ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2015, том 62, № 3, с. 439-451
ЛЕКЦИИ В ЖУРНАЛЕ
УДК 581.1:581.2:575.1:633.4
ФИТОФТОРОЗ КАРТОФЕЛЯ КАК МОДЕЛЬ КОЭВОЛЮЦИИ В СИСТЕМЕ
ПАТОГЕН-РАСТЕНИЕ-ХОЗЯИН © 2015 г. Э. Е. Хавкин
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Всероссийский институт сельскохозяйственной биотехнологии, Москва Поступила в редакцию 31.10.2014 г.
Впечатляющие успехи молекулярно-генетических исследований Phytophthora infestans и генов устойчивости к этому патогену у культурных и дикорастущих видов Solanum сделали фитофтороз картофеля продуктивной экспериментальной моделью "гонки вооружений" - быстрой совместной эволюции патогена, оомицета P. infestans, и растения-хозяина Solanum. Механизмы такой коэволюции обсуждаются в связи с новыми сведениями о происхождении стародавних и современных форм P. infestans и культурного картофеля. Основное внимание в лекции уделено функциональной организации генов вирулентности патогена и генов расоспецифичной устойчивости растения и молекулярным взаимодействиям продуктов этих генов: RxLR эффекторов патогена и CC-NB-LRR рецеп-торных киназ растения. Знания о молекулярных механизмах взаимодействия P. infestans и картофеля служат основой для создания долговременной устойчивости к фитофторозу: в частности, новые технологии эффекторомики позволяют обнаружить перспективные гены устойчивости в генетических коллекциях Solanum, охарактеризовать эти гены и ускорить их вовлечение в процесс селекции.
Ключевые слова: Phytophthora infestans — Solanum — фитофтороз картофеля — CC-NB-LRRрецепторные киназы — R гены устойчивости к фитофторозу — Avr гены — RxLR эффекторы — эволюция генома
DOI: 10.7868/S0015330315030100
ВВЕДЕНИЕ
Потери урожая картофеля в Европе во второй половине 1840-х годов, одной из причин которых стала сильнейшая эпифитотия картофеля, привели к голодной смерти и эмиграции миллионов европейцев. Сильнее других пострадала Ирландия, где преобладала монокультура картофеля, поэтому фитофтороз во всем мире связывают с "Вели-
Сокращения: AVR - эффектор (от avirulence factor); Avr gene -гены (а)вирулентности (avirulence gene); CC-NB-LRR kinase - рецепторная киназа, содержащая coiled coil домен, нуклеотид-связывающий домен и домен, богатый содержащими лейцин повторами; ETI - эффектор-инициируемый иммунитет (от effector-triggered immunity); ipi/IPI -ген/эффектор (от in-planta induced); PAMP - набор молекул, связанных с патогенами (от pathogen-associated molecular pattern); PTI - PAMP-инициируемый иммунный ответ (от PAMP-triggered immunity); PR белки - белки, связанные с патогенезом (от pathogenesis-related proteins); QTL -локусы количественных признаков; R genes - гены устойчивости (resistance genes); Rpi genes - гены устойчивости к Phytophthora infestans; RxLR - эффекторы патогена, содержащие характерную последовательность аминокислотных остатков: аргинин-любой остаток аминокислоты-лейцин-аргинин.
Адрес для корреспонденции: Хавкин Эмиль Ефимович. 127550 Москва, ул. Тимирязевская, 42. Институт сельскохозяйственной биотехнологии. Факс: (499) 9770947; электронная почта: emil.khavkin@gmail.com
ким ирландским голодом" (Great Irish Famine, Irish Potato Famine). С изучения этой болезни, вызываемой оомицетом Phytophthora infestans (Mont.) de Bary, ведет свое начало фитопатология как наука. Несмотря на постоянное совершенствование химических и агротехнических методов защиты и значительные успехи селекции, фи-тофтороз остается самой серьезной агрономической, экономической и социальной проблемой картофелеводства: глобальный экономический ущерб от этой болезни, по самой осторожной оценке, превышает 3-5 млрд. долларов США в год [1, 2]. Сегодня эта проблема особенно обострилась в связи с появлением чрезвычайно агрессивных генотипов P. infestans, поражающих те сорта картофеля, которые до недавних пор отличались долговременной (durable) устойчивостью к фитофторозу [3, 4].
Ключ к победе над фитофторозом — в установлении эволюционных механизмов, определяющих поразительную скорость возникновения новых патотипов P. infestans, и в выяснении молекулярных процессов, лежащих в основе патогенеза и устойчивости растений. Молекулярно-генети-ческие исследования P. infestans и взаимодействия этого патогена с растениями Solanum мотивированы, прежде всего, практическими задачами
картофелеводства. Однако недавние заметные успехи этих исследований сделали патосистему P. infestans-картофель популярной моделью для изучения "гонки вооружений" - быстрой коэволюции патогена и растения-хозяина. Важными вехами в истории этих исследований стали
(1) картирование и полное секвенирование геномов P. infestans [5] и культурного картофеля [6];
(2) клонирование "орудий" взаимодействия патогена и растения: в первую очередь, генов вирулентности P. infestans и генов устойчивости картофеля к этому патогену; (3) исследование продуктов этих генов - эффекторов патогена и рецепторных киназ растения, распознающих эти эффекторы; и (4) использование генов вирулентности как аналитического инструмента в исследованиях фитофтороза [7-10].
