Неспецифическая устойчивость растений к стрессовым факторам и ее регуляция

Сыну Камилю и всей моей семье
с благодарностью посвящаю

ВЕДЕНИЕ

Растительные организмы обладают широким спектром защитно-

приспособительных

реакций,

способствующих

развитию

их

устойчивости к разнообразным стрессовым факторам внешней среды.

Рассмотрение

совокупности

адаптивных

процессов,

развивающихся  в  растениях  в  ответ  на  повреждающие  воздействия,
позволяет  выявить  общие  неспецифические  физиолого-биохимические
защитные  реакции,  к  числу  которых  можно  отнести  сдвиги  в
гормональном  балансе,  вносящие  свой  вклад  в  изменение  структуры  и
функции  клеток  и  способствующие  переключению  функциональной
активности  клеток  в  нормальных  условиях  на  так  называемые
стрессовые подпрограммы. К их проявлениям можно отнести снижение
активности  процессов  метаболизма,  которое,  однако,  сопровождается
индукцией  образования  целого  ряда  соединений,  необходимых  для
сохранения целостности клеточных структур и жизненного потенциала
растительного организма в неблагоприятных условиях [Мелехов, 1985;
Кулаева, 1994; Dixon, Palva, 1996; Тарчевский, 1993; 2000]. Среди  них
заметное место занимает изменение в спектре синтезируемых белков.

Сейчас не вызывает сомнений ключевая роль АБК в индукции

синтеза более десятка стрессовых белков, протекторная роль многих из
которых  уже  доказана [Bewley, 1997; Leung, Giraudat, 1998; Busk,
Pages, 1998].  Вместе  с  тем  АБК  участвует  в  регуляции  синтеза  белков,
играющих  важную  роль  в  повседневной  жизни  растений [Singh et al.,
1987; Robertson et al., 1994; Hurkman, Tanaka, 1996]. К  таким  белкам,
вероятно,  можно  отнести  и  лектин  пшеницы,  так  называемый
агглютинин  зародыша  пшеницы  (АЗП),  относящийся  к  семейству Rab-
белков [Skriver, Mundy, 1990]. Несмотря на детальное исследование его
физико-химических  свойств,  физиологическая  роль  АЗП  в  растениях
пшеницы все еще дискутируется в литературе [Chrispeels, Raikhel, 1991;
Peumans, van Damme, 1995; Rudiger, 1997]. Участие  АБК  в  контроле
экспрессии  гена  АЗП  и  регуляции  его  количественного  уровня  в
растениях пшеницы при стрессовых воздействиях [Cammue et al., 1989;
Shakirova et al., 1996; Singh et al., 2000] дает  основание  предполагать
вовлечение  его  в  АБК-индуцируемые  неспецифические  реакции
пшеницы  в  ответ  на  неблагоприятные  воздействия  биотической  и
абиотической природы.

Однако хорошо известно, что реализация антистрессовых

подпрограмм  требует  больших  энергетических  затрат  растений,  что
сопровождается одновременно снижением энергетического обеспечения
процессов  продуктивности.  Поэтому  актуально  использование  в
растениеводстве  фитогормонов,  в  спектре  физиологического  действия
которых  проявляется  четко  выраженный  антистрессовый  эффект.  Они
способны  в  крайне  низких  концентрациях  регулировать  активность
метаболических  процессов  на  высоком  уровне,  индуцируя  при  этом
устойчивость  различных  культур  к  широкому  спектру  стрессовых
воздействий  и  поддерживая  в  этих  условиях  высокую  продуктивность
растений.  В  этом  плане  имеется  немало  данных  о  повышении  под
влиянием АБК, цитокининов, брассиностероидов, салициловой кислоты
устойчивости растений [Кулаева, 1973; Титов и др., 1987; Пустовойтова
и  др., 1997; Busk, Pages, 1998; Mauch-Mani, Metraux, 1999; Шакирова,
2000а; Khripach et al., 2000], хотя  механизмы  их  защитного  действия
недостаточно ясны. Возникает необходимость сравнительного изучения
механизмов действия как природных, так и синтетических регуляторов
роста  с  тем,  чтобы  понять,  что  лежит  в  основе  индуцирования  под  их
влиянием  неспецифической  устойчивости  растений  к  различным
неблагоприятным факторам.

В настоящей работе предпринята попытка раскрытия общих

закономерностей  проявления  защитного  действия  на  растения
различных по химической структуре и функциям регуляторов роста при
воздействии  повреждающих  факторов  среды.  Наряду  с  подробным
обсуждением имеющейся на сегодняшний день суммы знаний (вместе с
тем  далеко  не  исчерпывающей)  о  разнообразии  проявлений
неспецифических  защитных  механизмов  растительных  организмов  к
стрессовым  воздействиям  разной  природы  и  путей  их  активации
фитогормонами  и  синтетическими  препаратами,  обладающими
свойствами  природных  регуляторов  роста,  автором  проведено
комплексное

изучение

гормонального

статуса,

состояния

белоксинтезирующего аппарата клеток, динамики содержания лектина у
растений пшеницы в условиях засухи, засоления, грибного патогенеза и
одновременно  при  предобработке  биорегуляторами.  Это  позволило
оценить  их  вклад  в  изменения  активности  метаболизма  при
индуцировании  под  их  влиянием  комплексной  устойчивости  и  уровня
продуктивности пшеницы.

