УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2013, том 133, № 2, с. 124-132
УДК 577.21
NBS-LRR ГЕНЫ УСТОЙЧИВОСТИ К Х ВИРУСУ КАРТОФЕЛЯ
© 2013 г. К. В. Борис1, Е. З. Кочиева12
1Центр "Биоинженерия " Российской академии наук, Москва 2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова E-mail: docboris@mail.ru
Гены устойчивости растений (Я-гены) отвечают за резистентность к различным типам фитопа-тогенов, в том числе и к вирусам. Устойчивость картофеля к вирусу Х определяется Ях генами, которые относятся к обширному классу МБЗ-ЬЯЯ Я-генов растений. В данном обзоре рассмотрены известные на сегодняшний день данные о генах устойчивости картофеля к Х вирусу, их строении и модели функционирования.
Ключевые слова: вирусные болезни картофеля, гены устойчивости растений, Кх белки.
ВИРУСНЫЕ БОЛЕЗНИ КАРТОФЕЛЯ
Вирусные болезни картофеля являются одной из основных причин ухудшения семенных качеств клубней и снижения их продуктивности. Известно около 40 фитопатогенных вирусов картофеля. Поражение растений фенотипически проявляется в виде разнообразных мозаик, деформаций, хлороза, угнетения роста, отмирания отдельных частей растений или участков тканей. На посевах картофеля чаще всего обнаруживают такие вредоносные вирусы как вирус скручивания листьев картофеля ВСЛК (РЬЯУ), У вирус картофеля УВК (РУУ), Х вирус картофеля ХВК (РУХ), Б вирус картофеля БВК (РУБ), М вирус картофеля МВК (РУМ).
Многие вирусы могут находиться в растениях картофеля в латентном состоянии. Посадки товарного картофеля в зависимости от репродукции поражены такой инфекцией на 80-100%. С накоплением инфекции при репродукции семенного материала, а также при выращивании в неудовлетворительных для растений условиях симптомы проявляются внешне.
РУХ (Х вирус картофеля) - считается одним из наиболее распространенных и вредоносных Потекс (Potex) вирусов картофеля. Заражение растений Х вирусом зачастую не имеет ярко выраженных проявлений и поэтому остается незамеченным. Однако при благоприятных для вируса условиях его размножение приводит к существенному снижению урожая картофеля, которое может составлять 10-25% (Анисимов и др., 2009).
Распространяется вирус преимущественно при механических контактах с поврежденными растениями, при резке картофеля, через сельскохозяйственные орудия и механизмы при сельскохозяйственных работах. Возможна так же передача почвенным грибом БупсНуГит епёоЫойсит.
Идентифицировать зараженность растения Х вирусом можно только лабораторными методами и, таким образом, латентность первых стадий размножения вируса приводит к тому, что при поздней его идентификации компенсировать потери урожая становиться практически невозможно. Более того никакие средства защиты не способны замедлить его размножение в пораженных растениях.
Известно, что Х вирус может поражать посевы картофеля как самостоятельно, так и в комбинации с другими вирусами, что может увеличивать потери урожая. Так, например, складчатая мозаика (курчавость листьев) может вызываться сочетаниями вирусов Х, Б и А (Анисимов и др., 2009).
На сегодняшний день не существует надежных химических средств борьбы с вирусными инфекциями, что связано с биологией их возбудителей. В этой связи единственным наиболее действенным и актуальным подходом является создание сортов картофеля, несущих гены устойчивости к вирусам. При этом, однако, пул генов, определяющих устойчивость сортов картофеля не так велик, а кроме того имеющаяся устойчивость преодолевается новыми вирусными штаммами в результате коэволюции вирус-растение.
МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ К ПАТОГЕНАМ У РАСТЕНИЙ
Как известно, вирусы используют структуры клетки хозяина для репликации и распространения. Растения выработали ряд механизмов для борьбы с вирусной инфекцией.
Так вирусная РНК после попадания в растение может подвергнуться деградации при помощи механизма РНК сайленсинга растения. Данный механизм включает процессинг вирусной РНК Dicer-подобными белками в $1РНК, которые затем образуют комплексы с Argonaute белками, обладающими эндонуклеазной активностью [Ding, Voinnet 2007; Omarov et al., 2007].
Другим способом борьбы с вирусной инфекцией является выработка растениями в ответ на воздействие патогена белков устойчивости (R-бел-ков). R-белки растений узнают белки патогена, чаще всего это эффекторы патогена вызывающие заражение. Если растение-хозяин не имеет соответствующих рецепторов, эффекторы патогена, (факторы вирулентности) вызывают супрессию защитных механизмов, что приводит к развитию восприимчивости. Если у растения-хозяина есть подходящие рецепторы, эффекторы патогена вызывают соответствующие защитные реакции, обычно называемые эффектор-запускаемым иммунитетом (de Wit 2007; Jones, 2001).
Модель ген-на-ген
эффектор патогена
Л
/ \
о
R белок
/ \
(/л) (Б)
восприимчивость устойчивость
Модель стража
эффектор патогена
Л
А
"guardee"
I
Защитные белки, вырабатываемые в клетках растений в ответ на атаку патогена, являются продуктами генов устойчивости (генов резистентности), так называемых, Ä-генов растений.