Лекция опирается по преимуществу на публикации последнего времени. Более ранние работы, как правило, отражены в цитируемых здесь обзорах.
ОБЩАЯ КАРТИНА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ПАТОГЕНА C РАСТЕНИЕМ-ХОЗЯИНОМ
При фенотипическом анализе устойчивость растения традиционно делят на специфичную и неспецифичную по отношению к генотипу (расе) патогена, хотя на практике их часто трудно разграничить [11, 12]. Расоспецифичная устойчивость как ответ на заражение начинается с реакции узнавания патогена, которая определяется индивидуальными особенностями взаимодействующих молекул патогена и растения. Изучая генетические закономерности взаимодействия рас патогена с генами устойчивости растения, Flor [13] обнаружил, что отсутствие болезнетворного действия является доминантным признаком. На этом основании гены, определяющие (а)вирулентность патогена, были названы Avr (avirulence) генами. В терминах молекулярной генетики предложенную Flor концепцию "ген-на-ген" можно представить как взаимодействие индивидуальных Avr генов патогена с индивидуальными генами устойчивости растения, которые иногда называют major genes и обычно обозначают как R (resistance) или Rpi (resistance to Phytophthora infestans) гены. Распознавание патогена расоспецифичной системой эффектор-киназа (когда взаимодействуют, соответственно, продукты Avr гена патогена и R гена устойчивости растения) запускает в растении неспецифичный по отношению к патогену сигнальный каскад, приводящий к генерализированной защитной реакции. Такая защитная реакция замедляет развитие патогена или уничтожает его в результате программированной клеточной смерти вместе с "оккупированными" патогеном клетками растения (реакция сверхчувствительности; hypersensitive response).
В отличие от качественной расоспецифичной устойчивости, которую определяют индивидуальные R гены, расонеспецифичную устойчивость часто называют полигенной, или количественной. Она проявляется уже при проникновении патогена в апопласт клетки; в основе апопластической устойчивости лежит образование в растении активных форм кислорода, быстрое накопление гидролитических ферментов и других белков, которые подавляют рост и распространение патогена (PR белки, pathogenesis-relat-ed proteins), или синтез токсичных для патогена фитоалексинов, фенольных соединений и глико-алкалоидов. Другими способами противостоять болезни служат изменение скорости развития растения, позволяющее уйти от массового поражения, усиленное развитие покровных тканей растений, препятствующее их колонизации патогеном, и ускорение транспорта низкомолекулярных антимикробных метаболитов растения и кал-лозы к местам проникновения патогена. По определению гены, отвечающие за все эти признаки, не являются расоспецифичными [11, 12].
Наглядным примером тому, как ненадежно определение расонеспецифичной устойчивости на основании фенотипической реакции, служит история дикорастущего картофеля S. bulb-ocastanum. Устойчивость этого вида картофеля к широкому спектру рас P. infestans долгое время считали расонеспецифичной, пока не было показано, что она основана на расоспецифичных взаимодействиях с патогеном, по меньшей мере четырех индивидуальных R генов. Два таких гена обладают широкой расовой специфичностью, но, как было показано позже, преодолеваются новыми штаммами P. infestans [7].
Современные представления о взаимодействии патогенов с растениями представлены популярной zigzag моделью, описывающей две линии обороны, или два типа иммунитета, которым соответствуют разные стратегии распознавания патогенов. При вторжении патогена на первую линию обороны в растении индуцируются трансмембранные апопластные рецепторы, которые опознают апопластные эффекторы: разнообразные по природе молекулы, связанные с патогенами (PAMPs, pathogen-associated molecular patterns), включая синтезируемые патогенами элиси-тины (суперсемейство консервативных по своему строению внеклеточных белков) и эндогенные элиситоры растительного происхождения, возникающие в процессе колонизации, как, например, фрагменты клеточной стенки или кутикулы самого растения. Внеклеточные PAMPs опознаются соответствующими pattern recognition рецепторами. Один из таких рецепторов элиситина был недавно клонирован из S. microdontum; подобные рецепторы найдены у нескольких клубненосных видов Solanum секции Petota, но лишены видовой
специфичности и поэтому могут, по-видимому, обеспечивать долговременную устойчивость к широкому спектру рас P. infestans [14]. Неспецифичный (basal) PAMP-инициируемый иммунный ответ (PTI, PAMP-triggered immunity) растения препятствует дальнейшему распространению патогена, включая проникновение в цитоплазму оккупированных клеток.
Тем не менее, патоген может преодолеть PTI, выделяя специфичные факторы вирулентности (цитоплазматические эффекторы), которые могут индуцировать в растении вторую, более специфичную линию обороны, если они распознаются специфичными цитоплазматическими рецепторами - NB-LRR киназами; эти киназы определяют другой тип иммунитета - эффектор-инициируемый им
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.