотор гена стриктозидин-синтазы, одного из ключевых элиситориндуцируемых ферментов синтеза терпеноидных фитоалексинов, имеет активируемую факторами регуляции транскрипции область от -339 до -145 пар нуклеотидов . G-бокс, расположенный вблизи -105 пары нуклеотидов, не влиял на активность промотора.

При исследовании активности гена |3-1,3-глюканазы у растений табака было обнаружено, что она зависит от области промотора от -250 до -217 пар нуклеотидов, содержащей последовательность -GGCGGC-, характерную для промоторов генов, кодирующих патогениндуцируемые щелоч-

ные белки .

Так называемый PR-бокс промоторных участков многих патогениндуцируемых белков содержит последовательность (5"-AGCCGCC-3"), с которой связываются соответствующие факторы регуляции транскрипции, что приводит к экспрессии генов этих белков, в частности эндохитиназ и Р-1,3-глюканаз у растений томатов .

Многие гены патогениндуцируемых белков содержат в промоторах так называемые ocs-элементы, с которыми взаимодействуют факторы регуляции транскрипции, имеющие в своей структуре лейциновые застежки -молнии. У растений арабидопсиса факторы регуляции транскрипции, ответственные за преобразование этиленового сигнала, связываются и с GCC-боксом и с ocs-элементами промоторов, что приводит к экспрессии целого ряда защитных белков .

Исследование трансгенных растений табака с промотором щелочной хитиназы и репортерным геном GUS позволило установить, что активируемая этиленовым сигналом область промотора находится между -503 и -358 парами нуклеотидов, где имеются две копии GCC-бокса (5"- TAAGAGCCGCC-3") , который характе-

рен для промоторов многих этилениндуцируемых белков. Дальнейший анализ показал, что ответственный за реакцию на этилен участок промотора с двумя копиями GCC-бо- кса расположен между -480 и -410 парами нуклеотидов.

При исследовании реакции растений табака на обработку этиленом и инфицирование вирусом мозаики было обнаружено, что активность промотора гена (3-1,3-глюканазы зависит от области, расположенной между -1452 и -1193 парами нуклеотидов, где имеются две копии гептануклеотида

5-AGCCGCC-3" . Найдены и допол-

нительные области, существенные для регуляции активности промотора.

Рассмотренные выше элиситоры, рецепторы элиситоров, G-белки, протеинкиназы, протеинфосфатазы, факторы регуляции транскрипции, соответствующие им промоторные участки генов принимают участие в функционировании целого ряда сигнальных систем клеток, от которых зависит их реакция на сигналы различной природы и интенсивности: аденилатциклазной, МАР-киназной, фосфатидатной, кальциевой, липоксигеназной, НАДФН-оксидазной, NOсинтазной и протонной.

АДЕНИЛАТЦИКЛАЗНАЯ СИГНАЛЬНАЯ СИСТЕМА

Эта сигнальная система получила свое название по впервые охарактеризованному Сазерлендом ферменту аденилатциклазе, катализирующей образование основного сигнального интермедиата этой системы - циклического аденозинмонофосфата (цАМФ). Схема аденилатциклазной системы такова: внешний химический сигнал, например гормон или элиситор, взаимодействует с белкомрецептором плазмалеммы, что приводит к активации G- белка (связывания им ГТФ) и передаче сигнального импульса на фермент аденилатциклазу (АЦ), который катализирует синтез цАМФ из АТФ (рис. 6).

В аденилатциклазной системе различают Gs-белки, стимулирующие аденилатциклазу, и (5,-белки, тормозящие активность фермента. Различия между этими двумя видами белков определяются в основном особенностями ос-субъ- единиц, а не (3- и у-субъединиц. Молекулярные массы ocs - субъединиц G-белка равны 41-46 кДа, аг субъединиц - 40-41 кДа, (3,- и Р2 -субъединиц - 36-35 кДа, у-субъединиц -8- 10 кДа. Связывание G-белками ГТФ и его гидролиз до ГДФ и неорганического ортофосфата обеспечивают обратимость процессов активации аденилатциклазы .

Аденилатциклаза является мономерным интегральным белком плазматической мембраны и поэтому с трудом поддается экстракции и переходу в растворимую форму. Молекулярная масса аденилатциклазы клеток животных равна 120-155 кДа; имеются также растворимые формы аденилатциклазы 50-70 кДа, не чувствительные к кальмодулину и G-белкам . У растений молекулярная масса аденилатциклазы составляет 84 кДа. Кривая зависимости активности аденилатциклазы от рН имела одновершинный характер, причем пик активности для этого фер-

мента находился в области рН 4,8-5,2 .

Получены данные об изоформе аденилатциклазы с оптиму-

мом рН, равным 8,8 .

Аденилатциклаза может модифицироваться с внешней стороны мембраны гликозилированием, а с внутренней - фосфорилированием А-киназой [Северин, 1991]. Активность мембранной аденилатциклазы зависит от фосфолипидного окружения - соотношения фосфатидилхолина, фо- сфатидил-этаноламина, сфингомиелина, фосфатидилс"ери-

на и фосфатидилинозитола.

Элиситориндуцируемое повышение содержания цАМФ в клетках имеет преходящий характер, что объясняется активацией ФДЭ и, возможно, связыванием цАМФ-зависимы- ми протеинкиназами. Действительно, повышение концентрации цАМФ в клетках активирует различные цАМФ-зави- симые протеинкиназы, которые могут фосфорилировать различные белки, в том числе факторы регуляции транс - крипции, что приводит к экспрессии различных генов и ответу клетки на внешнее воздействие.

Коэффициент умножения сигнала, достигаемый при его передаче в геном и экспрессии генов, составляет многие тысячи. Схема умножения сигнала при функционировании аденилатциклазной сигнальной системы часто используется в учебниках биохимии . Эта сигнальная система продолжает интенсивно исследоваться на различных объектах, пополняя представления об информационном поле клеток и его связи с внешними информационными потоками.

Необходимо заметить, что вопрос о функционировании аденилатциклазной сигнальной системы в растительных объектах на протяжении почти четверти век а продолжал оставаться дискуссионным, разделяя исследователей на ее

ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОВ

Рис. 6. Схема функционирования аденилатциклазной сигнальной

системы АЦ* - активная форма аденилатциклазы; ПКА и ПКА*- неактив-

ная и активная формы протеинкиназы А; ПЛплазмалемма; ФДЭ - фосфодиэстераза; ФРТ* - активная форма фактора регуляции транскрипции

сторонников [Доман, Феденко, 1976; Королев, Выскребенцева, 1978; Franco, 1983; Яворская, Калинин, 1984; Newton, Brown, 1986; Каримова, 1994, Assman, 1995; Trewavas, Malho, 1997; Trewavas, 1999; и др.] и противников . Первые опирались на данные о повышении активности аденилатциклазы и содержания цАМФ под действием фитогормонов и патогенов, об имитации экзогенным цАМФ действия различных фитогормонов, вторые - на факты, свидетельствовавшие о незначительном содержании цАМФ в растениях, об отсутствии в целом ряде опытов влияния фитогормонов на активность аденилатциклазы и т.д.

