УДК 581.19
РАСТИТЕЛЬНЫЕ ОЛИГОСАХАРИДЫ: АУТСАЙДЕРЫ СРЕДИ ЭЛИСИТОРОВ?
Обзор
© 2015 И.А. Ларская, Т.А. Горшкова*
Казанский институт биохимии и биофизики Казанского научного центра РАН, 420111 Казань, ул. Лобачевского, 2/31; факс: +7(843)292-7347, электронная почта: gorshkova@kibb.knc.ru
Поступила в редакцию 09.02.15 После доработки 16.03.15
В обзоре обосновывается необходимость исследования растительного олигогликома. Обобщена имеющаяся информация об олигосахаринах — физиологически-активных фрагментах полисахаридов клеточной стенки. Их выявление, характеристика строения, доказательство биологической активности — предметы настоящего бума в исследованиях 80-90-х годов. Однако по интенсивности исследований в последние десятилетия растительные олигосахариды можно отнести к аутсайдерам среди элиситоров различной природы. В обзоре раскрываются причины такого отношения к этим природным регуляторам, связанные в основном с проблемами их выделения и идентификации. Одновременно предлагаются подходы и методы, потенциал которых можно использовать для исследований. Освещаются вопросы метаболизма олигосахаридов в растениях, касающиеся их образования, транспорта и инактивации, суммируются данные о биологической активности и взаимодействии с гормонами. Рассмотрены существующие точки зрения о механизмах действия олигосахаринов: их рецепция, передача сигнала внутрь клетки, потенциальные мишени. Обсуждаются возможности использования этих соединений в медицине, пищевой промышленности, сельском хозяйстве и биотехнологии.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: растительные олигосахариды, олигосахарины, клеточная стенка, олигогликом.
Со времени обнаружения биологической активности олигосахаридных фрагментов полисахаридов растительной клеточной стенки прошло более 40 лет [1, 2]. Выявление регуляторной роли этих соединений было связано с исследованиями взаимодействия растений с патогенами. Фрагменты полисахаридов клеточных стенок, высвобождаемые под действием гидролаз, секретируемых микроорганизмами, служили элиситорами, запускающими ответные реакции растительного организма, например, образование фитоалексинов [2—4]. Затем было выявлено участие растительных олигосахаридов и в других процессах, в частности морфогенетических [5—7]. Для обозначения физиологически активных олигосахаридов был введен специальный термин — «олигосахарины», предложенный Альбершаймом [8], под руководством которого выполнены основополагающие работы по описанию и изучению этих соединений.
Принятые сокращения: АБК — абсцизовая кислота; ИУК — индолил-3-уксусная кислота (ауксин).
* Адресат для корреспонденции.
Первыми растительными олигосахаридами, для которых была выявлена физиологическая активность, были олигоурониды — фрагменты полигалактуронанов [1, 2]. В дальнейшем эли-ситорные свойства были обнаружены у олиго-меров, входящих в состав практически всех известных полисахаридов растительной клеточной стенки: ксилоглюкана [9], ксилана [10], га-лактоглюкоманнана [11], целлюлозы [12], рам-ногалактуронана I [13], рамногалактуронана II [14]. Было установлено, что регуляторные свойства растительных олигосахаринов проявляются в диапазоне очень низких концентраций: 10-9—10-8 М для олигогалактуронидов [15] и фрагментов ксилоглюкана [7]. Структуре и обнаруженным эффектам растительных олигоса-харинов были посвящены многочисленные обзоры [16—20]. В 80-х—начале 90-х годов был настоящий бум экспериментальных исследований в этой области, однако затем их интенсивность пошла на убыль. Публикуемые в настоящее время обзоры, посвященные характеристике функций различных компонентов клеточной стенки, всегда содержат раздел об олигосахаринах, од-
7
1049
нако фактически базируются на результатах двадцатилетней давности. На фоне исключительного интереса к процессам сигналинга в живых организмах и интенсивном исследовании различных регуляторов олигосахарины можно считать аутсайдерами среди элиситоров разной природы, таких как, например, пептиды, образующиеся, как и фрагменты полимеров клеточной стенки, в результате катаболических процессов. В данном обзоре мы постарались выявить причины такой ситуации и наметить возможные варианты ее изменения, обобщив имеющиеся данные как по характеристике олигоса-харинов и механизмах их действия, так и по развившимся в последнее время подходам к изучению сложных углеводов, которые потенциально могли бы быть эффективны в изучении олиго-гликома растений.
ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОЛИГОСАХАРИНОВ
Спад количества работ, посвященных изучению растительных олигосахаридов, отчасти объясняется трудностями, с которыми исследователи столкнулись при получении этих соединений, и характеристике их эффектов. Основными проблемами при работе с олигосахарина-ми принято считать две: 1) получение индивидуального олигосахарида с охарактеризованной структурой и 2) разработка адекватных тест-систем для анализа активности [21].
