Биосфера. Тема 21.. 21. Общие представления об иммунитете растений. Понятие об иммунитете растений
 Скачать 28.21 Kb.
|
|
9. Основные компоненты питательных сред для культивирования изолированных органов и тканей живых организмов. 10. Тотипотентность растительной клетки. Схемы получения культуры изолированных органов, тканей, клеток растений. 21. Общие представления об иммунитете растений. 1. Понятие об иммунитете растений Иммунитетом называется невосприимчивость организмов к действию патогенов или их токсинов. Слово "иммунитет" происходит от латинского immunitas – освобождение от чего-либо. Иммунитет растения – это проявляемая ими невосприимчивость к болезням в случае непосредственного контакта их с возбудителями, способными вызывать данную болезнь, при существовании необходимых для заражения условий. Разная степень проявления иммунитета называется устойчивостью. Иммунитет растений является важнейшей научной проблемой, тесно связанной с практическими вопросами, стоящими перед сельским хозяйством. Наиболее надёжным и эффективным путем защиты растений становятся использование устойчивых к вредным организмам сортов. Внимание к устойчивым сортам особенно возросло в последнее время из-за усиливающегося загрязнения окружающей среды пестицидами. На посевах же устойчивых сортов во много раз снижается использование инсектицидов и фунгицидов. 2. История возникновения и развития учения об иммунитете растений Развитие иммунитета растений началось в конце ХIХ века. Илья Ильич Мечников, создатель общебиологической теории иммунитета, впервые применил термин "иммунитет" по отношению к растениям. В своём труде "Невосприимчивость к инфекционным болезням" (1901) он посвятил целую главу иммунитету растений, где подчеркнул, что устойчивость у растений является результатом химических процессов, а у животных основная роль в иммунитете принадлежит фагоцитозу. В конце XIX века появляются первые теории иммунитета растений. Одной из первых теорий, выдвинутых для объяснения невосприимчивости растений к инфекционным заболеваниям, была механическая теория. Австралиец Натан Август Кобб , работая в 80- 90-х годах XIX века с 8 пшеницей, заметил что устойчивые к бурой ржавчине сорта выделялись сильно развитым восковым налетом на колосьях, листьях, стеблях. Он провел исследования, которые показали, что у устойчивых сортов толщина эпидермиса больше, а число устьиц меньше, чем у восприимчивых. Кобб сделал вывод, что причина иммунитета заключается в особенностях механического строения сортов. Теория механического иммунитета сразу же вызвала ряд возражений. Так, в 1896 году, вскоре после опубликования его работ, шведы Ю. Эриксон и Э. Хеннинг в своей книге, не отрицая роль механических факторов, высказали мнение, что устойчивость у злаков объясняется не только механическими причинами, а составляет сложное физиологическое явление. Уорд (1902 г.), проверяя теорию Кобба, не обнаружил зависимости между степенью инфекции и анатомо-морфологическим строением растений пшеницы. Он пришёл к выводу, что иммунитет или восприимчивость определяются внутренними факторами – свойствами клеток и их составом. Он предположил, что "механизм этот столь же совершенен и тонок, как и тот, который определяет такие фундаментальные свойства, как изменчивость, наследственность и другие биологические явления". Механическая теория иммунитета оказалась неприменимой для объяснения некоторых случаев устойчивости растений, и необходимо иметь в виду её приложимость лишь к сравнительно небольшому числу случаев. Хемотропическую теорию иммунитета выдвинул англичанин Д. Масси. В 1890-х годах он попытался показать, что проникновение ростковых нитей паразитических грибов в ткани растения-хозяина вызвано одним или несколькими специфическими веществами клеточного сока растения. Опыты с химическими соединениями: сахарозой, глюкозой, яблочной и щавелевой кислотой, аспарагином, а также клеточным соком из живых растений привели Масси к выводу, что проникновение ростковых трубок паразитирующих грибов в ткани здоровью растения зависит от положительного хемотропизма. Иммунные же растения лишены этого свойства, характерного для неиммунных. В случае факультативных паразитов хемотропизм объяснялся наличием таких широко распространённых во всех растениях веществ, как сахароза. Для облигатных паразитов притягивающее вещество