Успехи в области молекулярной генетики, сопоставление структуры генов белков-участников аденилатциклазной сигнальной системы у животных и растений склонили чашу весов в пользу сторонников ее функционирования у растений . Результа-

ты использования экзогенного цАМФ [Килев, Чекуров, 1977] или форсколина (активатора аденилатциклазы) свидетельствовали об участии цАМФ в сигналиндуцированнои цепи передачи сигнала. Применение теофиллина - ингибитора фосфодиэстеразы цАМФ, которая в растениях оказалась достаточно активной, показало, что приходная часть баланса цАМФ осуществляется достаточно интенсивно [Яворская, 1990; Каримова и др., 1990]. Были получены данные об изменении содержания цАМФ в растениях под влиянием патогенов , его необходимости для формирования ответа на действие патогенов [Зарубина и др., 1979; Очеретина и др., 1990].

Обращает на себя внимание факт АТФ-зависимого выделения во внеклеточную среду значительной части цАМФ, образованного в клетках животных , прокариот , водорослей и высших рас-

тений . По-

казательно, что у растений, так же как у животных, можно было снизить накопление цАМФ в клетках и выход его во внеклеточную среду с помощью простагландина , не обнаруживаемого в растениях. Возмож-

но, что эту роль выполняет аналогичный простагландину оксилипин - жасмонат. Предполагается возможность участия в выносе цАМФ из клетки специальных АТФ-связыва-

ющих белков .

Целесообразность секреции цАМФ из клеток растений в среду объясняют, в первую очередь, необходимостью достаточно быстрого снижения концентрации этого вторичного посредника для того, чтобы не происходило перевозбуждения клеток . Относительно быстрое снижение концентраций вторичных посредников после достижения максимального уровня является непременнной неспецифической чертой функционирования всех сигнальных систем.

Вероятно, выводимый за пределы плазмалеммы цАМФ принимает участие в регуляции внеклеточных процессов [Шиян, Лазарева, 1988]. Это мнение может основываться на обнаружении экто-цАМФ-зависимых протеинкиназ , использующих секрецию цАМФ из клеток для активирования фосфорилирования белков за пределами плазмалеммы. Полагают также, что цАМФ вне клетки может выполнять роль первого посредника [Федоров и др., 1990], индуцируя запуск каскада реакций сигнальных систем в соседних клетках, что было показано на примере многоклеточных слизевых грибов .

Привлекают внимание данные, полученные на животных объектах, об ингибировании экзогенным аденозином (который может рассматриваться в качестве продукта деградации цАМФ) кальциевых каналов клеток [Меерсон, 1986] и активировании - калиевых каналов [Орлов, Максимова, 1999].

Большой интерес вызывает информация о возможности регуляции секретируемым цАМФ развития патогенных грибов , в частности ржавчины ячменя , Magnaporthe grisea, поражающего растения риса , пыльной головни Ustilago maydis , Erysiphe graminis , Colletotrichum trifolii , пигментирования Ustilago hordei . В зависимости от концентрации цАМФ происходила стимуляция или подавление развития грибов. Полагают, что у них в трансдукции цАМФ-сигнала принимают участие гетеротримерные G-белки .

Накапливается все больше данных о влиянии различных сигнальных молекул на секрецию цАМФ растительными клетками. Было показано, что роль АБК в адаптации растений к стрессу может заключаться в ее способности регулировать содержание и выход цАМФ из клеток. Предполагается, что уменьшение содержания цАМФ при действии АБК вызвана АБК-индуцированным повышением содержания Са2+ в цитозоле и ингибированием аденилатциклазы. Известно, что Са2+ в высокой концентрации ингибирует активность аденилатциклазы у эукариот . В то же время Са2+ может уменьшить содержание цАМФ, индуцируя повышение активности фосфодиэстеразы, гидролизующей цАМФ. Действительно, активация фосфодиэстеразы цАМФ комплексом Са2+ -кальмодулин была обнаружена у растительных объектов [Феденко, 1983].

Показана зависимость профиля фосфорилированности полипептидов от экзогенного цАМФ. Число полипептидов, фосфорилирование которых стимулировалось цАМФ, было наибольшим при микромолярной концентрации цАМФ. Привлекает внимание факт сильного цАМФ-индуцирован- ного повышения фосфорилированности полипептида 10 кДа при низкой температуре (рис. 7) [Каримова, Жуков, 1991; Ягушева, 2000]. Интересно, что полипептид с такой молекулярной массой является белковым регулятором фосфодиэстеразы цАМФ, который активируется абсцизовой кислотой и Са2+ и снижает содержание цАМФ за счет его гидролиза фосфодиэстеразой.

Изучение особенностей активации цАМФ-зависимых протеинкиназ и фосфорилирования ими различных бел - ков - одно из важнейших направлений исследований аденилатциклазной сигнальной системы. цАМФ-зависимые протеинкиназы (ПКА) - это ферменты, активирующиеся при взаимодействии с цАМФ и катализирующие перенос концевого остатка фосфорной кислоты с АТФ на гидро - ксильные группы сериновых или треониновых остатков белков-акцепторов. Ковалентная модификация белков, осуществляемая при фосфорилировании, приводит к изменению их конформации и каталитической активности, вызывая ассоциацию или диссоциацию их субъединиц и т.д.

Молекулярная масса белков, кДа

Рис. 7. Влияние цАМФ на фосфорилирование белков трехдневных проростков гороха [Каримова, Жуков, 1991]

1 - контроль: срезанные побеги переносили на 2 ч черешками в воду, затем еще на 2 ч - в раствор меченного по 32 Р ортофосфата; 2 - срезанные растения переносили на 2 ч в раствор 1 мкМ цАМФ, затем еще на 2 ч - в раствор меченного по 32 Р ортофосфата

Субстратами в протеинкиназной реакции являются MgАТФ и фосфорилируемый белок. Белковые субстраты могут быть одновременно субстратами для цГМФ- и цАМФзависимых протеинкиназ по одним и тем же остаткам серина (треонина), но скорость цАМФ-зависимого фосфорилирования в 10-15 раз больше, чем у цГМФ-зависимых протеинкиназ . Субстраты цАМФ-зависимых протеинкиназ располагаются во всех частях клетки: цитозоле, эндоплазматическом ретикулуме (ЭПР), аппарате Гольджи, секреторных гранулах, цитоскелете и ядре.

Из клеток растений были выделены протеинкиназы, активируемые экзогенным цАМФ, например, из колеоптилей кукурузы - протеинкиназа 36 кДа . Като и соавт. выделили из ряски Lemna paucicostata три типа протеинкиназ: 165, 85 и 145 кДа, одна из которых ингибировалась цАМФ, другая активировалась цАМФ и третья была цАМФ-независимой.

Второй тип протеинкиназ фосфорилировал полипептиды

59, 19, 16 и 14 кДа.

