Сигнальные системы клеток растений. Сигнальные системы клеток и их роль в жизнедеятельности растений

Действие элиситорных препаратов обусловлено наличием в их составе особых биологически активных веществ. По современным представлениям сигнальные вещества или элиситоры - это биологически активные соединения различной природы, которые в очень низких дозировках, измеряемых мили-, микро-, а в отдельных случаях - и нанограммами, вызывают каскады различных ответных реакции растений на генетическом, биохимическом и физиологическом уровнях. Воздействие их на фитопатогенные организмы осуществляется посредством влияния на генетический аппарат клеток и изменения физиологии самого растения, придания ему большей жизнестойкости, сопротивляемости различным негативным факторам среды.

Взаимоотношение растений с окружающим миром, как высокоорганизованных элементов экологических систем, осуществляется путем восприятия физических и химических сигналов, поступающих извне и корректирующих все процессы их жизнедеятельности посредством влияния на генетические структуры, иммунную и гормональную системы. Исследование сигнальных систем растений - это одно из самых многообещающих направлений в современной клеточной и молекулярной биологии. В последние десятилетия учеными достаточно много внимания уделялось изучению сигнальных систем, отвечающих за устойчивость растений к фитопатогенам .

Биохимические процессы, происходящие в клетках растений, строго скоординированы целостностью организма, которая дополняется их адекватными реакциями на потоки информации, связанные с различными воздействиями биогенных и техногенных факторов. Эта координация осуществляется за счет работы сигнальных цепей (систем), которые сплетаются в сигнальные сети клеток. Сигнальные молекулы включают в работу большинство гормонов, как правило, не проникая внутрь клетки, а взаимодействуя с молекулами-рецепторами внешних клеточных мембран. Эти молекулы представляют собой интегральные мембранные белки, полипептидная цепь которых пронизывает толщу мембраны. Разнообразные молекулы, инициирующие трансмембранную передачу сигналов, активируют рецепторы в нано-концентрациях (10-9-10-7 М). Активированный рецептор передает сигнал внутриклеточным мишеням - белкам, ферментам. При этом модулируется их каталитическая активность или проводимость ионных каналов. В ответ на это формируется определенный клеточный ответ, который, как правило, заключается в каскаде последовательных биохимических реакций. Помимо белковых посредников в передаче сигналов могут участвовать и относительно небольшие молекулы-мессенджеры, функционально являющиеся посредниками между рецепторами и клеточным ответом. Примером внутриклеточного мессенджера является салициловая кислота, участвующая в индукции стрессовых и иммунных реакций растений. После выключения сигнальной системы мессенджеры быстро расщепляются или (в случае катионов Са) откачиваются через ионные каналы. Таким образом, белки образуют своеобразную «молекулярную машину», которая, с одной стороны, воспринимает внешний сигнал, с другой, - обладает ферментной или иной активностью, моделируемой этим сигналом .

В многоклеточных растительных организмах передача сигнала осуществляется через уровень общения клеток. Клетки «разговаривают» на языке химических сигналов, что позволяет осуществлять гомеостаз растения как целостной биологической системы. Геном и сигнальные системы клеток образуют сложную самоорганизующуюся систему или своеобразный «биокомпьютер». Жестким носителем информации в нем является геном, а сигнальные системы играют роль молекулярного процессора, выполняющего функции оперативного управления. В настоящее время мы располагаем только самыми общими сведениями о принципах работы данного чрезвычайно сложного биологического образования. Во многом остаются еще невыясненными молекулярные механизмы сигнальных систем. Среди решения многих вопросов предстоит расшифровка механизмов, обусловливающих временный (преходящий) характер включения тех или иных сигнальных систем, и в то же время, длительную память об их включении, проявляющуюся, в частности, в приобретении системного пролонгированного иммунитета .

Между сигнальными системами и геномом существует двусторонняя связь: с одной стороны, ферменты и белки сигнальных систем закодированы в геноме, с другой - сигнальные системы управляются геномом, экспрессируя одни и супрессируя другие гены. Этот механизм включает рецепцию, преобразование, умножение и передачу сигнала на промоторные участки генов, программирование экспрессии генов, изменение спектра синтезируемых белков и функциональный ответ клетки, например, индукцию иммунитета к фитопатогенам .

В качестве сигнальных молекул или элиситоров, проявляющих индукционную активность, могут выступать различные органические соединения-лиганды и их комплексы: аминокислоты, олигосахариды, полиамины, фенолы, карбоновые кислоты и эфиры высших жирных кислот (арахидоновая, эйкозапентаеновая, олеиновая, жасмоновая и др.), гетероциклические и элементоорганические соединения, в том числе некоторые пестициды и др. .

