Сельское хозяйство

Агрономия и Агрохимия

Фитоиммунология – Эффекторы патогенов и их мишени в растительных клетках

0 / 5 (0 голосов)

Защита растений 25.01.2016 Вебмастер

Просмотров: 18 Страница 19 из 21 Эффекторы патогенов и их мишени в растительных клетках Пока еще мало что известно относительно механизмов подавления MAMPs-индуцируемого иммунитета...
kwork

Эффекторы патогенов и их мишени в растительных клетках

Пока еще мало что известно относительно механизмов подавления MAMPs-индуцируемого иммунитета растений эффекторными молекулами патогенов.

Первый вопрос связан с тем, что поскольку основная часть белков, кодируемых генами устойчивости растений, являются внутриклеточными и не имеют никаких внеклеточных доменов, то является очевидным, что эффекторные молекулы многих фитопатогенных организмов должны попадать внутрь растительной клетки. Как они туда проникают?

Ответ на этот вопрос очевиден для фитопатогенных вирусов; фитопатогенные бактерии, так же как и бактерии, патогенные для человека и животных, свои эффекторные молекулы, являющиеся факторами вирулентности, доставляют в цитоплазму клеток хозяина посредством системы секреции белка типа III. Однако каким образом этого достигают фитопатогенные грибы и оомицеты?

Фитопатогенные грибы и оомицеты – внеклеточные паразиты; даже если гифа гриба или гаустория проникают через клеточную стенку растения, они не попадают внутрь живой клетки.

В ходе заражения, патоген проникает через клеточную стенку хозяина и инвагинирует плазматическую мембрану клетки хозяина, формируя гаусторию. Таким образом, гаустория остается отделенной от цитоплазмы клетки хозяина стенкой гаустории, зоной, которую называют экстрагаусториальным матриксом, и экстрагаусториальной мембраной, которая формируется инвагинированной плазматической мембраной хозяина. Гаустории имеют большое значение в обеспечении хозяина питательными веществами. Считается также, что гаустория является центром клеточной коммуникации, через который проходит обмен информации между хозяином и патогеном при установлении успешных биотрофных отношений, однако по сегодняшний день природа этих коммуникационных процессов остается неясной. Некоторые гемибиотрофные грибы и оомицеты, такие как Phytophthora, также образуют гаустории, но в противоположность облигатным биотрофам эти патогены инициируют гибель клетки хозяина в течение более поздней некротрофной стадии инфекции.

Каким образом в клетку растения доставляют свои белки образующие гаустории грибы и оомицеты, долгое время это было совершенно непонятным, и только начиная с 2004 года, в этом вопросе был совершен определенный прорыв.

Одним из первых был клонирован кодирующий эффекторный белок ген AvrL567 возбудителя ржавчины льна гриба Melampsoralini. В дальнейшем был клонирован и ряд других генов. Все эти гены кодируют небольшие белки, имеющие сигнальные пептиды экспорта из клетки, за исключением генов возбудителя мучнистой росы. Таким образом, эти белки покидают гаустории и выходят в экстрагаусториальный матрикс. Первый важный вопрос – как они попадают в цитоплазму клетки растения-хозяина.

Исследования с грибам Uromyces fabae, возбудителем ржавчины бобовых, показали, что в экстрогаусториальном матриксе присутствуют несколько белков, секретированных гаусторией, но только один, белок авирулентности Uf-RTP1, попадал в клетку хозяина. Таким образом, механизм транспорта белков в клетку растения из экстрагаусториального матрикса действует избирательно.