Экзогенный цАМФ вызывал изменения (в основном, ингибирование) фосфорилирования ряда полипептидов хлоропластов, опосредованного участием протеинкиназ

Один из первых генов протеинкиназы, клонированных в растениях, был похож на семейство протеинкиназ А животных по последовательностям нуклеотидов . Имеются примеры сходства аминокислотных последовательностей протеинкиназ А из растений (их гомологию) с протеинкиназами А животных. Несколько групп исследователей сообщили о клонировании генов, гомологичных гену протеинкиназы А (обзорные работы: ). Протеинкиназа из петунии фосфорилировала специфичный синтетический субстрат протеинкиназы А . Сообщалось о том, что добавление цАМФ к экстрактам растений стимулирует фосфорилирование специфичных белков . Исследование мест фосфорилирования в фенилаланин-аммиак-лиазе (ФАЛ) - ключевом ферменте биосинтеза фитоалексинов, обнаружило сайты, специфичные для протеинкиназы A .

Использование высокоспецифичного белкового ингибитора (БИ) цАМФ-зависимых протеинкиназ позволило подтвердить предположение , что цАМФ-зависимые протеинкиназы могут быть активированы эндогенным цАМФ еще в процессе приготовления образца: БИ подавлял базальную протеинкиназную активность экстрактов из листьев в разных опытах на 30-50% [Каримова, 1994]. Интермедиаты липоксигеназной сигнальной системы ГДК и МеЖК активировали в присутствии цАМФ протеинкиназную активность на 33- ^8% [Каримова и др., 19996]. Салициловая кислота индуцировала повышение уровня цАМФ-зависимой фосфорилированности полипептидов 74, 61 и 22 кДа в листьях гороха [Мухаметчина, 2000]. цАМФ-стимулируемая протеинкиназная активность растворимых белков листьев гороха зависела от концентрации Са2+ [Каримова и др., 1989; Тарчевская, 1990; Каримова, Жуков, 1991], причем ферментативная активность обнаруживалась также в изолированных клеточных стенках, ядрах, плазматических мембранах.

В растениях найдены гены, кодирующие фермент протеинфосфатазу, мишенью которой являются белки, фосфорилированные с помощью протеинкиназы А.

Для характеристики аденилатциклазной сигнальной системы чрезвычайно важен факт обнаружения в растениях генов, кодирующих белковые факторы регуляции транскрипции, которые имеют протяженные последовательности нуклеотидов, гомологичные CREBS - цАМФ-связываю- щему фактору транскрипции у животных .

Многочисленные данные о влиянии цАМФ на ионные каналы клеток растений и относительно слабая экспериментальная база представлений о возможности передачи сигналов от цАМФ через фосфорилирование белковых факторов регуляции транскрипции в геном, с одной стороны, укрепляют позиции сторонников существования непрямого (через активацию ионных каналов) сигнального аденилатциклазного пути и, с другой, заставляют усилить попытки получения доказательств функционирования прямого цАМФ-сигнального пути.

МАР-КИНАЗНАЯ СИГНАЛЬНАЯ СИСТЕМА

Митогенактивируемые серин-треонинового типа протеинкиназы (МАРК) и МАР-киназный сигнальный каскад (сигнал -> рецептор -> G-белки -> МАРККК -»

-> МАРКК -> МАРК -> ФРТ -> геном), достаточно полно изученные в животных объектах, функционируют и в клетках растений (рис. 8). Им посвящены обзорные статьи

И работы экспериментального характера, в которых сообщаются сведения об индивидуальных представителях этой сигнальной системы и особен-

ностях их регуляции.

МАР-киназный каскад "включается" при митозе (чем и объясняется название этих протеинкиназ), при обезвожива-

нии , гипоосмо-

тическом стрессе , низкой температуре , механическом раздражении растений

Повреждении тканей , окислительном стрессе , действии патогенов , элиситоров (в

том числе харпинов , криптогеина , олигосахаридов ), стрессовых фитогормонов жасмоната , сали-

цилата , системина , этилена ).

Зависимость функционирования МАР-киназного каскада от различных воздействий нашла отражение в названиях некоторых МАР-киназ, например WIPK и SIPK (соответст-

венно wound-induced protein kinases и salicylate-induced protein

Рис. 8. Схема функционирования МАР-киназной сигнальной системы

ККМАРК - киназа киназы МАР-киназы; КМАРК - киназа МАРкиназы; МАРК - митогенактивируемая протеинкиназа. Остальные обозначения - см. рис. 6

Президиум Российской академии наук
ПРИСУДИЛ
премию имени А.Н.Баха 2002 года
академику Игорю Анатольевичу ТАРЧЕВСКОМУ
за цикл работ «Сигнальные системы клеток растений»

Академик И.А. ТАРЧЕВСКИЙ
(Казанский Институт биохимии и биофизики КНЦ РАН, Институт биохимии им.А.Н.Баха РАН)

СИГНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ КЛЕТОК РАСТЕНИЙ

И.А.Тарчевский в течение почти 40 лет исследует влияние абиотических и биотических стрессоров на метаболизм растений. Последние 12 лет наибольшее внимание уделяется одному из наиболее перспективных направлений современной биохимии и физиологии растений — роли сигнальных систем клеток в формировании состояния стресса. По этой проблеме И.А.Тарчевским было опубликовано 3 монографии: «Катаболизм и стресс у растений» , «Метаболизм растений при стрессе» , и «Сигнальные системы клеток растений» . В 30 статьях И.А.Тарчевским и соавторами опубликованы результаты исследований аденилатциклазной , кальциевой , липоксигеназной и НАДФН- оксидазной сигнальных систем клеток растений. Исследуется NО-синтазная сигнальная система .

Анализ особенностей катаболизма растений при стрессе позволил сделать вывод о сигнальной функции «обломков кораблекрушения» — олигомерных продуктов деградации биополимеров и «фрагментов» фосфолипидов . Сделанное в этой работе предположение об элиситорных (сигнальных) свойствах продуктов деградации кутина позднее было подтверждено зарубежными авторами .

Публиковались не только работы экспериментального характера, но и обзоры, в которых подводились итоги исследований сигнальных систем клеток растений отечественными и зарубежными авторами .

Начатые в лаборатории автора А.Н.Гречкиным и затем продолженные им в самостоятельной лаборатории исследования липидного метаболизма позволили получить результаты приоритетного характера, значительно расширившие представления о липоксигеназном сигнальном каскаде. Изучение влияния интермедиата НАДФН-оксидазной системы — салициловой кислоты на синтез белков привело к выводу о причине давно установленной биологической активности другого соединения — янтарной кислоты. Оказалось, что последняя является миметиком салицилата и обработка ею растений «включает» сигнальные системы, что приводит к синтезу салицилат-индуцируемых защитных белков и повышению устойчивости к патогенам .

Было обнаружено, что различные экзогенные стрессовые фитогормоны — жасмоновая, салициловая и абсцизовая кислоты вызывают индукцию синтеза как одних и тех же белков (что свидетельствует о «включении» этими гормонами одних и тех же сигнальных путей), так и специфичных для каждого из них белков (что указывает на одновременное «включение» и различающихся сигнальных каскадов) .
Впервые в мировой литературе И.А.Тарчевским был проведен анализ функционирования в растениях всех известных сигнальных систем клеток и возможностей их взаимовлияния, что привело к представлению о существовании в клетках не изолированных сигнальных систем, а о сигнальной сети, состоящей из взаимодействующих систем .