К вторичным элиситорам, образующимся в клетках растений при действии биогенных и абиогенных стрессоров и включающимся в сигнальные сети клеток, относят фитогормоны: этилен, абсцизовую, жасмоновую, салициловую кислоты, а

также полипептид системин и некоторые другие соединения, которые вызываютэкспрессию защитных генов, синтез соответствующих белков, образование фитоалексинов (специфические вещества, обладающие антимикробным действием и вызывающие гибель патогенных организмов и пораженных клеток растений) и, в конечном итоге, способствуют формированию системной устойчивости у растений к негативным факторам среды .

В настоящее время наиболее изучены семь сигнальных систем клеток: циклоаденилатная, MAP-киназная (mitogen-activated protein-kinase), фосфатидокислотная, кальциевая, липоксигеназная, НАДФН-оксидазная (супероксидсинтазная), NO-синтазная. Ученые продолжают открывать новые сигнальные системы и их биохимических участников .

Растения в ответ на атаку патогенов могут использовать различные пути формирования системной устойчивости, которые запускаются разными сигнальными молекулами. Каждый из элиситоров, воздействуя на жизнедеятельность растительной клетки по определенному сигнальному пути, через генетический аппарат, вызывает широкий комплекс реакций, как защитного (иммунного), так и гормонального характера, приводящих к изменению свойств самих растений, что позволяет им противостоять целому комплексу стрессовых факторов. При этом в растениях осуществляется ингибирующее или синергирующее взаимодействие различных сигнальных путей, сплетающихся в сигнальные сети .

Индуцированная устойчивость по проявлению сходна с генетически обусловленной горизонтальной устойчивостью, с той лишь разницей, что характер ее определяется фенотипическими изменениями генома. Тем не менее, она обладает определенной стабильностью и служит примером фенотипической иммунокоррекции растительной ткани, поскольку в результате обработки веществами элиситорного действия изменяется не геном растений, а лишь его функционирование, связанное с уровнем активности защитных генов .

Определенным образом эффекты, возникающие при обработке растений иммуноиндукторами, родственны генной модификации, отличаясь от нее отсутствием количественных и качественных изменений самого генофонда. При искусственной индукции иммунных реакций наблюдаются только фенотипические проявления, характеризующиеся изменениями активности экспрессированных генов и характера их функционирования . Тем не менее, вызванные обработкой фитоактиваторами растений изменения обладают определенной степенью стойкости, что проявляется в индукции пролонгированного системного иммунитета, поддерживающегося в течение 2-3 и более месяцев, а также в сохранении приобретенных свойств растениями в течение 1-2 последующих репродукций .

Характер действия определенного элиситора и достигаемые эффекты находятся в самой тесной зависимости от силы формируемого сигнала или используемой дозировки. Данные зависимости, как правило, имеют не прямолинейный, а синусоидальный характер, что может служить доказательством переключения сигнальных путей при их ингибирующих или синергирующих взаимодействиях .Установлено также, что в условиях действия стрессовых факторов растения положительно реагируют на более низкие дозировки фитоактиваторов, что свидетельствует о более высокой выраженности их адаптогенного действия. Напротив, обработка данными веществами в больших дозировках, как правило, вызывала десенсибилизационные процессы в растениях, резко снижая иммунный статус растений и приводя к усилению восприимчивости растений к заболеваниям .

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

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

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.

БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, 2000, том 26, № 10, с. 779-781

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ -

СИГНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ КЛЕТОК И ГЕНОМ © 2000 г. А. И. Гречкин#, И. А. Тарчевский

Казанский институт биохимии и биофизики РАН, Казань; Институт биохимии имени А.Н. Баха РАН, Москва

Прогнозы о будущем молекулярной и клеточной биологии до 2000 года, сделанные Ф. Криком в 1970 году, были достаточно смелыми. Задача изучения генома представлялась гигантской и долговременной, однако концентрация огромных научных и финансовых ресурсов привела к быстрому решению многих проблем, стоявших 30 лет назад перед молекулярной биологией и молекулярной генетикой. В то время было еще сложнее предвидеть прогресс в области клеточной биологии. За прошедшие годы в значительной степени стерлась грань между клеточным и молекулярным уровнями исследований. В 1970 году, например, не существовало представления о клеточных сигнальных системах, которое достаточно четко оформилось лишь к середине 80-х годов. В настоящей статье будет сделана попытка осветить существующее состояние и перспективы развития исследований сигнальных систем клеюк - одного из важнейших направлений современной биологии, объединяющих биохимию, биоорганическую химию, молекулярную биологию, молекулярную генетику, физиологию растений и микроорганизмов, физиологию человека и животных, медицину, фармакологию, биотехнологию.