В данной работе особое внимание уделено рассмотрению

следующих положений: 1)

разнообразные по природе стрессовые

факторы среды индуцируют универсальную (неспецифическую)
ответную реакцию растений, включающую в себя изменения в

эндогенной  гормональной  системе,  активности  трансляционного
аппарата,  а  также  количественного  уровня  лектина  как  показателя
развития  неспецифической  устойчивости  пшеницы; 2) природные  и
синтетические  регуляторы  роста, повышающие устойчивость пшеницы
к  широкому  спектру  неблагоприятных  воздействий,  вызывают
накопление  АБК  и  АЗП  (на  фоне  высокого  уровня  ИУК)  и
способствуют  предадаптации  растений  к  стрессовым  ситуациям;
3) защитный эффект биорегуляторов в стрессовых условиях включает в
себя  поддержание  оптимального  баланса  фитогормонов  и  торможение
деградации аппарата белкового синтеза, что в совокупности приводит к
снижению  потерь  урожая  растений.  Выявленный  в  работе  ряд  общих
критериев,  характеризующих  защитное  действие  природных  и
синтетических  регуляторов  роста  на  растения  при  различных
неблагоприятных  воздействиях,  может  способствовать  разработке
приемов по их использованию в практическом растениеводстве.

Автор выражает сердечную благодарность своему учителю

проф. О.Н. Кулаевой,  д-ру  биол.  наук  Н.Л. Клячко  и  всем  сотрудникам
Института  биохимии  и  генетики  Уфимского  научного  центра  РАН,
которые  на  протяжении  многих  лет  способствовали  получению
экспериментального  материала,  легшего  в  основу  данной  работы.
Особую

признательность

автор

выражает

канд. биол. наук

Ш.Я. Гилязетдинову за ценные замечания при оформлении монографии
и канд. биол. наук М.В. Безруковой за помощь при подготовке ее к
изданию.

ЛАВА

1. МЕХАНИЗМЫ НЕСПЕЦИФИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ

РАСТЕНИЙ К НЕБЛАГОПРИЯТНЫМ ФАКТОРАМ
РАЗНОЙ ПРИРОДЫ

Общие представления о неспецифической устойчивости растений
к стрессовым воздействиям

Растительные организмы в природных условиях очень часто

подвергаются  воздействию  неблагоприятных  факторов  окружающей
среды. Способность растений сопротивляться экстремальным условиям
произрастания,  приспосабливаться  к  ним  и  сохранять  при  этом  свой
жизненный  потенциал  является  одним  из  определяющих  условий
существования  растений  и  зависит  от  возможности  реализовать
защитно-приспособительные  механизмы,  то  есть  адаптироваться  к
разнообразным стрессовым воздействиям.

Любой стрессовый фактор, очевидно, оказывает на растительный

организм двойной эффект: повреждающий и раздражающий [Урманцев,
Гудсков, 1986]. Повреждение  проявляется  в  нарушении  целостности
мембранных  структур  клеток,  изменении  их  свойств,  разобщении
дыхания и фосфорилирования и других процессов, тогда как стрессор-
раздражитель  вызывает  формирование  целой  цепи  ответных  защитных
реакций,  направленных  на  репарацию  повреждений.  Уже  исходя  из
сказанного  можно,  по-видимому,  выявить  наличие  не  только
специфических,  но  и  прежде  всего  неспецифических  универсальных
или  стандартных  ответов  организма  на  действие  стрессовых  факторов,
хотя,  безусловно,  не  вызывает  сомнения  существование  тесной  связи
тех и других защитно-приспособительных реакций растений к действию
неблагоприятных  факторов,  которое  особенно  четко  проявляется  в
выделении  эколого-физиологических  групп  растений  с  генетически
закрепленными  механизмами  устойчивости  к  конкретной  среде
обитания [Лапина, Строгонов, 1979; Генкель, 1982].

Однако, очевидно, первичная реакция на воздействие стрессора

направлена  на  предотвращение  повреждений  клеток  организма,  а
потому  является  универсальной  [Удовенко, 1979; Мелехов, 1985;
Кузнецов  и  др., 1987; Александров,  Кислюк, 1994; Dixon, Palva, 1995;
Пахомова, 1995; Пахомова,  Чернов, 1996], что  проявляется  в
мобилизации неспецифических защитных реакций, стоящих «на страже

жизни» и участвующих в формировании адаптивных реакций растений,
способствующих повышению их устойчивости к изменяющимся
условиям среды.

Согласно концепции о стрессе, сформированной Г. Селье [1972], в

ответ на сильное неблагоприятное воздействие в организме
индуцируются

неспецифические

реакции,

сопровождающиеся

перестройкой  защитных  систем  во  времени – генерализованный
адаптационный  синдром,  в  котором  выделяется  три  стадии:  реакция
тревоги – первоначальная  реакция,  сопровождающаяся  процессами
катаболизма  различных  полимеров,  призывающая  к  активации
защитных  механизмов,  затем  при  длительном  воздействии  любого
альтерирующего  агента  наступает  стадия  адаптации,  которая,
наоборот,  характеризуется  активацией  синтетических  процессов,
приводящих часто к усилению выше нормы степени сопротивляемости
клеток  организма,  однако  при  продолжающемся  повреждающем
действии  стрессора  наступает  стадия  истощения,  в  которой
исчерпываются  компенсаторные  механизмы  организма,  теряется
достигнутая  адаптация  и  сопротивляемость  падает  ниже  нормы,  что,
вероятно,  связано  с  существованием  порога  приспособительной  силы
[Родченко и др., 1988; Пахомова, 1995].

Такое поэтапное проявление всех трех стадий адаптационного

синдрома,  очевидно,  возможно  при  рассмотрении  длительных
воздействий  сильных  (патологических)  стрессоров.  В  отношении  же
менее  сильных  и  кратковременных  воздействий  картина  может  быть
иной  и  не  столь  «пессимистичной».  Наоборот,  физиологические
(слабые)

стрессоры

способны

индуцировать

усиление

восстановительных

процессов,

приводящих

формированию

длительной неспецифической устойчивости.