Была предложена классификация патоген-индуцируемых белков по функциональному признаку и сделан обзор особенностей синтеза «включаемого» различными сигнальными системами синтеза этих белков . Одни из них являются участниками сигнальных систем растений, и их интенсивное образование обеспечивает усиление восприятия, преобразования и передачи в генетический аппарат элиситорных сигналов, другие ограничивают питание патогенов, третьи катализируют образование фитоалексинов, четвертые — реакции укрепления клеточных стенок растений, пятые вызывают апоптоз инфицированных клеток. Функционирование всех этих патоген-индуцированных белков существенно ограничивает распространение инфекции по растению. Шестая группа белков может непосредственно действовать на структуру и функции патогенов, прекращая или подавляя их развитие. Некоторые из этих белков вызывают деградацию клеточной стенки грибов и бактерий, другие дезорганизуют функционирование их клеточной мембраны, изменяя ее проницаемость для ионов, третьи подавляют работу белок-синтезирующей машины, блокируя синтез белков на рибосомах грибов и бактерий или действуя на вирусную РНК.

Наконец, впервые был подведен итог работам по конструированию устойчивых к патогенам трансгенных растений, причем в основу этой обзорной работы была положена упомянутая выше классификация патоген-индуцируемых защитных белков , Особое внимание уделено результатам исследования с помощью трансгенных растений особенностей функционирования сигнальных систем клеток.

Исследования сигнальных систем клеток растений имеет не только большую теоретическую важность (так как они составляют основу молекулярных механизмов стресса), но и большое практическое значение, поскольку позволяют создавать эффективные антипатогенные препараты на основе природных элиситоров и интермедиатов сигнальных систем.

Различным аспектам функционирования сигнальных систем клеток растений были посвящены Тимирязевская, Костычевская и Сисакяновская лекции И.А.Тарчевского (последняя в соавторстве с А.Н.Гречкиным), а также выступления на Международных конференциях (в Венгрии, Англии, Франции, Польше, Турции, Израиле, Индии, Германии и др.).

За исследования одной из сигнальных систем — липоксигеназной, И.А.Тарчевский и чл.-корр.РАН А.Н.Гречкин в 1999 году были удостоены премии имени В.А.Энгельгардта Академии наук Республики Татарстан.

Во многих публикациях И. А.Тарчевского принимали участие в качестве соавторов его коллеги — член-корреспондент РАН А.Н.Гречкин, доктора биологических наук Ф.Г.Каримова, Н.Н.Максютова, В.М.Чернов, О.А.Чернова и кандидат биологических наук В.Г.Яковлева.

В 2001 году по инициативе И.А.Тарчевского и при его участии в качестве председателя Оргкомитета в Москве был проведен Международный симпозиум по сигнальным системам клеток растений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тарчевский И.А. Катаболизм и стресс у растений. Наука. М. 1993. 83 c.
2. Тарчевский И.А. Метаболизм растений при стрессе. Избранные труды. Изд.»Фэн» (Наука). Казань. 2001. 448 с.
3. Тарчевский И.А.Сигнальные системы клеток растений. М.: Наука, 2002. 16,5 п.л. (в печати).
4. Максютова Н.Н., Викторова Л.В., Тарчевский И.А. Действие АТФ и ц-АМФ на синтез белков зерновок пшеницы. // Физиол. биохим. культур. растений. 1989. Т. 21. № 6. С.582-586.
5. Grechkin A.N., Gafarova T.E., Korolev O.S., Kuramshin R.A., Tarchevsky I.A. The monooxygenase pathway of linoleic acid oxidation in pea seedlings. / In: «Biological Role of Plant Lipids». Budapest: Akad. Kiado. New York, London. Plenum. 1989. P.83-85.
6. Tarchevsky I.A., Grechkin A.N. Perspectives of search for eicosаnoid analogs in plants. / In: «Biological Role of Plant Lipids». Budapest: Akad. Kiado. New York, London. Plenum. 1989. P.45-49.
7. Гречкин А.Н., Кухтина Н.В., Курамшин Р.А., Сафонова Е.Ю., Ефремов Ю.Я., Тарчевский И.А. Метаболизация коронаровой и верноловой кислот в гомогенате эпикотилей гороха. // Биоорган. химия. 1990. Т.16. N 3. С. 413-418.
8. Grechkin A.N., Gafarova T.E., Tarchevsky I.A. Biosynthesis of 13-oxo-9(Z), 11(E)-tridecadienoic acid in pea leaf homogenate. / In: «Plant Lipid Biochemistry. Structure and Utilization». London. Portland Press. 1990. P. 304-306.
9. Grechkin A.N., Kuramshin R.A., Tarchevsky I.A. Minor isomer of 12-oxo-10,15-phytodienoic acid and the mechanism of natural cyclopentenones formation. / In: «Plant Lipid Biochemistry. Structure and Utilization». London. Portland Press. 1990. P.301-303.
10. Tarchevsky I.A., Kuramshin R.A., Grechkin A.N. Conversation of α-linolenate into conjugated trienes and oxotrienes by potato tuber lipoxygenase. / In: «Plant Lipid Biochemistry. Structure and Utilization». London. Portland Press. 1990. P. 298-300.
11. Гречкин А.Н., Курамшин Р.А., Тарчевский И.А. Образование нового α-кетола гидропероксид-дегидразой из семян льна. // Биоорган. химия. 1991. Т. 17. № 7. С. 997-998.
12. Grechkin A.N., Kuramshin R.A, Safonova E.Y., Yefremov Y.J., Latypov S.K., Ilyasov A.V., Tarchevsky I.A. Double hydroperoxidation of linolenic acid by potato tuber lipoxygenase. // Biochim. Biophys. Acta. 1991. V. 1081. N 1. P. 79-84.
13. Тарчевский И.А. Регуляторная роль деградации биополимеров и липидов. // Физиол. растений. 1992. Т. 39. N 6. С.156-164.
14. Тарчевский И.А., Максютова Н.Н., Яковлева В.Г. Влияние салициловой кислоты на синтез белков проростков гороха. // Физиология растений. 1996. Т.43. N 5. С. 667-670.
15. Тарчевский И.А., Максютова Н.Н., Яковлева В.Г., Чернов В.М. Микоплазма-индуцированные и жасмонат-индуцированные белки растений гороха. // Доклады РАН. 1996. Т. 350. N 4. С. 544 — 545.
16. Чернов В.М., Чернова О.А.,Тарчевский И.А. Феноменология микоплаз-менных инфекций у растений. // Физиол. растений. 1996. Т. 43. N.5. С. 721 — 728.
17. Тарчевский И.А. О вероятных причинах активирующего действия янтарной кислоты на растения./ В кн.»Янтарная кислота в медицине, пищевой промышленности, сельском хозяйстве». Пущино. 1997. С.217-219.
18. Гречкин А.Н., Тарчевский И.А. Липоксигеназная сигнальная система. // Физиол. растений. 1999. Т. 46. № 1. С. 132-142.
19. Каримова Ф.Г., Корчуганова Е.Е., Тарчевский И.А., Абубакирова М. Р. Na+/Ca+ -обмен в клетках растений. // Доклады РАН. 1999. Т.366. № 6. С. 843-845.
20. Каримова Ф.Г., Тарчевский И.А., Мурсалимова Н.У., Гречкин А.Н. Влияние продукта липоксигеназного метаболизма -12-гидроксидодеценовой кислоты на фосфорилирование белков растений. // Физиол. растений. 1999. Т.46. №1. С.148-152.
21. Тарчевский И.А. Взаимодействие сигнальных систем клеток растений, «включаемых» олигосахаридами и другими элиситорами. // «Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана». Материалы Пятой конференции. М. Изд-во ВНИРО. 1999. С.105-107.
22. Тарчевский И.А., Гречкин А.Н., Каримова Ф.Г., Корчуганова Е.Е., Максютова Н.Н., Мухтарова Л.Ш., Яковлева В.Г., Фазлиев Ф.Н., Ягушева М.Р., Палих Э., Хохлова Л.П. О возможности участия циклоаденилатной и липоксигеназной сигнальных систем в адаптации растений пшеницы к низким температурам. / В кн. «Грани сотрудничества. К 10-летию Соглашения о сотрудничестве между Казанским и Гиссенским университетами». Казань: УНИПРЕСС, 1999. С.299-309.
23. Тарчевский И.А, Максютова Н.Н., Яковлева В.Г., Гречкин А.Н. Янтарная кислота — миметик салициловой кислоты. // Физиол. растений. 1999. Т. 46. № 1. С. 23-28.
24. Гречкин А.Н., Тарчевский И.А. Липоксигеназный сигнальный каскад растений. // Научный Татарстан. 2000. № 2. С. 28-31.
25. Гречкин А.Н., Тарчевский И.А. Сигнальные системы клеток и геном. // Биоорганическая химия. 2000. Т. 26. № 10. С. 779-781.
26. Тарчевский И.А. Элиситор-индуцируемые сигнальные системы и их взаимодействие. // Физиол. растений. 2000. Т.47.№ 2. С.321-331.
27. Тарчевский И.А., Чернов В.М. Молекулярные аспекты фитоиммунитета. // Микология и фитопатология. 2000. Т. 34. № 3. С. 1-10.
28. Karimova F., Kortchouganova E., Tarchevsky I., Lagoucheva M. The oppositely directed Ca+2 and Na+ transmembrane transport in algal cells. // Protoplasma. 2000. V. 213. P. 93-98.
29. Tarchevsky I.A., Karimova F.G., Grechkin A.N. and Moukhametchina N.M. Influence of (9Z)-12-hydroxy-9-dodecenoic acid and methyl jasmonate on plant protein phosphorylation. // Biochemical Society Transactions. 2000. V. 28. N. 6. P. 872-873.
30. Тарчевский И.А. Патоген-индуцируемые белки растений. // Прикладная микробиология и биохимия. 2001. Т. 37. № 5. С. 1-15.
31. Тарчевский И.А., Максютова Н.Н., Яковлева В.Г. Влияние салицилата, жасмоната и АБК на синтез белков. // Биохимия. 2001. Т. 66. N. 1. С. 87-91.
32. Yakovleva V.G., Tarchevsky I.A., Maksyutova N.N. Influence of NO donor nitroprusside on protein synthesis in pea seedlings. // Abstracts of International Symposium «Plant Under Environmental Stress». Moscow. Publishing House of Peoples’ Friendship University of Russia. 2001. P. 318-319.
33. Yakovleva V.G., Maksyutova N.N., Tarchevsky I.A., Abdullaeva A.R. Influence of donor and inhibitor of NO-synthase on protein synthesis of pea seedlings. // Abstracts of International Symposium «Signalling systems of plant cells». Moscow, Russia, 2001, June, 5-7. ONTI, Pushchino. 2001. P. 59.