узкоспецифично и свойственно только растению-хозяину. С помощью своей теории Масси даже объяснил изменение иммунитета при созревании плодов. По Масси, созревание яблок сопровождается уменьшением концентрации щавелевой и яблочной кислот, обладающих отрицательным хемотропическим действием на Venturia, а количество сахаров с положительным хемотропическим действием увеличивается. Поэтому зрелые яблоки более подвержены заражению паршой. Много общего с хемотропической теорией иммунитета имеют взгляды итальянского учёного О. Комеса, развиваемые им начиная с 1909 г. Согласно разработанной им кислотной теории иммунитета, основным фактором, определяющим иммунитет растений к инфекционным заболеваниям, является количество органических кислот в клеточном соке, а также в некоторых случаях, количество производных ароматических кислот: дубильных веществ и антоцианов. Чем больше кислоты содержится в соке растения, чем больше в нём танина, тем устойчивее данный сорт к заболеваниям, и наоборот, чем больше сахара и крахмала в клетках растения и, соответственно, меньше кислот и дубильных веществ, тем выше восприимчивость растений к паразитам. В качестве доказательства Комес приводит общеизвестный факт большей подверженности заболеваниям культурных сортов растений по сравнению с их дикими сородичами. Для доказательства своей теории Комес использовал большой фактический материал, почерпнутый как из анализа литературы, так и из многочисленных опытов, проведённых им. Общеизвестно, например, что щавель, барбарис, содержащие большое количество органических кислот, могут сильно поражаться ржавчиной. Эксперименты, последовавшие за публикацией работ Комеса, часто не подтверждали его теории, но эти исследования констатировали химические различия между иммунными и восприимчивыми сортами, подтверждая необходимость изучать химию растительной клетки для выяснения природы иммунитета. 3. Вавилов Н.И. как основоположник учения об иммунитете растений В начале ХIХ века наступил второй этап в развитии иммунитета растений. Основоположником современного эволюционного учения о естественном иммунитете растений по праву считается Н.И. Вавилов. На протяжении всей жизни в науке, начиная с 1913 года, он развивал это учение. В своих работах Вавилов проанализировал всю имевшуюся к тому времени литературу по иммунитету растений и пришёл к выводу, что ни одна из существовавших ранее теорий (теория механического иммунитета Кобба, хемотропическая теория Масси, кислотная теория Комеса и др.) не отражала всего многообразия факторов самозащиты растений от патогенов. В 1918 году Вавилов опубликовал монографию "Иммунитет растений к инфекционным заболеваниям", в которой он систематизировал имевшиеся данные и разделил иммунитет на две категории – активный, или физиологический, и пассивный, или механический. К пассивному он отнёс анатомо-морфологическое строение растений (толщина кутикулы, число устьиц и др.), наличие химических веществ, ингибирующих патогены и другие врождённые факторы. Активный, или физиологический, иммунитет Вавилов связал с реакциями поражённого растения на внедрение патогенов. Итогом многолетних исследований в области растительного иммунитета стало признание Вавиловым наличия у растений генетически обусловленных, т.е. конституциональных особенностей, которые препятствуют проникновению и развитию внутри растения патогенов. Эти особенности существуют независимо от того, соприкасалось растение с паразитом или нет. Фундаментальный вывод Вавилова о генетической природе иммунитета растений к патогенам послужил базисом для эволюционной концепции растительного иммунитета, открыл невиданные до того прикладные перспективы. Вавилов выдвинул задачу мобилизации мировых растительных ресурсов природного иммунитета, пополнения генофонда страны эффективными генами устойчивости, что позволило начать целенаправленную селекцию на устойчивость. С 1919 по 1933 гг. Н.И.Вавилов организует экспедиции, которые обследовали Европу, Азию, Африку, Северную, Центральную и Южную Америку. Были собраны ценнейшие материалы, положившие начало мировой коллекции растительных ресурсов ВИР. При сборе материала Вавилов уделял исключительное внимание описанию иммунологических особенностей новых форм собираемых растений. В 1935 г. вышла вторая монография Н.И.