Таким образом, физиологический стресс, индуцируя избыточную

активацию метаболизма, может повышать общие адаптивные
механизмы

растительного

организма

способствовать

его

предадаптации  к  другим  возможным  стрессовым  воздействиям,
увеличению  его  неспецифической  устойчивости [Bonham-Smith et al.,
1987;  Кузнецов  и  др., 1990; Kuznetsov et al., 1993; Ishikama et al., 1995;
Hughes, Dunn, 1996; Franco et al., 1999].

Следует специально отметить, что строгое разделение на фазы

стрессовых  ответных  реакций  в  ходе  формирования  механизмов
адаптации  на  воздействие  стрессоров  разной  силы  четко  прослежено
для  животных  организмов.  Однако  растительные  организмы  также
претерпевают  цепь  сходных  реакций  в  ответ  на  разнообразные
неблагоприятные воздействия разной природы (неспецифический ответ)

в  ходе  формирования  адаптационных  процессов,  которые,  в  свою
очередь,  также  в  широкой  степени  неспецифичны  [Александров, 1985;
Александров, Кислюк, 1994], и условное разделение их на аналогичные
фазы, по-видимому, может быть справедливым и для растений, хотя их
иногда  очень  трудно  выделить  [Урманцев,  Гудсков, 1986; Урманцев,
Пронина, 1986; Пахомова, 1995].

К первым неспецифическим ответам клеток растений на

воздействие  разнообразных  стрессоров,  характерных  для  начальной
фазы стресса, соответствующей катаболической фазе тревоги, которую
называют  по-разному – фазой  торможения  [Удовенко, 1979], реакцией
защитного  торможения  метаболизма  [Мелехов, 1985], первичной
стрессовой  реакцией  [Полевой, 1989], фазой  физиологической
депрессии  [Пахомова, 1995] и  так  далее,  относится  целый  комплекс  в
той  или  иной  степени  однотипных  реакций,  которые,  в  свою  очередь,
можно  рассматривать  в  качестве  общебиологических:  снижение
тотальной

активности

синтетических

процессов,

деградация

белоксинтезирующего  аппарата,  катаболизм  биополимеров,  синтез
стрессовых  белков,  повышение  синтеза  и  активация  гидролитических
ферментов,  образование  необходимых  для  срочной  защиты  клеток
соединений [Мелехов, 1985; Метлицкий, Озерецковская, 1985; Полевой,
1989;  Блехман,  Шеламова, 1992; Тарчевский, 1993; Кузнецов,
Старостенко, 1994; Dixon, Palva, 1995; Bohnert et al., 1995; Пахомова,
1995; Пахомова, Чернов, 1996].

В то же время интересно попытаться выявить последовательность

нарушений, вызываемых стрессором в первой фазе действия [Удовенко,
1979],  хотя  скорость  их  прохождения  может  быть  настолько  быстрой,
что  эти  нарушения  могут  регистрироваться  почти  одновременно.  Так,
первичные  (основные)  нарушения  являются  результатом  непосред-
ственного  действия  его  на  клетки,  их  метаболических  функций,  а
именно  нарушение  структурной  целостности  мембран  и  изменение  их
проницаемости  [Полевой, 1989; Skriver, Mundy, 1990; Мелехов,
Ефремова, 1990; Bohnert et al., 1995; Конарев, 1998; Тарчевский, 2000],
изменение  свойств  и  состояния  цитоплазмы,  изменение  ее  рН
[Александров, 1985; Александров,  Кислюк, 1994], структурного
состояния  и  активности  ядерной  ДНК  [Удовенко, 1979; Блехман,
Шеламова, 1992; Bohnert et al., 1995], а также  процессов,  связанных  с
биоэнергизацией  клеток  [Урманцев,  Гудсков, 1986; Полевой, 1989;
Блехман, Шеламова, 1992; Bohnert et al., 1995].

Вторичные

нарушения

являются

следствием

первичных

нарушений; к ним можно отнести индукцию синтеза стрессовых белков
и отдельных присущих норме белков на фоне подавления тотального

синтеза  белка [Ramagopal, 1987; Савич, 1989; Кулаева  и  др., 1991;
Блехман,  Шеламова, 1992;  Колесниченко  и  др. 2000], повышение
концентрации  стрессовых  фитогормонов  АБК  (ей  отводят  ключевую
роль  в  индукции  синтеза  стрессовых  белков)  и  этилена  (называемого
часто  гормоном  тревоги) [Meyer et al., 1987; Quarrie, 1989; Neumann
et al., 1989; Skriver, Mundy, 1990; Кулаева, 1994; Ракитина  и  др., 1994;
Bleecker, 1999], а  также  других  эндогенных  регуляторов  роста,
например  салицилата  и  жасмоната,  задействованных  в  индукцию
стресс-реакций [Raskin, 1992; Creelman, Mullet, 1997; 1997а; Genoud,
Metraux, 1999], и,  что  важно,  наряду  с  этим  снижение  уровня  ИУК,
цитокининов  и  гиббереллинов  [Пустовойтова, 1981; Мелехов, 1985;
Жирмунская, Шаповалов, 1987; Жолкевич, Пустовойтова, 1993; Jaсkson,
1997], торможение ростовых процессов [Жолкевич, Пустовойтова, 1993;
Шакирова и др., 1993; Митриченко, 1999; Шакирова, 1999] и, наконец,
результирующие изменения ряда интегральных показателей организма,
к которым относят поглощение и утилизацию элементов минерального
питания, прирост биомассы, урожай зерна и т.д. [Полевой, 1989; Triboi,
Leblevenec, 1995; Миркин  и  др., 1999; Трапезников  и  др., 1999;
Рахманкулова, Усманов, 2000].