Тарчевский И. А. Сигнальные системы клеток растений / отв. ред. А. Н. Гречкин. М. : Наука, 2002. 294 с.

УДК 633.11(581.14:57.04)

ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАСТЕНИЙ В АГРОПОПУЛЯЦИИ ПШЕНИЦЫ ПО КЛАССАМ ВАРИАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОДУКТИВНОСТИ КОЛОСА

А. А. Горюнов, М. В. Ивлева, С. А. Степанов

Условия вегетации существенно сказываются на распределении растений в агропопуляции твердой пшеницы по классам вариации числа колосков, количества зерновок колоса и их массы. Среди сортов саратовской селекции в условиях экстремального по агроклиматическим условиям года характерно разное число растений: стародавним сортам - небольших классов, новым сортам - больших классов вариации. Благоприятные агроклиматические условия повышают число растений, относимых к более высоким классам вариации элементов продуктивности колоса.

Ключевые слова: сорт, колосок, зерновка, пшеница.

FEATURES DISTRIBUTION OF PLANTS IN WHEAT AGROPOPULATION ON CLASSES OF THE VARIATION OF ELEMENTS EFFICIENCY OF THE EAR

A. A. Goryunov, M. V. Ivleva, S. A. Stepanov

Vegetation conditions essentially affect distribution of plants in agropopulation of durum wheat on classes of a variation number of spikelets, quantities kernels an ear and their weight. Among cultivars of the Saratov selection in the conditions of extreme year on agroclimatic conditions it is characteristic various number of plants: to age-old cultivars - the small classes, to new cultivars - the big classes of a variation. Favorable agroclimatic conditions raise number of the plants carried to higher classes of a variation of elements of efficiency of an ear.

Key words: cultivar, spikelet, kernel, wheat.

В морфогенезе пшеницы, по мнению исследователей (Морозова, 1983, 1986), можно выделить несколько фаз: 1) морфогенез апикальной части меристемы зародышевой почки, приводящий к формированию зачаточного главного побега; 2) морфогенез элементов фитомеров зачаточного главного побега в органы растения, определяющий габитус куста. Первая фаза (первичный органогенез - по Ростовцевой,1984) определяет как бы матрицу растения. Как установлено (Ростовцева, 1978; Морозова, 1986; Степанов, Мостовая, 1990; Adams, 1982), особенности прохождения первичных процессов органогенеза отражаются в последующем структурообразовании.

Формирование фитомеров вегетативной зоны зачаточного главного побега является, по мнению исследователей (Морозова, 1986, 1988), процессом видоспецифическим, тогда как развертывание элементов фитоме-ров зачаточного главного побега в функционирующие органы растений - процесс сортоспецифический. Процесс формирования фитомеров генеративной зоны побега - более сортоспецифический (Морозова, 1994).

Наиболее контрастно выражена значимость первичных морфоге-нетических процессов, т.е. заложение и формирование фитомеров вегетативной и генеративной зон побега пшеницы и их последующая реализация в соответствующих агроклиматических условиях при анализе структуры урожая по вариационным кривым элементов продуктивности побегов (Морозова,1983, 1986; Степанов, 2009). Этому предшествует выборочный учёт распределения растений в их агропопуляции по классам вариации отдельных элементов продуктивности, в частности количеству колосков, числу зерновок в колосе, массе зерновок колоса.

