БИОХИМИЯ, 2008, том 73, вып. 7, с. 1007 - 1022
УДК 577.124
ИНДУЦИБЕЛЬНЫЕ ЛЕКТИНЫ И УСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ К ПАТОГЕННЫМ ОРГАНИЗМАМ И АБИОТИЧЕСКИМ СТРЕССАМ
Обзор © 2008 г. А.В. Бабоша
Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина РАН, 127276 Москва, ул. Ботаническая, 4; электронная почта:phimmunitet@yandex.ru
Поступила в редакцию 09.04.07 После доработки 24.12.07
Увеличение концентрации (активности) лектинов происходит в растительных тканях при инфицировании патогенами, под действием абиотических стрессов, а также при росте и развитии этих тканей. Столь широкий круг явлений, сопровождающихся накоплением лектинов, свидетельствует об их участии в регуляции интегральных процессов в растительной клетке. Приведены данные о возможной роли лектинов в регуляции окислительного стресса и индуцируемых стрессом цитоскелетных перестроек.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: лектины, стресс, патогенез, фитогормоны, активные формы кислорода, цитоскелет.
Лектины — сборная группа белков, способных обратимо и специфически связывать («узнавать») углеводные остатки различной химической природы. Обязательное условие отнесения к этой группе — наличие одного или нескольких некаталитических углеводсвязывающих доменов наряду с дополнительными доменами иной, в частности каталитической, природы [1].
Различия в структуре и углеводной специфичности лектинов предполагают различия их функциональной нагрузки [1]. Известные и предполагаемые функции фитолектинов можно разделить на структурные (упаковка запасных гликопротеидов, гликопротеидов мембран, ферментных комплексов), транспортные (транспорт моно-, ди- и полисахаридов, белковых субъединиц), регуляторные (блокирование оли-госахаридных групп, регуляция активности ферментов-гликопротеидов и ферментов-лек-тинов) и информационные (узнавание и иммобилизация патогенов и элиситоров).
Хотя лектины конститутивно присутствуют в тканях здоровых особей, при инфицировании, а также при различных стрессовых воздействиях их содержание может увеличиваться многократно. Поскольку лектины здоровых растений и
Принятые сокращения: АЗП — агглютинин зародыша пшеницы, АБК — абсцизовая кислота, ВТМ — вирус табачной мозаики, ИУК — индолилуксусная кислота, ДМСО — диметилсульфоксид.
лектины, индуцируемые при инфицировании и других воздействиях, в большинстве случаев и согласно существующим в настоящий момент представлениям идентичны, возникает вопрос: насколько сходны их функции в интактном и находящемся под воздействием стресса организме?
В ряде обзорных работ приведены многочисленные экспериментальные данные, свидетельствующие о возможной защитной роли фитолектинов [1—6]. Однако конкретные механизмы защитного действия лектинов, за немногим исключением, остаются неизвестными.
В последние годы лектиновые домены обнаружены в составе рецепторных киназ. Экстра-целлюлярный домен лектиноподобных рецеп-торных киназ (lectin-like receptor kinase (LecRK)) растений сходен с растворимыми лектинами бобовых и арабидопсиса [7—9] или хитиназой [10]. Рецепторные киназы с лектиновым доменом известны и у животных. В частности, тирозиновая киназа, по-видимому, играет определенную роль в интеграции клеток Hydra vulgaris [11].
Известна способность к индукции под действием поранения, патогенов, олигогалакту-ронидов, салициловой кислоты и оксидативно-го стресса среди рецепторных киназ других классов [12—15]. Экспрессия генов некоторых лектиноподобных киназ также возрастает при инфицировании, естественном старении, поранении и обработке элиситорами [10, 16—18]. Экспрессия лектиноподобной рецепторной ки-
назы, локализованной в плазмалемме клеток корня Medicago truncatula, повышается при азотном голодании и уменьшается при инфицировании ризобиями или обработке Nod-фактором
[19]. Тканеспецифическая экспрессия ряда лек-тиновых генов происходит при инфицировании данного растения симбиотической бактерией
[20]. Инокуляция ризобий индуцирует также изменения локализации лектинового рецептора Nod-фактора [21].
Лектины рецепторных комплексов присутствуют в клетке в небольших количествах. Такие белки могут быть ответственны за процессы специфического распознавания как внутри, так и снаружи клетки [1]. Однако наряду с рецептор-ными киназами способностью к индукции под действием различных факторов обладают и классические лектины. Основные черты последних — это, с одной стороны, определяемая специфичность к моносахаридам при небольшом числе изолектиновых форм и, с другой стороны, относительно высокое их содержание в растительных тканях. Присутствие в большом числе копий относительно «простых» с точки зрения специфического распознавания белков предполагает наличие у них функций, отличных от описанных выше у лектиноподобных рецепторных киназ. Увеличение концентрации лектинов в растительных тканях при инфицировании патогенами, под действием абиотических стрессов, а также при росте и развитии этих тканей достаточно высокое и может быть измерено физиолого-биохимичес-кими методами. В обзоре рассмотрены возможные защитные и регуляторные функции индуцируемых лектинов данной группы.
