Глава 1. К вопросу о взаимодействии хозяина и паразита

На всех стадиях своего жизненного цикла растения сталкиваются с многочисленными потенциально паразитическими микроорганизмами. Семена прорастают в почвах, где обитает множество паразитов, которые находятся в состоянии покоя и ждут появления корней, так как они стимулируют переход возбудителей в активное состояние. Надземные органы растений инокулируются грибными спорами и бактериальными клетками, приносимыми воздушными потоками и каплями дождя. Таким образом, при благоприятной влажности и температуре ткани растений сталкиваются с многочисленными попытками их инфицирования. Однако часто они заканчиваются неудачей, и большинству растений удается избежать заражения. Успешное внедрение паразита зависит от особой генетической и физиологической совместимости партнеров, благодаря которой клетки растения-хозяина становятся доступными для паразита.

Эта книга посвящена процессам, позволяющим растению избежать заражения, несмотря на постоянный контакт с потенциальными паразитами. Поэтому в ней рассматривается одна из интереснейших проблем биологии и биохимии, а именно молекулярная основа узкой специализации, которая часто наблюдается во взаимоотношениях между хозяином и паразитом. Как станет ясно из последующего изложения, имеются причины предполагать, что основа узко специализированного паразитизма кроется в способности паразита вводить в заблуждение систему узнавания, связанную с другими реакциями в клетках хозяина, реакциями, с помощью которых он обычно замечает чужеродный организм и препятствует его внедрению.

Тип инфекции, восприимчивость и вирулентность

Прежде чем приступить к анализу этих процессов, необходимо еще раз подчеркнуть, что заболевания - это результат взаимодействия двух организмов (хозяина и паразита), который может зависеть от тонких различий в свойствах обоих организмов, как это было наглядно показано при исследовании заболеваний ржавчиной.

Так, в стандартных и идеальных для заражения условиях изолят возбудителя ржавчины пшеницы не развивается на одном сорте Triticum aestivum, но образует крупные уредопустулы на другом и небольшие уредопустулы, окруженные участком некротизированных или хлорозных тканей растения-хозяина, на третьем. Эти различные результаты взаимодействия называются типами инфекции и определяются генетической структурой данного ржавчинного изолята и определенного сорта пшеницы при специфических условиях окружающей среды. Обычно тип инфекции квалифицируют как высокий, если наблюдается значительное развитие ржавчины, и низкий, если ржавчины мало или нет совсем [149]. Низкий тип инфекции означает, что сорт устойчив к изоляту данного возбудителя ржавчины или что изолят авирулентен для данного сорта. Высокий тип инфекции возникает в результате взаимодействия восприимчивого растения-хозяина и вирулентного изолята ржавчинного гриба. Следовательно, такие свойства растений, как устойчивость или восприимчивость, определяются по их реакции на заражение данным изолятом паразита, а такие свойства паразита, как вирулентность и авирулентность, - по его способности поражать данное растение-хозяина. Промежуточные типы инфекции возникают при взаимодействии между паразитами и хозяевами, обладающими более низкой вирулентностью и устойчивостью. Результаты взаимодействия между паразитом и хозяином, обладающими этими альтернативными свойствами, представлены в таблице 1.

Понятие о типе инфекции в этой книге будет использовано при рассмотрении всех взаимодействий хозяина и паразита при различных заболеваниях.

Биотрофия и клеточная совместимость

Многие вирулентные паразиты, такие, как большинство ржавчинных грибов, не вызывают видимых неблагоприятных реакций в клетках восприимчивого растения-хозяина, поэтому можно предположить, что между ними устанавливаются гармоничные взаимоотношения. Общеизвестно, что эти паразиты питаются за счет живых клеток хозяина, поэтому можно сказать, что по типу паразитизма они являются биотрофами. В противоположность этому паразиты, вызывающие мягкую гниль плодов, такие, как бактерия Erwinia на клубнях картофеля Solatium tuberosum или возбудители пятнистости листьев, например Botrytis fabae на листьях конского боба Vicia fabа, убивают примыкающие клетки растения своими токсинами. Эти преуспевающие паразиты, очевидно, питаются за счет мертвых клеток и по типу своего паразитизма могут быть названы некротрофами.

По характеру взаимоотношений с клетками хозяина ржавчинные грибы и В. fabae - совершенно различные типы паразитов, но важно отметить, что некоторые патогены, такие, как Colletotrichum lindemuthianum, паразитирующие на Phaseolus vulgaris, часто являются биотрофами на начальных стадиях своего развития, а затем становятся некротрофами. Это необходимо иметь в виду при анализе взаимоотношений хозяина и паразита. Во время биотрофной фазы, когда целостность и функционирование живой клетки хозяина сохраняются, несмотря на внедрение гиф или гаусторий паразита в протопласты, он может проявлять совершенно особые качества. В течение этой фазы взаимоотношения между клетками хозяина и паразита можно определить как совместимые. В этой книге термин совместимость будет использован для описания гармоничных взаимоотношений между паразитом и хозяином, а несовместимость - для описания взаимодействий, которые вызывают губительные изменения в клетках хозяина и (или) паразита.

Таким образом, термин "совместимость" здесь используется в более узком смысле чем в работе Дея [55], где он фигурирует в связи с любым взаимодействием между хозяином и паразитом, вызывающим высокий тип инфекции. Такое ограничение облегчает анализ природы совместимости, которая позволяет клеткам биотрофа и хозяина взаимно сосуществовать. Совершенно другую последовательность физиологических событий можно представить себе, рассматривая взаимодействие вирулентного некротрофа В. fabae и клеток конского боба, обусловливающее высокий тип инфекции, несмотря на несовместимость клеток растения-хозяина и паразита. Таким образом, при анализе взаимоотношений хозяина и паразита нельзя путать такие два понятия, как совместимость и конечный тип инфекции.