Материал и методика

Исследования проводились в 2007-2009 гг. В качестве объектов изучения были выбраны следующие сорта яровой твёрдой пшеницы саратовской селекции: Гордеиформе 432, Мелянопус 26, Мелянопус 69, Саратовская 40, Саратовская 59, Саратовская золотистая, Людмила, Валентина, Ник, Елизаветинская, Золотая волна, Аннушка, Крассар. Основные наблюдения и учеты проводились в полевых мелкоделяночных опытах на полях пристанционного селекционного севооборота НИИСХ Юго-Востока и Ботанического сада СГУ, повторность опытов 3-кратная. Для проведения структурного анализа продуктивности сортов пшеницы брали в конце вегетации по 25 растений из каждой повторности, которые затем объединяли в группу и методом случайной выборки отбирали из неё для анализа 25 растений. Учитывались число колосков, число зерен в колосках, масса одного зерна. На основании полученных данных опре-

деляли в соответствии с методикой З. А. Морозовой (1983) особенности распределения растений в агропопуляции твёрдой пшеницы по классам вариации элементов продуктивности колоса. Статистическую обработку результатов исследований проводили с использованием пакета программы Excel Windows 2007.

Результаты и их обсуждение

Как показали наши исследования, в условиях вегетации 2007 г. основное число главных побегов пшеницы сортов саратовской селекции по количеству колосков колоса находилось во 2- и 3-м классах вариации. Лишь незначительное число растений были отнесены к 1-му классу - 4% (табл. 1).

Таблица 1. Число побегов пшеницы сортов саратовской селекции по классам вариации количества колосков колоса, % (2007 г.)

Сорт Класс вариации

1-й 2-й 3-й 4-й 5-й

Гордеиформе 432 0 92 8 0 0

Мелянопус 26 4 76 20 0 0

Мелянопус 69 4 64 32 0 0

Саратовская 40 7 93 0 0 0

Стародавние 4 81 15 0 0

Саратовская 59 4 76 20 0 0

Саратовская золотистая 0 16 80 4 0

Людмила 8 44 48 0 0

Валентина 0 16 76 8 0

Ник 14 14 72 0 0

Елизаветинская 0 24 72 4 0

Золотая волна 8 16 52 24 0

Аннушка 0 20 64 16 0

Крассар 0 20 48 32 0

Новые 4 27 59 10 0

При анализе сортов по группам было установлено, что для стародавних сортов характерно большее число растений 2-го класса вариации (81%) и меньшее число растений 3-го класса вариации (15%). По группе новых сортов выявлено, что большее число растений относятся к 3-му классу вариации (59%), некоторая часть растений 4-го класса вариации (10%). Установлено, что у некоторых новых сортов число растений 4-го класса вариации больше 10% - Крассар (32%), Золотая волна (24%), Аннушка (16%), а у отдельных сортов их число меньше 10% (Валентина,

Саратовская золотистая, Елизаветинская) или не наблюдается вовсе - Саратовская 59, Людмила, Ник (см. табл. 1).

В условиях вегетации 2008 г., который отличался более благоприятным агроклиматическим состоянием, среди сортов саратовской селекции, как стародавних, так и новых, большее число растений по количеству колосков колоса были отнесены к 3-му классу вариации. Ни одного растения, как и в предшествующий год, не было представлено в 5-м классе вариации. Характерно, что, в отличие от новых сортов твердой пшеницы, большее число растений 2-го класса вариации отмечено у стародавних сортов - 41% (табл. 2).

Таблица 2. Число побегов пшеницы сортов саратовской селекции по классам вариации количества колосков колоса, % (2008 г.)

Сорт Класс вариации

1-й 2-й 3-й 4-й 5-й

Гордеиформе 432 12 20 60 8 0

Мелянопус 26 4 36 56 4 0

Мелянопус 69 4 48 48 0 0

Саратовская 40 4 60 28 8 0

Стародавние 6 41 48 5 0

Саратовская 59 28 48 24 0 0

Саратовская золотистая 0 28 64 8 0

Людмила 8 44 48 0 0

Валентина 4 28 64 4 0

Ник 4 28 68 0 0

Елизаветинская 8 36 52 4 0

Золотая волна 4 12 68 16 0

Аннушка 0 28 60 12 0

Крассар 8 28 32 32 0

Новые 7 32 52,5 8,5 0

Среди новых сортов твердой пшеницы выделялись сорта, для которых, как и в предыдущий год, характерно наличие части растений в 4-м классе вариации по количеству колосков колоса - Крассар (32%), Золотая волна (16%), Аннушка (12%), Саратовская золотистая (8%), Валентина (4%), Елизаветинская (4%), т. е. наблюдалась та же тенденция, что и в предыдущий, 2007 г. (см. табл. 2).

В условиях вегетации 2009 г. большая часть растений пшеницы сортов саратовской селекции по количеству колосков колоса была отнесена к 4-му и 3-му классам вариации: новые сорта - 45 и 43% соответственно, стародавние сорта - 30 и 51% соответственно. Характерно, что некото-

рым сортам свойственно наличие большего относительно среднего значения числа растений 4-го класса вариации - Аннушка (76%), Валентина (64%), Ник (56%), Золотая волна (52%), Саратовская 40 (48%). У некоторых сортов отмечены растения 5-го класса вариации - Золотая волна (12%), Крассар (8%), Людмила (8%), Гордеиформе 432 и Саратовская 40 - 4% (табл. 3).

Таблица 3. Число побегов пшеницы сортов саратовской селекции по классам вариации количества колосков колоса, % (2009 г.)

Сорт Класс вариации

Гордеиформе 432 4 12 52 28 4

Мелянопус 26 4 36 44 16 0

Мелянопус 69 0 8 64 28 0

Саратовская 40 0 4 44 48 4

Стародавние 2 15 51 30 2

Саратовская 59 0 28 48 24 0

Саратовская золотистая 4 8 72 16 0

Людмила 0 4 56 32 8

Валентина 0 0 36 64 0

Ник 4 4 36 56 0

Елизаветинская 4 12 40 44 0

Золотая волна 0 4 32 52 12

Аннушка 0 0 24 76 0

Крассар 0 8 40 44 8

Новые 1 8 43 45 3

Таким образом, проведенные исследования показали, что условия вегетации существенно сказываются на распределении растений в агро-популяции по классам вариации количества колосков колоса. Среди сортов саратовской селекции в условиях экстремального по агроклиматическим условиям года характерно большее число растений: стародавним сортам - 2-го класса, новым сортам - 3-го класса, а некоторым из них 4-го класса вариации. При благоприятных агроклиматических условиях повышается число растений, относимых к более высоким классам вариации по числу колосков колоса твердой пшеницы.

В условиях вегетации 2007 г. число главных побегов пшеницы сортов саратовской селекции по количеству зерновок колоса находилось во 1-м и 2-м классах вариации. Лишь часть растений некоторых сортов были отнесены к 3-, 4-и 5-му классам (табл. 4).