Telderi

Экстрагаусториальная мембрана, как считается, заново синтезируется по мере роста гаустории, и хотя непрерывность плазматической мембраны растения сохраняется, по многим физическим и биохимическим особенностям экстрагаусториальная мембрана отличается от остальной части плазмалеммы клетки растения. Экстрагаусториальный матрикс, по-видимому, является особым компартментом. Ржавчинные грибы имеют особый утолщенный регион посередине шейки гаустории; эта структура называется воротничком (neckband) и отделяет экстрагаусториальный матрикс от апопласта растения. Возбудители настоящей мучнистой росы также формируют на шейке гаустория подобный воротничок; однако у оомицетов такая структура неизвестна, за исключением Albugocandida, который образует подобную воротничку структуру, которая, однако, отличается от воротничка грибов. Тем не менее, у некоторых оомицетов найден отдельный электронноплотный регион между стенкой гаустория и отложением каллозы у растения; это отложение часто называют воротничком или папиллой. Предполагается, что это вещество образует пробку, аналогичную воротничку у грибов. Таким образом, гаустория окружена отдельным закрытым компартментом, формирование которого вероятно облегчает контроль потоков сигналов и питательных веществ.

Интригующим наблюдением у некоторых возбудителей ржавчины было обнаружение протяженных трубчатых образований экстрагаусториальной мембраны, которые проникают в цитоплазму клетки хозяина. Такие образования наблюдались в тесном контакте с эндоплазматическим ретикулюмом растения и с диктиосомами; это указывает на обмен материалами между экстрагаусториальной мембраной и внутренними мембранами клетки растения. Далее, на концах этих трубчатых образований в клетках растения наблюдалось почкование и формирование структур, напоминающих везикулы. Таким образом, вся эта система и может обеспечить перемещение белков гриба из экстрагаусториального матрикса в клетку хозяина.

Хотя граница раздела гаустория-хозяин представляет собой модифицированную окружающую среду, которая благоприятствует переносу белков, эффекторные белки ржавчинных грибов также могут иметь внутренний механизм транспорта через мембрану. Ряд исследований косвенно указывает, что по крайней мере ряд белков авирулентности имеют сигнал их поглощения клеткой растения посредством эндоцитоза с участием неизвестного пока рецептора хозяина.

Примечательной особенностью белков авирулентности фитопатогенных оомицетов является присутствие консервативного, недавно выявленного мотива, и полученные в последние полтора года доказательства указывают, что этот мотив действует как специфический сигнал нацеливания белка в клетку хозяина. Подобный сигнал отсутствует у возбудителей ржавчины; таким образом, ржавчинные грибы и оомицеты используют разные механизмы доставки белков авирулентности в клетки растения. Очень интересно, что данный сигнал оомицетов имеет удивительное подобие сигналу белков, продуцируемых возбудителями малярии человека (Plasmodiumfalciparum); эта гомология служит дополнительным доказательством эволюционного родства простейших с оомицетами.

Итак, эффектор фитопатогена оказался в клетке растения. Что он там делает? Какие процессы подавляет и на какие белки нацеливается? Ответы на эти вопросы являются ключевыми для понимания функции эффекторов. Наиболее полная к настоящему времени информация в этом направлении имеется для бактериальных патогенов.

Разные штаммы разных видов фитопатогенных бактерий доставляют от 15 до 30 разных эффекторов в клетки хозяина с использованием системы секреции белка типа III. Поскольку, по всей видимости, реакции иммунитета, индуцированного ассоциированными с микроорганизмами молекулярными структурами и иммунитета, индуцированного эффекторами патогенов, являются сходными и в значительной степени перекрываются, эффекторные белки вирулентности патогенов в той или иной степени влияют и на одну, и на другую формы иммунитета растений. Кроме того, из-за функциональной избыточности эффекторных белков очень сложно оценить вклад и механизм действия каждого из них. Однако накопленные к настоящему времени данные позволяют сделать определенные обобщения.

Так, некоторые эффекторы блокируют защитные отклики, связанные с укреплением клеточной стенки. Например, белок AvrPto бактерии P. syringaeблокирует образование папилл у арабидопсиса. Это блокирование независимо от салициловой кислоты и обусловлено, по всей вероятности, нарушением экспрессии генов секретируемых белков клеточной стенки растений. В то же время эффекторные белки AvrE и HopPtoM этой же бактерии блокируют образование папилл посредством ингибирования синтеза каллозы в зависимых от салициловой кислоты реакциях иммунитета.