Генетическая детерминированность взаимоотношений хозяина и паразита

В этой книге мы не делаем попытки дать подробный обзор генетических аспектов взаимодействия хозяина и паразита; для получения более подробной информации рекомендуем читателю книгу Дея [55], а также обзоры Эллингбо [67], Джонсона [115, 116] и Дея [56]. Однако в качестве введения к вопросу о природе взаимодействия хозяина и паразита следует напомнить основные положения, касающиеся генетического контроля этого процесса. Эти положения основаны на результатах проделанных Флором анализов по изучению наследования признаков устойчивости и вирулентности при ржавчинных заболеваниях льна. Разные гены определяют устойчивость сортов льна Linum usitatissimum к различным расам ржавчины, и разные гены определяют авирулентность рас ржавчины для различных сортов льна. Эти анализы явились основой сформулированной Флором гипотезы ген-на-ген [73], согласно которой тип инфекции определяется комплементарными единичными генами устойчивости хозяина и авирулентности паразита.

Полагают, что гипотеза ген-на-ген применима ко многим взаимоотношениям хозяина и паразита, ее основная идея в простейшей форме представлена в таблице 2, в которой показано, что тип инфекции зависит от аллелей в локусе единичного гена у паразита и хозяина. Низкий тип инфекции возникает при генетическом взаимодействии между доминантными аллелями авирулентности паразита и устойчивости хозяина. Отсутствие доминантного аллеля у любого из партнеров приводит к появлению высокого типа инфекции, где выражены и вирулентность и восприимчивость. Таким образом, авирулентность и устойчивость являются более частным явлением, требующим точного соответствия генетического материала обоих партнеров.

Комплементарная роль аллелей в специфических локусах гена в контроле типа инфекции проиллюстрирована в таблице 3, где приведены два локуса гена как для паразита, так и для хозяина.

Можно видеть, что низкий тип инфекции возникает при соответствии комплементарных доминантных аллелей у хозяина и паразита. Таким образом, авирулентность и устойчивость выражены только тогда, когда ген авирулентности А1 соответствует гену устойчивости R1 или когда A2 соответствует R2. Вирулентность и восприимчивость выражены в том случае, если ген авирулентности A1 соответствует рецессивному аллелю r1 или доминантному аллелю R2 хозяина. Таким образом, в таблице 3 более наглядно, чем в таблице 2, показано, что авирулентность или устойчивость является результатом высокоспецифичного генетического взаимодействия.

Результаты многочисленных анализов показывают, что устойчивость у культурных растений наследуется в виде единичных доминантных генов, однако число сообщений о соответствующем наследовании вирулентности у паразитов невелико. Предполагаемые гены авирулентности часто приписывают расам паразитов на основании гипотезы ген-на-ген и наличия соответствующих генов устойчивости у хозяев. Однако известны факты, противоречащие основным обобщениям, когда восприимчивость и вирулентность являются доминантными признаками у хозяина и паразита; в качестве примера можно привести взаимоотношения между овсом Avena sativa и грибом Helminthosporium victoriae, которые будут обсуждены позднее. Полигенный контроль устойчивости к конкретным паразитам наблюдали у ряда основных культурных растений, но этот факт требует критического генетического анализа в контролируемых условиях окружающей среды и по крайней мере в двух случаях не выдержал такой проверки [67, 116].

Данных о генетическом контроле паразитизма у дикорастущих видов пока недостаточно, и мы можем только предполагать, как эволюционировали устойчивость и авирулентность до того, как человек обнаружил гены устойчивости и начал вводить их в культурные растения. Преимущество растений, обладающих геном устойчивости, в процессе отбора, по-видимому, совершенно очевидно, сложнее представить себе роль авирулентности в развитии популяций паразитов, если не рассматривать ее как средство разделения развивающихся популяций внутри вида.

Наиболее важными предпосылками для физиологических и биохимических исследований проявления устойчивости и авирулентности, вытекающими из генетических экспериментов, является то, что тип инфекции находится под контролем генов хозяина и паразита и что проявление этих независимых свойств часто определяется высокоспецифичными взаимодействиями между конкретными комплементарными генами обоих партнеров. Эллингбо [67] и Джонсон [116] указывали, что наиболее специфичные взаимодействия происходят обычно при проявлении устойчивости и авирулентности. Простейшие механизмы, обеспечивающие это проявление, могут быть основаны на взаимодействии первичных продуктов генов устойчивости и авирулентности, появляющихся при инфекции. Доказательства в пользу существования этих гипотетических продуктов будут обсуждаться ниже, но сначала полезно было бы рассмотреть, что известно о стадиях паразитизма в тех случаях, когда проявляется устойчивость. Это можно сделать, проследив судьбу потенциальных паразитов на всех стадиях заражения, начиная с их попытки внедриться в клетки хозяина и начать осуществлять в них свой жизненный цикл. При анализе естественных защитных процессов необходимо учитывать возможность перекрестной защиты растения от обычно вирулентных паразитов благодаря предшествующей инфекции другими организмами. Необходимо определить, какова роль перекрестной защиты при индукции устойчивости у растений.

При изучении устойчивости необходимо определить роль многочисленных антимикробных соединений растений и, в частности, тех, которые образуются после инфекции. Однако в конечном счете при определении специфичности необходимо вернуться к вопросу о природе узнавания растениями паразитов и рассмотреть молекулярные механизмы взаимодействия генов паразита и хозяина.