Центральным звеном метаболизма, как известно, является

тотальный  синтез  белка,  который,  вероятно,  можно  рассматривать  в
качестве  маркера  изменения  активности  метаболизма  клеток  в  целом,
поскольку  он  очень  чутко  реагирует  на  перемену  условий
произрастания растений. Об интенсивности синтеза белка можно судить
не  только  по  включению  меченых  аминокислот,  но  и  по  активности
белоксинтезирующего  аппарата,  о  которой,  в  свою  очередь,  можно
судить  по  соотношению  активных  в  синтезе  белка  полисом  и
неактивных  моносом.  Разнообразные  по  природе  стрессовые
воздействия  вызывают  в  клетках  деградацию  трансляционного
аппарата,  приводящую  к  снижению  интенсивности  тотального  синтеза
белка,  то  есть  присущих  норме  белков,  например,  при  засухе  [Генкель
и др., 1972;  Шевелуха и др., 1983; Gallie, 1993; Кудоярова и др., 2000],
температурном стрессе [Ferguson et al., 1994; Wollgiehn, Neumann, 1995],
засолении [Ramagopal, 1987; Singh et al., 1985; 1987], снижении pH
среды [Tupy et al., 1986], ультрафиолетовом  облучении [Araoz et al.,
1998], гипоксии [Gallie, 1993], грибном патогенезе [Султонов, Аксенова,
1978;  Шакирова  и  др., 1985; 1989; Джемилев  и  др., 1990] и  других
стрессовых факторах.

Активность белоксинтезирующего аппарата контролируется

всеми классами фитогормонов и в качестве антагониста в регуляции
активации синтеза белка ауксинами, цитокининами и гиббереллинами

часто  выступает  АБК [Johnson et al., 1974; Klyachko et al., 1979; Ho,
1980;  Шакирова  и  др., 1983; Клячко, 1985; Кулаева, 1982; 1987; 1994;
Gallie, 1993]. Действительно,  стрессовые  факторы  разной  природы
вызывают  накопление  АБК,  причем  оно,  вероятно,  в  большой  мере
зависит от новообразования АБК, поскольку ингибиторы синтеза РНК и
белка – кордицепин  и  циклогексимид – резко  уменьшают  стресс-
индуцированное  повышение  уровня  этого  гормона [Williams et al.,
1994].

Вместе с тем стрессовые воздействия часто вызывают в клетках

растений одновременно значительные, иногда очень быстрые, падения в
содержании  ауксинов,  цитокининов  и  гиббереллинов  [Пустовойтова,
1981;  Жолкевич,  Пустовойтова, 1993; Jaсkson, 1997; Kudoyarova et al.,
2001],  недостаток  концентрации  которых  также  может  приводить  к
торможению активности процессов метаболизма. Правда, следует особо
подчеркнуть,  что  снижение  уровня  отдельных  фитогормонов-
активаторов  роста,  равно  как  и  накопление  АБК  не  всегда  выявляется
при  воздействии  стресса  [Жолкевич,  Пустовойтова, 1993; Ribaut, Pilet,
1994]. Надо сказать, что изменения в балансе фитогормонов в ответ на
стресс  могут  происходить  очень  быстро  и  они  легко  обратимы  при
снятии  стрессового  воздействия  [Муромцев  и  др., 1987; Williams et al.,
1994;  Митриченко, 1999]. Все  это  позволяет  рассматривать
фитогормоны  в  качестве  ключевого  звена  в  регуляции  защитного
торможения  метаболизма  в  условиях  стресса  [Мелехов, 1985;
Жирмунская, Шаповалов, 1987; Dunlap, Binzen, 1994; Шакирова, 1999].

Согласно

гипотезе

Е.И. Мелехова [1985], торможение

метаболизма в клетках растений в начальную фазу в ответ на стрессор,
имеющее  ярко  выраженный  неспецифический  характер,  по-видимому,
можно  называть  защитным,  поскольку  оно  приводит  к  снижению
скорости  повреждающих  целостность  клеток  процессов  в  условиях
стресса,  являющихся  «продуктом»  обмена  веществ  и  находящихся  на
«балансе»  энергии,  получаемой  опять  же  в  результате  активного
метаболизма.  Соответственно  снижение  активности  метаболических
процессов  при  стрессе  носит  защитно-приспособительный  характер  и
препятствует  развитию  самоповреждения,  сохраняя  тем  самым
жизненный потенциал клеток для последующей репарации.

В пользу справедливости этой гипотезы свидетельствуют данные

об усилении повреждающего действия стресс-фактора и снижении
устойчивости растений на фоне обработки ауксинами, цитокининами и
гиббереллинами и, наоборот, повышении ее под влиянием АБК
[Мелехов, Ефремова, 1988; Robertson et al., 1994; Jackson, 1997]. Правда,
такое

заключение

справедливо

при

воздействии

жесткого

повреждающего  агента,  тогда  как  обработка  растений  фитогормонами-
активаторами  метаболизма  при  действии  физиологических  доз  стресс-
фактора,  напротив,  способна  повышать  их  устойчивость  [Шакирова  и
др., 1982; Мелехов, Ефремова, 1988; Чернядьев, 1997; Paldi et al., 1999].

Особо следует подчеркнуть, что при оценке влияния различных

экзогенных  фитогормонов  на  растения  в  стрессовых  условиях  разной
степени  повреждения  необходим  тщательный  анализ  схемы  (срока)
обработки  препаратами  [Жирмунская,  Шаповалов, 1987; Сарват  и  др.,
1993].  Так,  предварительная  обработка  многими  регуляторами  роста
может  существенно  повышать  устойчивость  растений  к  последующим
повреждающим факторам среды [Шевелуха и др., 1983; Шакирова и др.,
1985;  Жирмунская,  Шаповалов, 1987; Джемилев  и  др., 1990; Robertson
et al.,  1994;  Хрипач  и  др., 1995; Тарчевский  и  др., 1999; Шакирова,
1999].