Вавилова по иммунитету – "Учение об иммунитете растений к инфекционным заболеваниям". В ней Вавилов четко выделял 3 определяющих момента иммунитета: 1 - генетику сорта; 2 - специализацию паразитов; 3 - условия среды. Н.И.Вавилов заложил также основы теории сопряженной эволюции (ТСЭ) в системе "растение- паразит". Разработанная им теория центров происхождения культурных растений и обнаружение в них устойчивых к патогенам форм растений (при интродукции их в другие ареалы) потребовало объяснения этого феномена. Вавилов признавал селективное влияние патогенов на появление устойчивых форм растений, но данное положение не было развернуто ученым в стройную систему взглядов. ТСЭ получила свое развитие после Вавилова прежде всего в работах акад. П.П.Жуковского (1966). Согласно теории Жуковского, устойчивость диких сородичей на родине паразита сложилась в результате взаимной приспособленности паразита и хозяина. При этом происходила коэволюция того и другого. У растения- хозяина вырабатывались устойчивые к паразиту формы, а у паразита – более вирулентные расы. Таким образом, Вавилов, являясь крупнейшим исследователем фитоиммунитета, заложил основы для его дальнейшего изучения на новом уровне. Это позволяет считать Н.И. Вавилова основоположником иммунитета растений. 4. Категории растительного иммунитета Деление иммунитета на категории или виды, безусловно, искусственно и подчинено практическим целям – удобству оперирования тем или иным понятием иммунитета. Существуют следующие виды растительного иммунитета: врожденный и приобретенный; специфический и неспецифический; активный и пассивный; групповой, комплексный и др. Под врожденным, или естественным иммунитетом понимают присущее данному виду или сорту свойство не поражаться тем или иным заболеванием, передающееся по наследству. Однако он может в той или иной степени изменятся под влиянием внешних условий и приспособительных особенностей патогена. Врожденный иммунитет возник в результате коэволюции растения и паразита под воздействием внешних условий. В связи с филогенетической специализацией патогенов его подразделяют на более мелкие категории: родовой, видовой, сортовой, индивидуальный. Родовой и видовой иммунитет называют специфическим иммунитетом. а сортовой- специфическим. Индивидуальный иммунитет гипотетически возник в результате приспособления к условиям существования. С такими растениями ведут работу по отбору . Так происходила селекция местных. крестьянских сортов. Врожденный иммунитет делится на активный и пассивный. Активным иммунитетом называют свойство растения активно реагировать на внедрение паразита. Активные реакции растения, возникающие в ответ на заражение: сверхчувствительность (СВЧ) и др., направлены на локализацию патогена и его обезвреживание и часто связаны с физиолого-биохимическими процессами образование фитоалексинов, антиферментов, антитоксинов. Внешне они могут проявляться в виде некрозов. Пассивным иммунитетом называется совокупность свойств растения препятствовать внедрению паразита и развитию его в тканях растения- хозяина, существующих независимо от паразита. В некоторых случаях эти свойства активизируются, но не образуются вновь. К таким особенностям растений относятся строение покровных тканей, реакция клеточного сока, присутствие в тканях каких- либо веществ и т.п.. Растения могут обладать устойчивостью по отношению к разным возбудителям или к болезням и вредителям. В первом случае это называется групповым иммунитетом, а во втором – комплексным. Примером групповой устойчивости может служить Triticum timofeevi, иммунная к твердой головне, мучнистой росе и ржавчине. Все ранее перечисленные категории относятся к врожденному, или естественному иммунитету. Кроме врожденного существует приобретенный или индуцированный иммунитет. Это свойство растения , возникшее в процессе онтогенеза. под влиянием перенесения болезни или воздействия на растение какими-либо приемами, или веществами – индукторами устойчивости. Например, применяют вакцинацию, т.е. обработку растений ослабленной культурой возбудителя (вируса или бактерии). 13 Устойчивость растений можно повысить . применяя микроэлементы, элиситоры и другие биологически активные вещества-иммунизаторы, а также приемами агротехники. Вопросы приобретенного иммунитета в нашей стране активно изучали и разрабатывали Т.Д Страхов, Т.В.Ярошенко, М.Н.Родигин и их ученики .