Сложность выделения индивидуальных оли-госахаридов из растительной ткани связана с: 1) их низким содержанием; 2) высоким разнообразием эндогенных олигосахаридов в растительном организме; 3) трудностью разделения нейтральных олигосахаридов с одинаковой степенью полимеризации и, особенно, изомеров, имеющих сходный суммарный состав; 4) необходимостью предоставления доказательств, что эффект не связан с наличием во фракциях примесей неуглеводной природы, от которых сложно избавиться. Все это приводит к тому, что данных по извлечению олигосахаридов непосредственно из растительной ткани крайне мало (таблица). К немногочисленным исключениям принадлежат работы коллектива с участием О.А. Заботиной и А.И. Заботина [36, 37, 43, 44]. Сюда же, хотя и с некоторой осторожностью, можно отнести получение активных олигосаха-ридных фрагментов из среды культивирования клеток [46]. Следует отметить, что во всех перечисленных исследованиях не была достигнута очистка эндогенных олигосахаридов до уровня индивидуальных соединений; соответственно,
их структура не была охарактеризована. Еще меньше работ по выявлению эндогенных оли-гогликанов с известной структурой, обладающих биологической активностью: в водном экстракте плодов томата (Lycopersicon esculentum Mill.) выявлены эндогенные олигогалактурони-ды со степенью полимеризации 7—11 [41], а в среде культивирования клеток шпината (Spina-cia oleraceae L.) обнаружены фрагменты ксило-глюкана [47].
Столь ограниченное число работ по характеристике эндогенных олигогликанов находится в диссонансе с чрезвычайно большим разнообразием этих соединений в растительном организме. Множественные этапы хроматографи-рования подразделяют выделенные из осветленного гомогената и сконцентрированные олигомерные гликаны на многочисленные субфракции, которые, даже после финальных стадий разделения с использованием высокоэффективной анионо-обменной хроматографии, могут содержать несколько индивидуальных соединений (рис. 1); каждое из них в отдельности или при взаимодействии друг с другом может обладать регуляторными свойствами. Это означает, что в растительной ткани одномоментно присутствует сложная совокупность олигомерных гликанов.
Моносахаридный анализ суммарной олиго-сахаридной фракции выявляет мономеры, характерные для большинства полисахаридов клеточной стенки, как нейтральных, так и содержащих уроновые кислоты. При этом общее содержание олигосахаридов в растительных тканях невелико и лежит в пределах 10-7—10-5 М [41]. По нашим данным для наработки 1 мг частично очищенной фракции олигосахаридов из проростков гороха (Pisum sativum L.) необходимо не менее 25 кг растительного материала. Учитывая, что олигосахарины оказывают физиологическое действие в чрезвычайно низких концентрациях, можно считать, что локальных концентраций конкретных соединений вполне достаточно для обеспечения эффекта.
Сложности выделения и очистки эндогенных олигосахаридов заставили исследователей использовать не экстрагированные из растительной ткани олигогликаны, а полученные in vitro при химическом или ферментативном гидролизе полисахаридов [11, 12]. Это значительно облегчает очистку индивидуальных соединений, однако порождает скептическое отношение к результатам, поскольку требует доказательств, что аналогичные соединения присутствуют в ткани растений, а наблюдаемые эффекты действительно контролируются ими в интактной системе.
Растительные олигосахарины и их физиологические эффекты
Олигосахариды Продемонстрированный эффект Объект для выделения олигосахаридов Способ получения Используемая концентрация Ссылка
1 2 3 4 5 6
Олигогалакт-урониды индукция образования фитоалек-синов стебли проростков, гипо-котили соевых бобов КГ 1000 мкг/мл [2]
клетки суспензионной культуры петрушки ФГ 100-200 мкг/мл [22]
ингибирование ризогенеза in vitro ? ФГ 3 мкг/мл [23]
индукция окислительного взрыва стебли проростков соевых бобов КГ 1,8-9 мкг/мл [24]
стимуляция утолщения клеточных стенок перицикла ? ФГ 1 мкг/мл [25]
индукция образования лигнина клетки суспензионной культуры клещевины ФГ 250-300 мкг/мл [26]
индукция синтеза этилена клетки суспензионной культуры груши ФГ 200 мкг/мл [27]
коммерческий пектин цитрусовых («Sigma», США) ФГ 6 х 10-4 М [28]
стимуляция in vitro образования цветочных бутонов клетки суспензионной культуры платана ФГ 0,5-1 мкг/мл [15]
усиление цитокинин-индуциро-ванного формирования стеблей ? ФГ 2 мкг/мл [29]
деполяризация клеточной мембраны коммерческий пектин цитрусовых («Sigma», США) КГ 1000 мкг/мл [30]
Фрагменты ксилоглюкана ингибирование роста сегментов стеблей, стимулированного ауксином клетки суспензионной культуры платана ФГ 10-8М [9]
клетки суспензионной культуры розы ФГ 10-9М [31]
ингибирование роста сегментов стеблей, стимулированного гиб-береллином клетки суспензионной культуры моркови ФГ 10-11-10-9М [32]
активация пероксидаз клеточной стенки клетки суспензионной культуры моркови ФГ 10-11-10-9М [33]
активация целлюлазы клетки суспензионной культуры розы ФГ 10-6М [34]
стимуляция образования каллуса и меристематических зон - С 10-8М [35]
повышение морозостойкости озимых растений листья озимой пшеницы Э 5-10 мкг/мл [36, 37]
индукция си
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.