Торможение метаболизма клеток в ответ на действие стрессора не

является  пассивным  и  его,  вероятно,  можно  называть  не  просто
защитной, а защитно-адаптивной реакцией, поскольку хорошо доказана
роль продуктов происходящего в эту фазу катаболизма биополимеров в
защите  растений,  а  также  в  индукции  образования  активных
антистрессовых  механизмов  [Чигрин, 1986; Блехман,  Шеламова, 1992;
Bohnert et al., 1995; Dixon, Palva, 1995; Пахомова, 1995; Пахомова,
Чернов, 1996; Тарчевский, 1993; 2000], способствующих
противостоянию

повреждающему

действию

различных

неблагоприятных факторов и формированию реакций адаптации. К ним
можно  отнести  олигосахарины;  аминокислоты  пролин,  аргинин,
аспарагиновую и глутаминовую кислоты и другие; полиамины; моно- и
дисахара;  янтарную  и  другие  кислоты;  оксигенированные  жирные
кислоты;  низкомолекулярные  пептиды  (например,  системин)  и  многие
другие соединения [Тарчевский, 1993; Bohnert et al., 1995; Dixon, Palva,
1995;  Пахомова, 1995; Пахомова,  Чернов, 1996; Озерецковская,
Роменская, 1996; Жолкевич  и  др., 1997; Шевякова  и  др., 1999; Hare
et al.,  1999;  Озерецковская, 1999; Тарчевский  и  др., 1999; 2000; Ryan,
2000].

Таким образом, в первую фазу воздействия стрессора в клетках

растений  снижается  интенсивность  присущего  норме  метаболизма  и
включаются  процессы,  не  характерные  для  обычных  условий
существования,  которые,  однако,  носят  временный  характер.
Интенсивность  и  длительность  катаболических  процессов  при  стрессе
не  должны  выходить  за  рамки  необратимых  изменений  (неизбежно
ведущих  к  гибели),  поэтому,  вероятно,  в  клетках  должны
образовываться  и  накапливаться  стресс-лимитирующие  факторы

[Пахомова,  Чернов, 1996]. Первую  фазу  стрессовой  реакции  в
формировании  адаптации  растений  к  повреждающим  воздействиям
можно рассматривать в качестве срочной, но несовершенной адаптации,
тогда  как  в  период 2-й  фазы  постепенно  возникают  долговременные
механизмы  адаптации  при  действии  на  организм  стрессовых  факторов
среды.  Таким  образом, 1-я  фаза  стрессового  ответа  не  только
предшествует адаптации к изменениям условий среды, но и играет в ней
активную роль [Пахомова, Чернов, 1996].

В процессе адаптации к «непатологическим» стрессовым

факторам  клетки  растений  претерпевают  изменения  анаболического
характера,  приводящие  к  постепенной  активации  метаболических
процессов,  выражающиеся  в  активации  хроматина,  транскрипции  и
трансляции,  снижении  активности  многих  гидролитических  ферментов
и  стабилизации  активности  других,  восстановлении  активности
фотосинтеза  и  дыхания,  ростовых  процессов.  То  есть,  в  этот  период
организм

переходит

на

новый

режим

жизнедеятельности,

способствующий

формированию

приспособительных

реакций

[Пахомова, Чернов, 1996; Конарев, 1998], среди которых все более
важное значение для растения приобретают специфические.

Устойчивость растений к стрессовым факторам зависит от фазы

онтогенеза. Если в покоящемся состоянии растения наиболее
устойчивы, то в периоды, например, прорастания или формирования
семян – наиболее уязвимы [Удовенко и др., 1998].

Идентификация механизмов защиты растений очень важна для

понимания природы естественной устойчивости с целью активного
управления ими для повышения продуктивности важнейших
сельскохозяйственных культур.

Роль АБК в неспецифической устойчивости растений

Многие исследователи называют АБК «гормоном стресса» в связи

с тем, что разнообразные по природе стрессовые воздействия вызывают
ее быстрое накопление [Lang et al., 1994; Кулаева, 1994; Hughes, Dunn,
1996; Moons et al., 1997; Leung, Giraudat, 1998; Busk, Pages, 1998].
Однако  АБК  является  присущим  всем  растениям  на  протяжении  всего
онтогенеза  соединением,  отвечающим  всем  критериям  фитогормона,
функции  которой  в  регуляции  жизненно  важных  физиологических
программ  в  растительном  организме  весьма  разнообразны:  регуляция
ростовых  процессов,  закрывание  устьиц,  поступление  и  транспорт
ионов,  развитие  и  созревание  семян  (регуляция  обезвоживания  и

индукция  синтеза  запасных  белков),  поддержание  состояния  покоя,
прорастание  семян,  биогенез  хлоропластов,  старение  листьев,  ответ
растений  на  разнообразные  стрессовые  воздействия  (индукция  синтеза
стрессовых  белков) [Кефели  и  др.,1989; Skriver, Mundy, 1990; Bray,
1993; Кулаева, 1994; Kende, Zeevaart, 1997; Bewley, 1997; Jackson, 1997;
Leung, Giraudat, 1998; Bonetta, McCourt, 1998; Piola et al., 1998; Busk,
Pages, 1998; Tester, 1999; Desikan et al., 1999]. Кроме  того,  АБК  в
концентрациях 10

-5-9

М играет важную роль в стимуляции поступления

ассимилятов в развивающиеся зародыши семян, формировании
клубней,

дифференцировки

зимующих

почек,

развитии

партенокарпических

плодов,

роста

мезокотиля,

гипокотиля,

формировании  эмбриоидов  в  суспензионной  культуре  клеток,
образовании  стеблей  в  семядольных  узлах  и  придаточных  корней  на
гипокотилях,  а  также  роста  корней  у  ряда  растений  [Обручева  и  др.,
1985;  Кефели  и  др., 1989; Николаева, 1993; Шаяхметов,  Шакирова,
1996;  Заякин,  Нам, 1998]. Известна  роль  АБК,  наряду  с  этиленом,  в
опадении  листьев,  цветков  и  завязей,  которая  связана  с  экспрессией
генов белков, необходимых для формирования отделительного слоя при
их опадении [Milborrow, 1974; Нам и др., 1990; Bleecker, 1999].