В настоящее время этими вопросами занимаются ученые ВИЗР (С.Н. Тютерев и др.). Работы по индуцированному иммунитету проводятся и на нашей кафедре. 5. Факторы пассивного иммунитета По характеру защитных реакций иммунитет растений разделяют на 2 категории: пассивный и активный. Факторами пассивного иммунитета являются анатомо-морфологические особенности растений, химический состав клеточного сока или наличие в нем специфических веществ, некоторые физиологические свойства растений. Анатомо-морфологические факторы. Особенности строения покровных тканей имеют значение на первых этапах патологического процесса. Восковой налет, как и кутикула .может иметь значение механической преграды на пути внедрения паразита в растение. Так, известна зависимость между толщиной кутикулы листьев барбариса и устойчивостью их к Puccinia graminis. Габитус растений также может препятствовать или благоприятствовать заражению. Так, Гойман установил, что фитофторой чаще поражаются сорта картофеля с плотным кустом. Известно, что фактором устойчивости может быть строение устьиц и количество их на листе, если патоген проникает внутрь через устьица. Например, строение устьиц у устойчивых к бактериальному раку сортов мандарина отличаются от таковых у восприимчивых сортов грейпфрута: у первых замыкающие клетки устьиц снабжены особыми выступами, препятствующими проникновению капель воды с находящимися в них бактериями – возбудителями рака. В ряде случаев устойчивость сортов пшеницы к пыльной головне зависит от характера цветения. По данным Шехурдина (1936), у восприимчивого сорта Альбосар открыто цвело 70,6 % цветков, а у устойчивого Эритроспермум 0341 – 28,6 %. У твердых пшениц, более устойчивых к твердой головне, закрытое цветение обусловлено большим размером цветочных чешуй и меньшей длиной тычинок. Толстые оболочки клеток склеренхимы служат препятствием при распространении возбудителя вилта хлопчатника в устойчивых сортах. У восприимчивых сортов наблюдается рыхлое строение древесины, клетки склеренхимы тонкостенные. Функциональные и физиологические факторы. Американка Херт (1929) создала функциональную теорию иммунитета растений к болезням. Ею было показано, что некоторые сорта пшеницы устойчивы к уредоспорам ржавчинных грибов благодаря особому движению устьиц. У одних сортов они открыты весь день, у других лишь короткое время. Если устьица рано утром открыты, то происходит заражение. Так называемые раневые паразиты проникают в ткани растения через повреждения. Поэтому, чем быстрее сорт регенерирует ткани, тем устойчивее он к раневым паразитам. К этому же типу устойчивости относится способность растений выделять смолу, млечный сок и т.п. Характер прорастания зерна у твердой пшеницы является у некоторых сортов фактором устойчивости к заражению твердой головней. У нее стебелек растет под оболочкой вдоль зерна первые 2-3 дня, и защищен в это время от проникновения гриба. Химические факторы. К химическим факторам относят, во-первых, содержание или отсутствие в растениях веществ, необходимых для питания патогена, и во-вторых, наличие веществ, угнетающе действующих на патоген. В качестве питательных веществ в первую очередь рассмотрим роль углеводов и белков. Роль углеводов неоднозначна в устойчивости растений к некротрофам и биотрофам. Так, для некротрофов качественный состав углеводов, может иметь лишь ограниченное значение. Обладая мощным ферментативным аппаратом, они могут использовать для питания самые разнообразные вещества растительных тканей, при этом усиливаются гидролитические процессы. В отношении биотрофов имеется большое количество наблюдений, указывающих на то, что развитые растения с высоким содержанием углеводов, более восприимчивы к ним. Таким образом, характер зависимости патогена от углеводного обмена в первую очередь определяется типом питания возбудителя болезни. Роль белков и белкового обмена давно интересует исследователей Как правило, устойчивость растений к факультативным паразитам положительно коррелирует с высоким содержанием белка и относительно низким содержанием более подвижных соединений азота. Особенное значение придают исследователи белковому обмену при взаимодействии растений с облигатными паразитами. Обмен веществ у них тесно приспособлен к обмену веществ растения-хозяина. Наблюдается сходность строения белков восприимчивого растения и облигатного паразита. При