Исследования последних лет показали, что между сигнальными системами и геномом существует двусторонняя связь. С одной стороны, ферменты и белки сигнальных систем закодированы в геноме, с другой - сигнальные системы управляют геномом, экспрессируя одни и супресси-руя другие гены. Сигнальные молекулы, как правило, отличаются быстрым метаболическим оборотом и малым временем жизни. Исследования, связанные с сигнальными системами, интенсивно развиваются, но молекулярные механизмы сигнальных связей остаются во многом не выясненными. В этом направлении многое предстоит сделать в следующие два-три десятилетия.

Общие принципы работы сигнальных систем в значительной степени универсальны. Универсальность ДНК, "главной" молекулы жизни, определяет сходство механизмов ее обслуживания в клетках микроорганизмов, растений и животных. В последние годы все больше утверждается универсальность механизма передачи экстраклеточ-

ных сигналов в генетический аппарат клетки. Этот механизм включает рецепцию, преобразование, умножение и передачу сигнала на промо-торные участки генов, репрограммирование экспрессии генов, изменение спектра синтезируемых белков и функциональный ответ клеток, например, у растений - повышение устойчивости к неблагоприятным экологическим факторам или иммунитета к патогенам. Универсальным участником сигнальных систем является блок протеин-киназы-фосфопротеинфосфатазы, определяющий активность многих ферментов, а также белкового фактора регуляции транскрипции (взаимодействующего с промоторными участками генов), от которого зависит изменение интенсивности и характера репрограммирования экспрессии генов, что, в свою очередь, определяет функциональный ответ клетки на сигнал.

В настоящее время выявлено, как минимум, семь видов сигнальных систем: циклоаденилат-

ная, МАР*-киназная, фосфатидатная, кальциевая, оксилипиновая, супероксидсинтазная и N0-синтазная . В первых шести системах (рисунок, сигнальный путь 1) белковые рецепторы сигналов, имеющие универсальный тип структуры, "пмонтированы" в клеточную мембрану и воспринимают сигнал вариабельным экстраклеточным К-доменом. При этом происходит изменение конформации белка, в том числе его цитоплазма-тического С-участка, что приводит к активации ассоциированного с ним в-белка и передаче импульса возбуждения на первый фермент и последующие интермедиа™ сигнальной цепи.

Не исключено, что некоторые первичные сигналы действуют на рецепторы, локализованные в цитоплазме и связанные сигнальными путями с геномом (рисунок, сигнальный путь 2). Интересно, что в случае.МО-сигнальной системы этот путь включает локализованный в клеточной мембране фермент Ж)-синтазу (рисунок, сигнальный путь 4-3). Некоторые физические или химические сигналы могут взаимодействовать непосредственно с липидной составляющей клеточной мембраны, вызывая ее модификацию, что приводит к изменению конформации рецепторного белка и вклю-

*МАР - mitogen activated protein, активируемый митогеном белок.

ГРЕЧКИН, ТАРЧЕВСКИЙ

Схема разнообразия сигнальных путей клеток. Обозначения: 1,5,6- рецепторы, локализованные в клеточной мембране; 2,4- рецепторы, локализованные в цитоплазме; 3 - ИО-синтаза, локализованная в клеточной мембране; 5 - рецептор, активируемый изменением конформации липидной фазы мембраны; ФРТ - факторы регуляции транскрипции; СИБ - сигналиндуцированные белки.

чению сигнальной системы (рисунок, сигнальный путь 5).

Известно, что восприятие сигнала рецепторами клеточной мембраны приводит к быстрому изменению проницаемости ее ионных каналов. Более того, считается, например, что сигналинду-цируемое изменение концентрации протонов и других ионов в цитоплазме может играть роль ин-термедиатов в сигнальной системе, индуцируя в итоге синтез сигналзависимых белков (рисунок, сигнальный путь 6).

О результатах функционирования сигнальных систем у растений можно судить по патоген(эли-ситор)-индуцируемым белкам, которые подразделяются на несколько групп по тем функциям, которые они выполняют. Одни являются участниками сигнальных систем растений, и их интенсивное образование обеспечивает расширение сигнальных каналов, другие ограничивают питание патогенов, третьи катализируют синтез низкомолекулярных антибиотиков - фитоалексинов, четвертые - реакции укрепления клеточных стенок растений. Функционирование всех этих патоген-индуцированных белков может существенно ограничивать распространение инфекции по растению. Пятая группа белков вызывает деградацию клеточных стенок грибов и бактерий, шестая дезорганизует функционирование их клеточной мембраны, изменяя ее проницаемость для ионов, седьмая подавляет работу белоксинтезирующей машины, блокируя синтез белков на рибосомах грибов и бактерий или действуя на вирусную РНК.