Одной из наиболее удачных физиологических моделей,

позволивших  получить  доказательства  определяющей  роли  АБК  в
формировании, созревании семян, а также сохранении состояния покоя,
являются  семена,  изолированные  из  дефицитных  по  АБК  и
нечувствительных  к  АБК  мутантов  (более  десятка  их  получено  из
кукурузы,  арабидопсиса  и  томата)  на  разных  стадиях  развития [Cutler
et al., 1996; Bewley, 1997; Busk, Pages, 1998; Bonetta, McCourt, 1998].
Известно,  что  в  ходе  развития  семян,  особенно  в  период  синтеза
запасных  веществ,  наблюдается  значительное  накопление  АБК,  а  к
моменту  созревания  (обезвоживания)  уровень  АБК  снижается
[Rademacher, Drabe, 1984; Skriver, Mundy, 1990; Bousqet et al., 1990;
Шакирова  и  др., 1994]. Зрелые  семена,  способные  прорастать  в
природных условиях, содержат АБК в весьма низкой, не ингибирующей
рост  концентрации,  и  можно  предположить,  что  роль  АБК  в
прорастании  семян  сводится  не  только  к  отсутствию  ингибирующего
эффекта,  но  и  к  стимулированию  каких-то  процессов,  связанных  с
прорастанием  [Обручева  и  др., 1985; Walker-Simmons, 1987; Morris,
1989; Николаева, 1993; Вонг и др., 1994].

АБК, вероятно, можно отнести к числу основных факторов

торможения  тех  или  иных  процессов  метаболизма  в  связи  с  их
физиологической  необходимостью.  Очевидно,  в  этом  заключается  ее
важная  роль  в  регуляции  процессов  старения  тканей,  поддержания

состояния покоя семян и почек и снижении активности метаболических
процессов в жестких стрессовых ситуациях [Кулаева, 1982; 1987; 1994;
Мелехов, 1985; Муромцев  и  др., 1987; Кефели  и  др.,1989; Hoffmann-
Benning, Kende, 1992; Вонг и др., 1994; Jackson, 1997; Шакирова, 1999].
При  необходимости  АБК  может  быстро  образовываться  из
каротиноидов  через  ксантоксин  (хотя  основным  первичным
предшественником  является  мевалоновая  кислота),  накапливаться  и
быстро  инактивироваться  в  фазеевую  кислоту,  а  затем  в
дигидрофазеевую  кислоту [Bray, 1993; Kende, Zeevaart, 1997; Cutler,
Krochko, 1999], обеспечивая  таким  образом  обратимое  торможение
процесса,  который  может  полностью  нормализоваться  после  падения
концентрации АБК [Муромцев и др., 1987].

Теперь уже хорошо доказано, что именно АБК играет

существенную  роль  в  индукции  синтеза  ряда  запасных Rab (ABA-
responsible)  белков  в  ходе  созревания  и  обезвоживания  семян  и,
вероятно,  белков,  блокирующих  преждевременное  прорастание  семян,
хотя  специфических  именно  для  прорастания  белков-маркеров  пока  не
найдено [Bewley, 1997]. К  таким Rab белкам,  в  частности,  относятся
белки  семейства LEA (late embryogenesis abundant), включающие  ряд
глобулинов, Em, дегидрины,  которые  быстро  деградируют  при
замачивании [Barratt, 1986; Skriver, Mundy, 1990; Holappa, Walker-
Simmons, 1995; Bewley, 1997; Busk, Pages, 1998]. Функциональная
значимость  АБК-индуцируемых LEA белков,  вероятно,  заключается  в
стабилизации  клеточных  белков  в  условиях  глубокого  обезвоживания,
поскольку  их  характерной  особенностью  является  гидрофильность
[Dure et al., 1989; Bray, 1993; Ismail et al., 1999].

Выявлены различные пути регуляции экспрессии АБК-

индуцируемых генов. Так, экспрессия генов 2-х белков (7S глобулина и
Em),  характерных  для  зрелых  зародышей  пшеницы,  по-разному
реагирует  на  ингибиторы  транскрипции  и  трансляции:  аккумуляция
мРНК 7S глобулина  ингибируется  циклогексимидом,  эффективным
ингибитором  синтеза  белка  на 80S рибосомах,  тогда  как  синтез  мРНК
Em  не  зависит  от  синтеза  белка  de novo  [Williamson, Quatrano, 1988].
Интересно,  что  в  этот  же  период  эмбриогенеза  зародышей  пшеницы
наблюдается массированный синтез еще одного белка, экспрессия гена
которого  контролируется  АБК.  Это  агглютинин  зародыша  пшеницы
(АЗП) [Raikhel, Quatrano, 1986; Mansfield, Raikhel, 1990], который также
может быть отнесен к Rab белкам [Skriver, Mundy, 1990], однако он не
является  запасным  белком,  поскольку  присущ  растениям  пшеницы  в
ходе  всего  онтогенеза [Mishkind et al., 1980; Raikhel et al., 1984; 1986;
Шакирова, 1999].

В то же время особый интерес у исследователей вызывает АБК

в связи  с  проблемой  стресс-устойчивости  растений.  Роль  АБК
(предобработка растений АБК) в повышении устойчивости растений не
вызывает сомнений. АБК повышает устойчивость не только при засухе,
предотвращая  потерю  клетками  воды,  например,  через  механизм
закрывания устьиц, ее протекторные свойства проявляются при гипо- и
гипертермии,  засолении,  патогенезе  и  т.д. [Skriver, Mundy, 1990;
Robertson et al., 1994; Anderson et al., 1994; Moons et al., 1995; 1997;
Holappa, Walker-Simmons, 1995; Hughes, Dunn, 1996; Leung, Giraudat,
1998; Xiong et al., 1999]. Это  свидетельствует  о  ключевой  роли  АБК  в
индукции  защитных  механизмов  растений  в  ответ  на  воздействие
разнообразных неблагоприятных факторов окружающей среды.