патологическом процессе идет взаимное узнавание белков растения и патогена. В некоторых случаях в устойчивости играют роль отдельные аминокислоты. Например, аргинин в соответствующих концентрациях может убивать конидии Phitophthora infestans. Иногда в качестве фактора устойчивости выступают продукты расщепления белков: аммиак и мочевина, являясь токсинами как для грибов, так и для растения-хозяина. Осмотическое давление клеточного сока. Как правило, осмотическое давление у гриба-патогена выше, чем у растения-хозяина. Так, в гифах Botrytis cinerea осмотическое давление 30 атм, а в клетках растения оно составляет 8-13 атм. Отмечено, что клетки устойчивых сортов имеют более высокое осмотическое давление. Фитонциды – вещества, содержащиеся в растениях, обладающие бактерицидными и фунгицидными свойствами. Успешно паразитировать на растении могут те паразиты, которые в ходе эволюции приспособились к фитонцидам этого растения. Основная роль фитонцидов – создание неспецифической устойчивости к сапрофитным возбудителям гниения. Фитонцидные свойства растений позволяют использовать их в биологической защите растений (опрыскивание растений и замачивание семян в настоях фитонцидосодержащих растений). Защитную роль в растениях выполняют также алкалоиды, глюкозиды (например, берберии у барбариса, соланин у картофеля, авенации у овса), а также антоцианы. 6. Факторы активного иммунитета Факторы активного иммунитета у растений проявляются в защитных реакциях растения на внедрение патогена. Результаты защитных реакций могут проявляться 1) - в замедлении распространения патогена в тканях растения; 2) - в локализации патогена; 3) - в гибели патогена. К факторам активного иммунитета в первую очередь относится реакция сверхчувствительности (СВЧ), приводящая к отмиранию клеток в месте внедрения патогена и к локализации его барьером из мёртвых тканей. Внешне она проявляется в 15 возникновении некроза в месте заражения. Размер пятен колеблется от микроскопических до достаточно крупных. Проявляется при заражении растений грибами, вирусами, бактериями. Сущность её сводится к сохранению целого организма за счёт гибели зараженных участков ткани. Подобные механизмы устойчивости особенно важны в случае заражения биотрофами. Фитоалексины – это антибиотики, которые вырабатываются в растении в результате взаимодействия двух метаболических систем: растения и паразита, способные тормозить развитие патогенов. По своей природе многие из них относятся к фенольным соединениям. Мюллер и Боргер (1970) установили, что 1) фитоалексины образуются только в тех тканях, где клетки растения вступают в контакт с патогеном; 2) синтез фитоалексинов наблюдается только в живых клетках, а накапливаются они в отмёрших клетках; 3) фитоалексины неспецифичны в своём действии на патоген; 4) защитные реакции у устойчивых и восприимчивых растений различаются скоростью образования фитоалексинов. В растении могут образовываться не один, а несколько фитоалексинов. Например, в клетках картофеля при заражении Phytophtora infestans образуются три фитоалексина: ришитин, любимин и фитуберин. Фитоалексины относятся к слабым антибиотикам, поэтому патогены могут к ним приспособиться. Образование барьера из нескольких фитоалексинов затрудняет процесс приспособления. Синтез одного и того же фитоалексина может быть вызван разными патогенами, а также химическими веществами-индукторами устойчивости (например, медьсодержащими фунгицидами). Авторы фитоалексинной теории отмечают, что роль фитоалексинов проявляется лишь в тех случаях, когда устойчивость растений основана на некротических реакциях. Но Рубин и Арциховская впоследствии отмечают, что синтез фитоалексинов не всегда связан с некрозом тканей. Роль окислительных процессов в иммунитете. Если при заражении биотрофами защитные реакции растений проявляются на начальном этапе внедрения паразита, то при заражении некротрофами патогены при помощи выделяемых ими токсинов убивают ткани хозяина и проникают в них, а затем уже включаются активные защитные механизмы растения, а именно антитоксические и антиферментные реакции. Как показала Арциховская, устойчивость может быть достигнута путем окисления токсических веществ, выделяемых патогеном, до безвредных соединений, а также усилением синтетических процессов, подавляющих действие гидролитических ферментов патогена, т.