эволюционно более молоды, так как при их функционировании используется молекулярный кислород. Последнее привело к тому, что к важнейшей функции передачи информации об экстраклеточном сигнале в геном клетки добавилась еще одна, связанная с появлением активных форм липидов (в случае оксилипиновой системы), кислорода (во всех трех случаях) и азота (в случае ЫО-сигнальной системы). Сопутствующие этим трем системам реакции с участием молекулярного кислорода отличаются очень высокой скоростью, что характеризует их как "системы быстрого реагирования". Многие продукты этих систем цитотоксичны и могут подавлять развитие патогенов или убивать их, приводить к некрозу инфицированных и соседних клеток, затрудняя тем самым проникновение патогенов в ткань.

К числу наиболее важных сигнальных систем относится оксилипиновая сигнальная система, широко распространенная у всех эукариотических организмов . Недавно введенный термин "оксилипины" обозначает продукты окислительного метаболизма полиеновых жирных кислот независимо от их структурных особенностей и длины цепи (С18, С20 и другие). Оксилипины выполняют не только функцию сигнальных медиаторов при передаче преобразованной информации к геному клетки, но и ряд других функций. Ко времени выхода статьи Ф. Крика были известны ферменты липоксигеназы и сравнительно небольшое количество оксилипинов, например некоторые простагландины. За прошедшие тридцать лет не только был выяснен циклооксигеназный путь биосинтеза простагландинов, но и обнаруже-

СИГНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ КЛЕТОК И ГЕНОМ

ны многие новые биорегуляторы-оксилипины. Оказалось, что простаноиды и другие эйкозанои-ды (продукты метаболизма С20-жирных кислот) поддерживают гомеостаз у млекопитающих на клеточном и организменном уровнях, контролируют многие жизненно важные функции, в частности, сокращение гладкой мускулатуры, свертывание крови, деятельность сердечно-сосудистой, пищеварительной и дыхательной систем, воспалительные процессы, аллергические реакции. Первая из перечисленных функций, контроль сокращений гладкой мускулатуры, совпадает с одним из предсказаний Ф. Крика, прогнозировавшего расшифровку механизмов функционирования мышц.

Одним из перспективных направлений является исследование оксилипиновой сигнальной системы и ее роли у растений и немлекопитающих. Интерес к этой области связан во многом с тем, что метаболизм оксилипинов у млекопитающих и растений имеет больше различий, чем сходства. За последние тридцать лет были достигнуты заметные успехи в изучении оксилипинового сигнального метаболизма у растений . Некоторые из обнаруженных оксилипинов контролируют рост и развитие растений, участвуют в формировании местной и системной устойчивости к патогенам и в адаптации к действию неблагоприятных факторов.

Особый интерес представляют факты управления сигнальными системами экспрессией генов, кодирующих белковые интермедиа™ самих сигнальных систем. Это управление включает автокаталитические циклы или, в случае экспрессии генов фосфопротеинфосфатаз, приводит к подавлению той или иной сигнальной системы. Было обнаружено, что может происходить сигна-линдуцируемое образование как начальных белковых участников сигнальных цепей - рецепторов, так и конечных - факторов регуляции транскрипции. Имеются данные и об элиситориндуцируемой активации синтеза белковых промежуточных ин-термедиатов сигнальных систем, вызванной, например, экспрессией генов МАР-киназы, кальмо-дулина, различных липоксигеназ, циклооксигена-зы, ]ЧО-синтазы, протеинкиназ и т.д.

Геном и сигнальная сеть клетки образуют сложную самоорганизующуюся систему, своеобразный биокомпьютер. В этом компьютере жестким носителем информации является геном, а сигнальная сеть играет роль молекулярного процессора, выполняющ

САЛИЦИЛАТ-ИНДУЦИРОВАННАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПРОТЕОМОВ У РАСТЕНИЙ (ОБЗОР)

ЕГОРОВА А.М., ТАРЧЕВСКИЙ И.А., ЯКОВЛЕВА В.Г. - 2010 г.

ИНДУКЦИЯ САЛИЦИЛОВОЙ КИСЛОТОЙ КОМПОНЕНТОВ ОЛИГОМЕРНЫХ БЕЛКОВЫХ КОМПЛЕКСОВ

ЕГОРОВА А.М., ТАРЧЕВСКИЙ И.А., ЯКОВЛЕВА В.Г. - 2012 г.