Дополнительными доказательствами вовлечения АБК в развитие

стресс-адаптации  растений  могут  служить  данные  об  увеличении
содержания  АБК  у  растений  в  стрессовых  ситуациях,  а  также
использование  в  опытах  АБК-дефицитных  мутантов.  Действительно,
различные по природе стрессовые воздействия вызывают накопление в
тканях  АБК:  засуха  [Пустовойтова, 1981; Quarrie, 1989; Lang et al.,
1994],  водный  дефицит [Bray,1993; Curry et al.,1991; Williams et al.,
1994; Jackson, 1997], засоление [Singh et al., 1987; Bostock, Quatrano,
1992; Moons et al., 1997; Шакирова  и  др., 1998], осмотический  шок
[Skriver, Mundy, 1990; Moons et

al., 1995], высокие и низкие

температуры  [Ефремов  и  др.,1992;  Шакирова  и  др., 1995; Shakirova
et al., 1996; Hughes, Dunn, 1996; Полевой  и  др., 1997], заражение
фитопатогенными  грибами [Pegg, 1985; Шакирова  и  др., 1994; Васюк,
1995;  Максимов  и  др., 1996], ионы  тяжелых  металлов  [Таланова  и  др.,
1999] и другие факторы.

Очевидно, что стресс-индуцированное накопление АБК может

быть  отнесено  к  универсальной  неспецифической  реакции  и  служить
одним  из  проявлений  реакции  защитного  торможения  метаболизма
[Мелехов, 1985], позволяющего  растениям  «пережить»  стрессовые
ситуации  с  наименьшими  потерями  [Жирмунская,  Шаповалов, 1987;
Шакирова, 1999]. При  этом  на  фоне  снижения  характерных  для
нормальных  условий  белков,  АБК  индуцирует  новообразование
немалого  количества  специфических  для  нее Rab белков.  Эти  белки
справедливо  можно  отнести  к  стрессовым  белкам,  поскольку
большинство  из  них  индуцируется  в  ответ  на  разнообразные
повреждающие воздействия, и сейчас интенсивно изучаются механизмы
регуляции  их  синтеза,  структура,  свойства,  а  также  их  значение  в
адаптации  растений  к  изменяющимся  условиям  среды  [Кулаева, 1994;

Moons et al., 1997; Leung, Giraudat, 1998; Busk, Pages, 1998; Xiong et al.,
1999].

Таким образом, АБК, вероятно, является общим медиатором

растений на стрессовые воздействия, оказывая влияние на изменение в
их  клетках  генной  экспрессии.  Так,  четко  прослежена  связь  между
индукцией  под  влиянием  АБК  синтеза  стрессовых  белков,  а  также
соединений  со  свойствами  осмопротектантов  (например,  пролина  или
пролин-богатых  белков)  и  устойчивостью  вегетирующих  растений  и
клеток в суспензионной культуре к стрессу, вызванному осмотическим
шоком, засухой, засолением, охлаждением и т.д. [Robertson et al., 1994;
Moons et al., 1995; 1997; Chai et al., 1998; Hare et al., 1999]. К  таким
АБК–индуцируемым  в  стрессовых  ситуациях  гидрофильным  белкам
относятся  вышеназванные LEA белки,  характерные  для  позднего
эмбриогенеза в период естественного в ходе созревания обезвоживания
семян и обычно не обнаруживающиеся в вегетирующих растениях.

В работах Moons et al. [1995], а также Close [1997] приведен

подробный  анализ  литературных  данных  об  усилении  уровня
экспрессии  ряда  rab  генов,  относящихся  к  семействам  lea,  при
воздействии  засоления,  обезвоживания  или  холода.  При  этом
естественные  экотипы,  используя  механизмы  индукции  синтеза LEA
белков, обладают комплексной устойчивостью к этим стресс-факторам.
По аминокислотным последовательностям эти белки подразделяются на
несколько

групп [Dure et

al., 1989]. Так,

например,

LEA/Rab/дегидриновые  белки,  относящиеся  к  группе 2,  обычно
накапливаются  в  растениях  риса,  ячменя,  кукурузы  и  некоторых
двудольных  в  ответ  на  дегидратацию,  вызванную  обезвоживанием,
засолением или охлаждением; в проростках ячменя синтез LEA белков
группы 3  индуцируется  дегидратацией,  холодом,  экзогенной  АБК  и
слабее  засолением  и  т.д. [Moons et al., 1995]. Таким  образом, Rab/LEA
белки,  очевидно,  участвуют  в  неспецифической  защите  клеточных
структур,  в  частности  конститутивных  белков  от  денатурации,
вызываемой  дегидратирующими  факторами  среды [Blackman et al.,
1993; Ismail et al., 1999; Wisniewski et al., 1999].