Увеличение количества лектинов при биотических и абиотических стрессах наблюдали в клетках живых организмов разных систематических групп. В частности, при тепловом стрессе существенно возрастало содержание галакто-за/^ацетилгалактозаминспецифичного лекти-на Entamoeba histolytica (возбудитель амебной дизентерии), играющего важную роль в патогенезе и дифференциации паразита [22]. Содержание липополисахаридспецифичного имму-лектина-2 в плазме личинок Manduca sexta возрастало в 3—4 раза после инъекции грамотрица-тельной бактерии или липополисахарида [23].
ИНДУКЦИЯ АБИОТИЧЕСКИМИ СТРЕССАМИ
Некоторые экспериментальные данные, свидетельствующие об изменениях лектинового комплекса растений при абиотических стрессах, приведены в табл. 1.
Определенный интерес представляют факты накопления лектинов при раневом стрессе [24]. Показано, что плазмалемма раневой перидермы не только содержит больше сайтов связывания пептидогликана из клеточной стенки возбудителя фитофтороза, но и более активно связывает препарат, полученный из авирулентных штаммов патогена.
Хотя большинство работ выполнено с лекти-ном пшеницы (агглютинин зародыша пшеницы (АЗП)), специфичным к хитоолигосахаридам, лектины других растительных таксонов, обладающие иной углеводной специфичностью, также способны к накоплению под действием различных абиотических стрессов. Содержание лекти-на Dolichos biflorus (семейство бобовых) со специфичностью к N-ацетилгалактозамину возрастало при тепловом стрессе [25]. Инкубация развивающихся семядолей фасоли при повышенной температуре приводила к увеличению синтеза фитогемагглютинина, однако ингибирова-ла его транспорт в белковые тела [26]. Способностью к индукции при абиотических стрессах обладал маннозоспецифический лектин риса. При этом из четырех изолектинов риса два имели ^-концевую последовательность, характерную для белков, индуцируемых засухой [27]. Два изолектина выделены из растений риса, находящихся под воздействием солевого стресса [28].
Регуляция накопления лектинов при стрессах осуществляется на различных уровнях [6]. Скорость синтеза АЗП при солевом стрессе, определяемая по включению в данный белок 35S, транзитно увеличивалась (максимум отмечен через 3 ч после начала обработки) [29]. Однако присутствие в растении определенного пула мРНК и предшественников АЗП, по-видимому, может обеспечивать также независимое от синтеза белка de novo увеличение содержания лек-тина на ранних этапах стрессиндуцированного ответа [6]. При солевом стрессе это приводило к сохранению индукции АЗП в течение 4 и 8,5 ч в растениях, обработанных ингибиторами синтеза белка (циклогексимид) и мРНК (кордице-пин) соответственно. Накопление АЗП, не зависимое от трансляции, происходило также при обработке абсцизовой кислотой (АБК) [30].
Во многих случаях действие абиотического стресса приводило к транзитным пикам содержания (активности) лектинов в растении, в определенных органах или органеллах. Одной из хорошо исследованных реакций лектинов на стресс является увеличение их содержания в ответ на низкие температуры и холодовое закаливание. Воздействие низкой положительной температуры (2°) индуцировало в меристеме узла кущения морозоустойчивого сорта пшеницы
транзитный максимум активности (5 ч) фитоге-магглютининов клеточных органелл [31]. Более продолжительные транзитные максимумы и минимумы содержания лектинов наблюдали при длительном воздействии, сопровождающемся холодовой адаптацией и повышением морозоустойчивости. Максимум активности фитогемагглютининов во фракции клеточных стенок из листьев трехдневных проростков приходился на 3-5-е сутки. Содержание же лекти-нов колеоптилей продолжало снижаться в течение всего периода наблюдений (7 сут) [32]. Ди-
намика активности фитогемагглютининов была различна для разных клеточных компартментов [33]. Уже через сутки инкубации в холодной камере происходило снижение содержания лекти-нов хлоропластов с последующим повышением до уровня выше незакаленного контроля через 7 сут. На третьи сутки наблюдали пик концентрации лектинов во внешних мембранах ядер и ее минимум в микросомальной фракции.
Добавление хлорпромазина (антагониста кальмодулина) и верапамила (блокатора кальциевых каналов) снижало базальный уровень
Таблица 1. Изменения лектинов при абиотических стрессах
Стресс Растение, орган (органелла) Метод определения лектинов Время, сут Источник
I II
Холодовое закаливание пшеница ГА
листья 3-5 (+) [32]
колеоптили 3 (+) 7 (-) [33]
ядра 1 (-)
пластиды 3 (-)
микросомы 5 (+)
клеточная стенка 8* (+)
органеллы 24* (+) [31]
листья 3 (+) [135]
корни 1 (+)
корни
растворимые лектины 7 (+) [136]
связанные лектины 0,25-7 (+)
Тепловой каллус ИФА 14-18* (+) [59]
БоНЛоз Ы/1огш, суспензион- ИБЭ (+) [25]
ная культура
Осмостресс, тепловой, пшеница - 4* (+) [137]
солевой
Засуха » - (+) [92]
Засуха, осмостресс пшеница, корни ИФА 5* (+) 3* (+) [29]
11* (+) [138]
7* (+) [60]
Солевой рис - (+) [27, 28]
При
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.