Некоторые эффекторы производят манипулирование сигнальными путями гормонов растений для изменения характера реакций защиты. Как подробнее будет сказано далее, сигнальные пути, зависимые от салициловой кислоты (СК), ведут к индукции реакций устойчивости к биотрофным и гемибиотрофным патогенам (включающим обычно реакцию сверхчувствительности и индукцию системной приобретенной устойчивости), в то время как сигнальные пути, зависимые от жасмоновой кислоты (ЖК) и/или этилена, приводят к индукции реакций устойчивости к некротрофам, насекомым-вредителям и повреждениям. ЖК является фитогормоном, который индуцируется при повреждениях, питании насекомых-вредителей и поражении некротрофными патогенами. Кроме того, ЖК принимает участие в процессах роста и развития растений, в частности при старении растений. Сигнальные пути СК и ЖК являются антагонистическими ­ ­– при индукции сигнальных путей одного типа сигнальные пути другого типа индуцироваться уже не могут. Говоря другими словами, если у растений индуцировать сигнальный путь ЖК, то у них будут подавлены сигнальные пути салициловой кислоты, необходимые для развертывания эффективной устойчивости к биотрофам, и наоборот. Это обстоятельство широко используют фитопатогенные биотрофные бактерии, в частностиP. syringae. Штаммы многих патоваров этих бактерий выделяю эффектор вирулентности небелковой природы ­– неспецифический фитотоксин коронатин. Данный фитотоксин является функциональным имитатором жасмоновой кислоты. Выделяя коронатин, бактерии вызывают у растений индукцию сигнальных путей ЖК; однако, поскольку эти бактерии являются биотрофными, опосредованная ЖК защита является неэффективной, и бактерии успешно паразитируют.

Помимо коронатина, по крайней мере еще два белковых эффектора вирулентности, AvrB и AvrRpt2, также индуцируют сигнальные пути жасмоновой кислоты, позволяя таким способом избежать индукции сигнальных путей СК. Молекулярная основа действия этих двух белков пока еще неизвестна.

Некоторые эффекторные белки бактерий вмешиваются в сверхчувствительную гибель клеток растений, которая почти всегда происходит при развитии реакций устойчивости, запускаемых белками-продуктами генов устойчивости растений в ответ на обнаружение эффекторных белков микроорганизмов. Интересно, что одни белковые эффекторы могут ингибировать реакцию сверхчувствительности, которая индуцируется распознаванием белками устойчивости растений других эффекторов патогенов. Иначе говоря, одни эффекторы могут маскировать присутствие других эффекторов. Например, белок HopAB1 (VirPphA) бактерии P. syrinage pv. phaseolicola маскирует присутствие эффекторного белка другого типа; при отсутствии HopAB1 у растений запускается реакции устойчивости (в том числе и сверхчувствительная гибель клеток растений). Однако если этот же штамм бактерий экспрессирует белок HopAB1, реакции сверхчувствительности не происходит.

Подобной активностью обладает также белок P. syringae pv. tomato HopAB2 (AvrPtoB). Он предотвращает сверхчувствительную гибель клеток растений томатов, которые в противном случае проявляют эффективную устойчивость, индуцируемую взаимодействием белков устойчивости растений с другими эффекторами патогена. Однако интересно, что ингибирование реакции устойчивости белком HopAB2 происходит не во всех случаях – при взаимодействии некоторых белков устойчивости растений с соответствующими эффекторными белками патогена реакция сверхчувствительности не предотвращается. Это свидетельствует о весьма сложных и запутанных молекулярных подробностях действия эффекторного белка.

Некоторые эффекторные белки патогенов предотвращают сверхчувствительную гибель клеток, индуцируемую в рамках устойчивости нехозяина (например, HopA1 (HopPsyA) P. syringae у растений арабидопсиса и табака).

Для некоторых эффекторных белков бактерий известны молекулярные мишени-белки растений; более подробная информация имеется в предлагаемой дополнительной литературе.

Роль эффекторных белков фитопатогенных вирусов и фитопатогенных грибов и оомицетов ясна значительно меньше, чем бактериальных эффекторов.