Уже достаточно большое количество rab генов, экспрессия

которых

индуцируется

также

стрессовыми

воздействиями,

идентифицировано,  однако  их  роль  в  первоначальной  инициации
восприятия  и  передачи  стрессового  сигнала  до  конца  не  ясна.  По-
видимому, очень важную роль в этой цепи могут играть протеинкиназы,
в  частности Rab протеинкиназа  пшеницы,  регулируемая  также
подвяданием, низкой температурой и осмотическим стрессом [Holappa,
Walker-Simmons, 1995] и

рецептор-подобная

протеинкиназа

арабидопсиса [Hong et al., 1997]. Интересно,  что  экспрессия  гена
последнего  белка  может  индуцироваться  обезвоживанием  независимо
от  АБК [Hong et al., 1997], то  есть  могут  существовать  параллельные
пути  включения  экспрессии  одного  и  того  же  гена,  чувствительного  и
нечувствительного  к  АБК.  В  корнях  проростков  томата  также  выявлен
независимый  от  АБК  синтез  индуцируемых  засолением  белков,  хотя
уровень  эндогенной  АБК  в  условиях  стресса  возрастает  вдвое [Chen,
Plant, 1999]. Интересно,  что  осмотический  шок  вызывает  быструю
активацию  индуцируемой салициловой кислотой протеинкиназы ASK1
в клетках табака [Mikolajczyk et al., 2000]. Кроме того, имеются данные
о  повышении  под  влиянием  АБК  ГТФ–связывающей  активности
мембранных белков в зародышах ячменя, позволяющие предполагать их
вовлечение в нейтрализацию ингибирующего эффекта АБК прорастания
зародышей. [Visser et al., 1999].

Показано, что толерантность клеток в суспензионной культуре

костра  безостого  к  гипертермии  связана  с  АБК–индуцируемым
синтезом  большого  числа  низкомолекулярных  белков  теплового  шока
(БТШ) [Robertson et al., 1994]. Вместе  с  тем  максимальная  защита  от
повышенной  температуры  выявлялась  при  совместной  обработке
суспензионных  клеток  АБК  и 8 %-ной  сахарозой,  что  указывает  на
кооперативное  взаимодействие  стрессовых  белков  и  осмолитов  в
механизмах  стресс-толерантности – защите  белков  и  мембран  от
вызванной  гипертермией  денатурации.  Этими  же  авторами  было
выявлено,  что  экзогенная  АБК  индуцирует  кросс-адаптацию
суспензионных клеток к замораживанию, тепловому шоку и засолению
без предварительного воздействия какого-либо из этих стресс-факторов
[Ishikawa et al., 1995].

Считается, что синтез стрессовых белков индуцируется при

воздействии  неблагоприятных  факторов  среды,  однако  детальный
анализ обнаруживает наличие некоторые из них, правда, иногда в очень
незначительных  количествах,  в  клетках  при  нормальных  условиях
[Robertson et al., 1994; Pareek et al., 1997]. Так, БТШ OsHSP110 в клетках
растений  риса  является  конститутивным  белком,  однако  его  уровень
возрастает  при  действии  теплового  шока,  а  также  обезвоживания,
низкой  температуры  и  засоления,  причем  интересно,  что  последний
стресс  индуцирует  более,  чем  трехкратное  превышение  накопления
этого  белка,  в  сравнении  с  действием  гипертермии [Singla et al., 1997].
БТШ Qs_HSP17  и  осмотин-подобный  белок Qs_OLP накапливаются  в
почках дуба и могут играть важную роль в поддержания их в состоянии
покоя [Pla et al., 1998]. Некоторые  БТШ  способны  функционировать  в
клетках  при  обычных  условиях  в  качестве  молекулярных  шаперонов  и

участвовать в конформации синтезируемых полипептидов и сборке их в
белковые  комплексы [Vierling, 1991; Александров,  Кислюк, 1994].
Выявлено, что эндогенная АБК, количество которой в неблагоприятных
условиях может быстро и транзитно возрастать в несколько раз, так же,
как  и  экзогенная  АБК  в  отсутствии  стресс-факторов,  многократно
индуцирует  экспрессию  генов  БТШ [Robertson et

al., 1994]. Это

справедливо и по отношению ряда генов, регулируемых осмотическим
шоком [Deleu et al., 1999] и водным дефицитом [Cohen et al., 1999].

Имеются данные об участии АБК в нормальной индукции синтеза

белка 26-кД  в  клетках  растений  табака,  количество  которого  сильно
возрастает  в  присутствии NaCl, причем  накопление  белка  связано  с
резким  вызванным  засолением  увеличением  уровня  АБК  и
последующей толерантностью клеток растений к данному воздействию
[Singh et al., 1985; 1987]. Внесение  в  среду  инкубации NaCl или
полиэтиленгликоля  приводит  к  транзитному  накоплению  как Asr1
мРНК, так и Asr1 белка в проростках томата, хотя в обычных условиях
их  содержание  довольно  низкое;  причем  в  механизмы  стресс-
индуцированной  активации  экспрессии  гена  Asr1  также  вовлекается
АБК [Amitai-Zeigerson et al., 1995].

Таким образом, АБК, уровень которой в клетках может очень

быстро  изменяться  под  влиянием  разнообразных  стресс-факторов,
вполне  может  служить  эндогенным  сигналом,  способным  включать
механизмы  адаптации  и  обеспечивать  взаимосвязь  органов  в  целом
растении  в  ответ  на  неблагоприятное  воздействие [Jackson, 1997]. Все
это  указывает  на  ключевую  роль  АБК  в  регуляции  неспецифической
устойчивости растений.

Механизмы устойчивости растений к фитопатогенам

Защитные механизмы растений к фитопатогенам можно условно

подразделить на конститутивные (пассивные) и индуцированные
(активные). К пассивным можно отнести свойства растений, присущие
растительным

организмам

вне

зависимости

от

контакта

болезнетворными  агентами:  анатомо-морфологические  особенности,
химический  состав  тканей,  скорость  прохождения  фаз  онтогенеза,
характерные для растений физиологические и биохимические системы,
находящиеся  в  состоянии  готовности  препятствовать  внедрению  и
развитию патогена. Активные реакции на внедрение патогена или таких
повреждающих  агентов,  как  поранение,  элиситоры  биотической  и
абиотической природы (правда, к их числу можно отнести и активацию

Неспецифическая устойчивость растений к стрессовым факторам и ее регуляция - часть 1