е. за счет антиферментных и антитоксических реакций. В тканях устойчивых сортов обменные процессы направлены на сохранение и активизацию энергетического обмена, активизацию полифенолоксидаз и пероксидаз, новообразование митохондрий и активацию их ферментативной активности. У неустойчивых сортов при инфицировании энергетические процессы угнетаются. Таким образом, роль окислительных ферментов в активных защитных реакциях растений по отношению к патогенам сводится к следующему: - снижение активности гидролитических ферментов паразита, которые разрушают ткани растения; - окисление токсинов до нейтральных веществ, их обезвреживание; - участие в процессах синтеза веществ, восстанавливающих повреждения, наносимые патогенами, и способствующих образованию механических преград; - фунгицидное и бактерицидное действие хинонов, образующихся из фенолов в тканях растений-хозяев вследствии активизации процессов окисления. 16 Фагоцитоз. И.И. Мечников в 1883г. создал фагоцитарную теорию иммунитета теплокровных животных и человека. Фагоцитоз - это способность клеток – фагоцитов, образующихся в организме, захватывать паразита и лизировать его. У растений нет клеток–фагоцитов. Но еще в 1990 году появились сообщения о способности растений к внутриклеточному перевариванию (Бернар, 1990). Явление фагоцитоза проявляется в случае эндотрофной микоризы, когда гриб развивается внутри корней растения и лишь в небольшом количестве выходит в почву. Гифы гриба проникают в корень, клетки которого проявляют защитные реакции, в результате которых распространение в них мицелия замедляется. Гифы меняют свой вид, либо собираясь в клубок, либо образуя разветвленные верхушки – арбускулы. Внутриклеточные гифы постепенно лизируются и исчезают. Арбускулы теряют способность к дальнейшему росту и передвижение мицелия по клеткам первичной коры прекращается. У злаков, например, Fusarium oxysporum образует эндотрофную микоризу. При этом наблюдается частичное или полное переваривание гиф. Защитные реакции растения не позволяют грибу перейти к паразитическому образу жизни. В результате возникает своеобразное сожительство двух организмов – гриба и высшего растения. Фагоцитарными свойствами обладают не все клетки, а наиболее физиологически активные. Поэтому фагоцитоз не приводит к полному очищению растений. Роль его как фактора активного иммунитета растений сводится к ослаблению возбудителя и его локализации. Современные направления в иммунитете растений к болезням Разработка теоретических вопросов учения об иммунитете растений, начатая Вавиловым, продолжает развиваться в нашей стране. Исследования ведутся в разных направлениях, в результате чего возникло несколько теорий, по- разному трактующих природу иммунитета. Биохимическая те6ория Б.А.Рубина, основанная на учении А.Н.Баха, связывает причины устойчивости растений с деятельностью окислительных систем растений, главным образом пероксидаз. Фитонцидная теория иммунитета , возникшая на основе открытия Б.П.Токиным у растений фитонцидов (1928г.)., сложилась в работах Д.Д.Вердеревского (1966г.). Т.Д.Страхов в 1959 году сформулировал теорию физиологического иммунитета. Он проводил исследования по влиянию на устойчивость растений к болезням факторов внешней среды, удобрений, микроэлементов. П.В. Метлицкий с сотрудниками разрабатывали теорию иммунитета, связанную с образованием фитоалексинов, открытых Мюллером в 1940 году. В ВИЗРе исследования по иммунитету растений велись под руководством Т.И.Федотовой, которая впервые показала сродство белков хозяина и патогена (1935г.). В 1973 году открылись лаборатории иммунитета в селекционных центрах нашей страны, в т.ч. в НИИСХ Юго-Востока. Они осуществляют региональный мониторинг расового состава основных патогенов с.-х.культур. В поисках источников устойчивости большую работу проводят ученые ВИРа. Собранная ими коллекция мировых растительных ресурсов в настоящее время насчитывает более 350 тыс. образцов, многие из которых использовались в селекии на устойчивость к болезням и вредителям. Таким образом, иммунитет растений к инфекционным болезням развивается по трем направлениям: 1) теоретические исследования, связанные с познанием механизмов устойчивости; 2) изучение расообразования патогенов и в связи с этим, анализ структуры популяций; 3) поиски источников устойчивости и создание устойчивых сортов. |