Сорт Класс вариации

1-й 2-й 3-й 4-й 5-й

Гордеиформе 432 96 4 0 0 0

Мелянопус 26 96 4 0 0 0

Мелянопус 69 92 8 0 0 0

Саратовская 40 93 7 0 0 0

Стародавние 94 6 0 0 0

Саратовская 59 80 20 0 0 0

Саратовская золотистая 20 48 32 0 0

Людмила 0 64 24 12 0

Валентина 48 36 16 0 0

Ник 28 62 10 0 0

Елизаветинская 48 48 4 0 0

Золотая волна 12 32 48 4 4

Аннушка 52 36 12 0 0

Крассар 88 8 4 0 0

Новые 42 39 17 1,5 0,5

При анализе сортов по группам было установлено, что для стародавних сортов характерно большее число растений 1-го класса вариации (94%) и очень незначительная доля растений 2-го класса вариации (6%). По группе новых сортов выявлено, что большее число растений отдельных сортов также относятся к 1-му классу вариации - Крассар (88%), Саратовская 59 (80%), Аннушка (52%), Валентина (48%), Елизаветинская (48%), отдельных сортов - ко 2-му классу вариации - Людмила (64%), Ник (62%), Саратовская золотистая (48%), Елизаветинская (48%) или же к 3-му классу - Золотая волна - 48% (см. табл. 3). У двух сортов отмечены растения 4-го класса вариации по количеству зерновок колоса - Людмила (12%) и Золотая волна - 4% (см. табл. 4).

В период вегетации 2008 г., который, как уже отмечалось ранее, отличался более благоприятными агроклиматическими условиями, среди сортов саратовской селекции, как стародавних, так и новых, большее число растений по количеству колосков колоса было отнесено ко 2- и 3-му классам вариации. Однако среди стародавних сортов два сорта отличались большим относительно средних значений числом растений 2-го класса - Саратовская 40 и Мелянопус 69 - соответственно 72 и 48%. Среди новых сортов 3 сорта также отличались большим относительно средних значений числом растений 2-го класса - Саратовская 59 и Валентина (72%), Людмила - 64%.

В отличие от предыдущего года среди сортов саратовской селекции характерно наличие некоторого числа растений, отнесенных к 4-му классу вариации по количеству зерновок колоса. Особенно это свойственно сортам Мелянопус 26, Елизаветинская, Людмила, Гордеиформе 432, Мелянопус 69, Ник, Аннушка (табл. 5).

Таблица 5. Число побегов пшеницы сортов саратовской селекции по классам вариации количества зерновок колоса, % (2008 г.)

Сорт Класс вариации

1-й 2-й 3-й 4-й 5-й

Гордеиформе 432 0 28 56 8 8

Мелянопус 26 0 24 48 24 4

Мелянопус 69 4 48 40 8 0

Саратовская 40 0 72 24 4 0

Стародавние 1 43 42 11 3

Саратовская 59 20 72 8 0 0

Саратовская золотистая 4 36 56 4 0

Людмила 0 64 24 12 0

Валентина 0 72 28 0 0

Ник 0 32 60 8 0

Елизаветинская 0 48 32 20 0

Золотая волна 12 32 48 4 4

Аннушка 4 44 40 8 4

Крассар 4 40 52 4 0

Новые 5 49 39 6 1

В условиях вегетации 2009 г. распределение растений пшеницы сортов саратовской селекции по количеству колосков колоса было различным в зависимости от групповой принадлежности - стародавние или новые сорта. По группе стародавних сортов большая часть растений были отнесены к 3- и 4-му классам вариации - 42,5% и 27% соответственно. У двух сорта, Мелянопус 26 и Мелянопус 69, наблюдались растения 5-го класса вариации по количеству зерновок колоса (табл. 6).

Среди новых сортов большая часть растений была отнесена к 3- и 2-му классам - 50,5 и 24% соответственно (табл. 6) . Характерно, что некоторым сортам свойственно наличие большего относительно среднего значения числа растений соответствующего класса: 2-го класса вариации - Саратовская 59 (56%), Елизаветинская (32%), Крассар (32%), Гордеиформе 32 (28%), Саратовская золотистая (28%); 3-го класса вариации - Валентина (72%), Аннушка (60%), Крассар (56%), Саратовская 40 (52%), Ник (52%), Елизаветинская (52%); 4-го класса вариации - Зо-

лотая волна (36%), Аннушка (32%), Саратовская золотистая и Людмила (20%). Примечательно, что в отличие от предыдущих лет в условиях 2009 г. часть растений половины сортов находилась в 5-м классе вариации по количеству зерновок колоса - Людмила, Ник, Золотая волна, Аннушка, Мелянопус 26 и Мелянопус 69 (см. табл. 6).

Таблица 6. Число побегов пшеницы сортов саратовской селекции по классам вариации количества зерновок колоса, % (2009 г.)

Сорт Класс вариации

1-й 2-й 3-й 4-й 5-й

Гордеиформе 432 12 28 28 32 0

Мелянопус 26 8 22 46 20 4

Мелянопус 69 12 8 44 32 4

Саратовская 40 4 20 52 24 0

Стародавние 9 19,5 42,5 27 2

Саратовская 59 12 56 24 8 0

Саратовская золотистая 4 28 48 20 0

Людмила 0 12 52 20 16

Валентина 4 20 72 4 0

Ник 8 24 52 8 8

Елизаветинская 4 32 52 12 0

Золотая волна 4 12 40 36 8

Аннушка 4 0 60 32 4

Крассар 12 32 56 0 0

Новые 6 24 50,5 15,5 4

Проведенные исследования показали, что условия вегетации существенно сказываются на распределении растений в агропопуляции по классам вариации количества зерновок колоса. Среди сортов саратовской селекции в условиях экстремального по агроклиматическим условиям года характерно большее число растений: стародавним сортам - 1-го класса, новым сортам -1-, 2- и 3-го классов, а некоторым из них 4-го класса вариации. При благоприятных агроклиматических условиях повышается число растений, относимых к более высоким классам вариации по числу зерновок колоса твердой пшеницы.

В условиях вегетации 2007 г. число главных побегов пшеницы сортов саратовской селекции по массе зерновок колоса находилось в 1- и 2-м классах вариации (табл. 7).

При анализе сортов по группам было установлено, что для некоторых стародавних сортов число растений 1-го класса вариации составляло

100% - Гордеиформе 432 и Мелянопус 26,93% - Саратовская 40. Существенно отличался в этом плане стародавний сорт Мелянопус 69, для которого характерно большее число растений 2-го класса - 80%. По группе новых сортов выявлено, что некоторым сортам свойственно большее относительно среднего значения число растений соответствующего класса: 1-го класса - Золотая волна (96%), Саратовская 59 (80%), Крассар (76%), Аннушка (68%); 2-го класса - Ник (52%), Людмила (48%), Саратовская золотистая (44%), Валентина и Елизаветинская (40%); 3-го класса вариации - Людмила (28%), Саратовская золотистая (24%), Ник (14%), Валентина - 12%. Примечательно, что у двух сортов, Людмила и Валентина, наблюдались растения 5-го класса вариации по массе зерновок колоса -соответственно 12 и 4% (см. табл. 7).

Таблица 7. Число побегов пшеницы сортов саратовской селекции по классам вариации массы зерновок, % (2007 г.)