Отношения между соответствующими белками-рецепторами растения-хозяина и белками эффекторами патогена может быть описано моделью ген-на-ген [Flor, 1971] (рис. 1). Она предполагает прямое влияние специфически узнаваемого эффектора на рецептор. Американский фитопатолог Х. Флор (H.H. Flor) впервые выявил такое взаимодействие у растений льна и возбудителя ржавчины гриба Melampsora lini. Было обнаружено, что каждому доминантному аллелю гена устойчивости растения соответствует комплементарный ген гриба, имеющий доминантный аллель авирулент-ности. Доминантный аллель гена устойчивости растения принято обозначать R, а доминантный аллель авирулентности фитопатогена - Avr, соответствующие им белки - R и Avr.
Однако несмотря на то что, как было сказано выше, были идентифицированы белки-рецепторы, вовлеченные в подобные непосредственные взаимодействия R и Avr белков, в большинстве случаев для того, чтобы вызвать защитную реакцию необходимо взаимодействие не одного R-белка, а нескольких белков хозяина. Это явление можно объяснить при помощи так называемой модели стража, которая является продолжением модели ген-на-ген (Glowacki et al., 2011) (рис. 1).
Модель ловушка
эффектор патогена
/активация* / "guardee" \
Л
/ \
s о.
ловушка \
/
мишень эффектора
О
R белок \
/
О
\
R белок
/
\
восприимчивость устойчивость устойчивость
Рис. 1. Модели взаимодействия растение - патоген. УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ том 133 № 2 2013
восприимчивость
Согласно данной модели эффектор патогена узнается специфическим рецептором растения белком - мишенью эффектора патогена, называемым "guardee" (охраняемый), который "охраняется" соответствующим R белком-охранником. Именно белок "guardee" первый связывает эффектор патогена, что, по всей видимости, приводит к аллостерическим изменениям и последующему связыванию с R-белком. Успешное взаимодействие всех белков приводит к образованию устойчивости у растения-хозяина. Таким образом, не происходит прямой детекции молекул эффектора патогена R-белком, которая предполагается моделью ген-на-ген; вместо этого можно наблюдать их более сложное воздействие, отражающееся в структурных и/или функциональных изменениях в клетке растения-хозяина (de Wit 2007; Jones, Dangl, 2006; Tameling, Baulcombe, 2007).
Следует отметить, что в некоторых случаях кажется, что белок "guardee" не играет никакой значительной роли в отсутствие рецептора; его взаимодействие с эффекторами патогена не связано с проявлением вирулентности, и, следовательно, его присутствие в клетке растения-хозяина не влияет на приспособленность или жизнеспособность патогена. Для того чтобы объяснить это явление, в 2008 году была предложена другая модель взаимодействия растение - патоген (van der Hoorn, Kamoun, 2008). Это модификация модели-стража, которая называется модель-ловушка (рис. 1).
Согласно данной модели при взаимодействии c патогеном растением синтезируются специфические белки, схожие с теми которые являются целью эффекторов патогена. Их единственной функцией является связывание белков эффекторов патогена и действие в качестве медиаторов при взаимодействии с R-белками. В отличие от обычных мишеней эффекторов, такие белки-ловушки не выполняют никаких функций в клетке в отсутствии R-белков, так же они не влияют на вирулентность патогена. Посредством конкуренции с белками мишенями за связывание эффекторов патогена, белки-ловушки могут даже снизить вирулентность патогена (Glowacki et al., 2011; van der Hoorn, Kamoun, 2008).
^Б-ЕЯЯ БЕЛКИ РАСТЕНИИ
На данный момент существуют различные классификации Я-белков. Основой большинства из них является наличие у белков консервативных доменов и их строение. Наиболее представитель-
ным классом R-белков являются белки, содержащие NBS- и LRR домены (NBS-LRR белки).
Как следует из их названия, NBS-LRR белки включают нуклеотид-связывающий домен (nucleotide binding site, NB), и домен, содержащий обогащенный лейцином повтор (LRR). Между этими доменами находится последовательность, названная ARC. NB домен совместно с ARC обычно называют NBS доменом (Rairdan, Moffett, 2006). Подробный анализ продуктов R-генов выявил детальную структуру и наличие целого ряда специфических аминокислотных мотивов внутри уже перечисленных консервативных доменов R-белков (Meyers et al., 1999; Young, 2000).
Последовательности R-белков NBS-LRR класса так же характеризуются наличием или отсутствием в их последовательностях ряда других доменов. Выделяют два подкласса NBS-LRR белков. Первый подкласс включает TIR-NBS-LRR (TNL) белки, содержащие TIR домен, впервые обнаруженный в качестве внутриклеточной части Toll рецептора у Drosophila и Interleukin 1 рецептора человека.
Следующий подкласс объединяет non-TIR-NBS-LRR белки, в состав которых входят другие домены. Было показано, что в геноме Arabidopsis гены подкласса TIR-NBS-LRR составляют около 60% генов NBS-LRR класса, остальные 40% представлены последовательностями non-TIR-NBS-LRR подкласса (Jones, 2001).
Наиболее представительной группой non-TIR-NBS-LRR белков являются
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.