Сорт Класс вариации

1-й 2-й 3-й 4-й 5-й

Гордеиформе 432 100 0 0 0 0

Мелянопус 26 100 0 0 0 0

Мелянопус 69 4 80 16 0 0

Саратовская 40 93 7 0 0 0

Стародавние 74 22 4 0 0

Саратовская 59 80 16 4 0 0

Саратовская золотистая 32 44 24 0 0

Людмила 12 48 28 12 0

Валентина 44 40 12 4 0

Ник 28 52 14 6 0

Елизаветинская 56 40 4 0 0

Золотая волна 96 4 0 0 0

Аннушка 68 32 0 0 0

Крассар 76 20 4 0 0

Новые 55 33 9,5 2,5 0

В условиях вегетации 2008 г. наблюдалось разное число растений соответствующего класса вариации по массе зерновок колоса. Среди стародавних сортов саратовской селекции большее число растений по этому элементу продуктивности соответствовало 2-му классу вариации - 48%, среди новых сортов - 3- и 2-му классам вариации - соответственно 38 и 36%. Некоторое число растений соответствующих сортов распределено в 4- и 5-м классах вариации (табл. 8).

Сорт Класс вариации

1-й 2-й 3-й 4-й 5-й

Гордеиформе 432 12 48 32 4 4

Мелянопус 26 0 32 44 12 12

Мелянопус 69 16 60 20 4 0

Саратовская 40 24 52 12 8 4

Стародавние 13 48 27 7 5

Саратовская 59 48 48 4 0 0

Саратовская золотистая 4 24 64 4 4

Людмила 12 48 28 12 0

Валентина 4 36 56 0 4

Ник 12 44 32 12 0

Елизаветинская 8 36 36 20 0

Золотая волна 8 28 40 20 4

Аннушка 8 36 36 16 4

Крассар 4 28 48 20 0

Новые 12 36 38 12 2

Некоторые саратовские сорта отличались большим относительно среднего значения представительством растений соответствующего класса вариации по массе зерновок колоса: 1-го класса - Саратовская 59 (48%), Саратовская 40 (24%), Мелянопус 69 (16%); 2-го класса - Мелянопус 69 (60%), Саратовская 40 (52%), Саратовская 59 и Людмила (48% соответственно), Ник (44%); 3-го класса - Саратовская золотистая (64%), Валентина (56%), Крассар (48%), Мелянопус 26 (44%); 4-го класса - Елизаветинская, Золотая волна и Крассар (20% соответственно); 5-го класса вариации - Мелянопус 26 - 12% (см. табл. 8).

В условиях вегетации 2009 г. большая часть растений пшеницы сортов саратовской селекции по массе зерновок колоса была отнесена к 3- и 4-му классам вариации. Причём средние значения классов вариации группы стародавних сортов и группы новых сортов существенно различались. В частности, стародавние сорта отличались большим представительством растений 3- и 4-го классов вариации - 41,5 и 29,5% соответственно, новые сорта отличались преимущественным присутствием в агропопуляции растений 4- и 3-го классов вариации - 44 и 26% соответственно. Обращает на себя внимание значительное число растений 5-го класса вариации по массе зерновок колоса, что особенно свойственно сортам Крассар (32%), Валентина (24%), Золотая волна (20%), Саратовская 40-16% (табл. 9).

Сорт Класс вариации

1-й 2-й 3-й 4-й 5-й

Гордеиформе 432 4 16 48 32 0

Мелянопус 26 4 28 38 18 12

Мелянопус 69 0 8 48 40 4

Саратовская 40 4 20 32 28 16

Стародавние 3 18 41,5 29,5 8

Саратовская 59 14 36 38 8 4

Саратовская золотистая 4 8 28 52 8

Людмила 0 0 12 80 8

Валентина 0 8 28 40 24

Ник 8 20 28 36 8

Елизаветинская 0 20 24 44 12

Золотая волна 0 16 32 32 20

Аннушка 4 8 32 56 0

Крассар 0 8 12 48 32

Новые 3 14 26 44 13

Так же как и в другие годы, некоторые сорта отличались большим относительно среднего значения представительством растений соответствующего класса вариации по массе зерновок колоса: 1-го класса - Саратовская 59 (14%); 2-го класса - Саратовская 59 (36%), Мелянопус 26 (28%), Саратовская 40, Ник и Елизаветинская (соответственно 20%); 3-го класса вариации - Гордеиформе 432 и Мелянопус 69 (48% соответственно), Саратовская 59 (38%), Золотая волна и Аннушка (32% соответственно); 4-го класса вариации - Людмила (80%), Аннушка (56%), Саратовская золотистая (52%), Крассар (48%), Мелянопус 69-40% (см. табл. 9).

Таким образом, проведенные исследования показали, что на распределение растений в агропопуляции по классам вариации массы зерновок колоса существенно влияют условия вегетации. Для большинства стародавних сортов в экстремальных условиях вегетации число растений 1-го класса составляет 93-100%, тогда как новые сорта выгодно отличаются существенным представительством растений 2- и 3-го классов. В благоприятных условиях вегетации доля растений более высокого класса вариации увеличивается, но для новых сортов сохраняется та же тенденция - большее число растений более высоких классов вариации по массе зерновок колоса по сравнению со стародавними сортами.

Морозова З. А. Морфогенетический анализ в селекции пшеницы. М. : МГУ, 1983. 77 с.

Морозова З. А. Основные закономерности морфогенеза пшеницы и их значение для селекции. М. : МГУ, 1986. 164 с.

Морозова З. А. Морфогенетический аспект проблемы продуктивности пшеницы // Морфогенез и продуктивность растений. М. : МГУ, 1994. С. 33-55.

Ростовцева З. П. Влияние фотопериодической реакции растения на функцию верхушечной меристемы в вегетативном и генеративном органогенезе // Свет и морфогенез растений. М., 1978. С. 85-113.

Ростовцева З. П. Рост и дифференцировка органов растения. М. : МГУ 1984. 152 с.

Степанов С. А., Мостовая Л. А. Оценка продуктивности сорта по первичному органогенезу побега пшеницы // Продукционный процесс, его моделирование и полевой контроль. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1990. С. 151-155.

Степанов С. А. Морфогенетические особенности реализации продукционного процесса у яровой пшеницы // Изв. СГУ Сер., Химия, биология, экология. 2009. Т. 9, вып.1. С. 50-54.

Adams M. Plant development and crop productivity // CRS Handbook Agr. Productivity. 1982. Vol.1. P. 151-183.

УДК 633.11: 581.19

Ю. В. Даштоян, С. А. Степанов, М. Ю. Касаткин

Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83 e-mail: [email protected]

Установлены особенности в содержании пигментов различных групп (хлорофиллов а и b, каротиноидов), как и соотношения между ними в листьях пшеницы, принадлежащих разным фитомерам побега. Минимальное или максимальное содержание хлорофиллов и каротиноидов может наблюдаться в различных листьях, что зависит от условий вегетации растений.

Ключевые слова: фитомер, хлорофилл, каротиноид, лист, пшеница.

STRUCTURE AND THE MAINTENANCE OF PIGMENTS OF PHOTOSYNTHESIS IN THE PLATE OF LEAVES OF WHEAT

Y. V. Dashtojan, S. A. Stepanov, M. Y. Kasatkin

Features in the maintenance of pigments of various groups (chlorophyll а and chlorophyll b, carotenoids), as well as parities between them in the leaves of wheat