ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2009, том 45, № 5, с. 517-526
УДК 547.918:581.132
СТЕРОИДНЫЕ ФУРОСТАНОЛОВЫЕ ГЛИКОЗИДЫ - НОВЫЙ КЛАСС ПРИРОДНЫХ АДАПТОГЕНОВ (ОБЗОР)
© 2009 г. И. С. Васильева*, Ж. В. Удалова**, С. В. Зиновьева**, В. А. Пасешниченко*
*Институт биохимии им. АН. Баха РАН, Москва, 119071 **Центр паразитологии Института проблем экологии и эволюции им. А Н. Северцева РАН, Москва, 119071
e-mail: udalova.zh@rambler.ru Поступила в редакцию 22.05.2008 г.
В обзоре обобщаются экспериментальные данные, полученные при изучении механизма адаптогенного действия фуросганоловых гликозидов (ФГ), выделенных из культуры клеток Dioscorea deltoidea Wall в условиях биотического стресса на модели растения томатов Lycopersicon esculentum Mill. - галловая нематода Meloidogyne incognita Kofoid et White. Сравнение изменений в составе изопреноидов (фитостерины, томатин, каротиноиды) и скорости окислительных процессов в листьях и корнях здоровых и зараженных растений свидетельствует о том, что ФГ вызывают неспецифические защитные реакции, приводящие к формированию системной приобретенной устойчивости. Это выражается в увеличении пигментного фонда фотосинтетического аппарата, особенно пигментов виолоксантинового цикла, активизации процессов, связанных с ПОЛ, и возрастании активности пероксидазы - фермента антиоксидантной защиты.
В связи с ухудшением экологической обстановки и увеличивающейся стрессовой нагрузкой среды обитания возрастает интерес современной науки в России и за рубежом к низкомолекулярным биологически активным соединениям растительного происхождения. Современное состояние знаний о роли низкомолекулярных растительных биорегуляторов позволяет рассматривать их, как один из важнейших факторов, обеспечивающих взаимодействие с окружающей средой. Эта экорегуляторная роль особенно важна для сохранения экологического равновесия в природе. Весьма перспективными соединениями для защиты растений от фитопатоге-нов и неблагоприятных факторов окружающей среды являются стероидные фуростаноловые гли-козиды (ФГ), выделенные из культуры клеток Dioscorea deltoidea Wall.
Стероидные гликозиды всегда вызывали большой интерес исследователей как соединения, используемые для синтеза гормональных препаратов в фармацевтической промышленности. Однако только в последние годы они стали привлекать к себе внимание как вещества, обладающие широким спектром биологического действия на живые организмы. У этих соединений была обнаружена гемолитическая, гипохолестеролемическая, антигрибная, антимикробная и антивирусная активности [1-4], способность тормозить рост некоторых форм злокачественных образований [1, 2, 4] и способность действовать на репродуктивную систему животных, стимулируя овуляторные процессы и сперматогенез [4, 5]. У ФГ диоскореи и пажитника при действии на разные субпопуляции лимфоцитов была обнаружена высокая иммуномодулирующая активность [4, 6], а также способность стимулировать синтез белков и активизировать некоторые
ферменты (сукцинат-лактатдегидрогеназы и цито-хромоксидазы), связанные с обменом энергии [4, 7]. Благодаря антиоксидантной активности ФГ диоско-реи были использованы для криоконсервации спермы сельскохозяйственных животных [4, 5]. Антиок-сидантные свойства ФГ нашли применение в медицинской косметологии для защиты кожи от различного рода окислительных воздействий активных форм кислорода [4, 8].
В последние годы эксперименты на растениях (in vivo и in vitro) в условиях биотического и абиотического стресса показали, что ФГ помогают растениям защищаться от пагубных воздействий окружающей среды, активизируя иммунитет и поддерживая гомеостаз растительной клетки [2, 4, 5, 9-14]. Это позволяет рассматривать ФГ, как природные (растительные) адаптогены, значительным преимуществом которых по сравнению с химическими препаратами является их экологическая безопасность: они используются в малых количествах и, будучи природными соединениями, легко разрушаются. Изучение адаптогенных свойств ФГ и практическое применение этих соединений для повышения устойчивости растений к различного рода стрессам как биотической, так и абиотической природы очень важно для сельскохозяйственных биотехнологий.
Фитонематоды как фактор биотического стресса - одна из важнейших проблем растениеводства. На их долю приходится свыше 10% ущерба от общего числа потерь, наносимых фитопаразитами. Нематоды являются переносчиками вирусной, бактериальной и грибной инфекции [11]. Эффективные способы борьбы с ними отсутствуют.
Впервые адаптогенное действие ФГ на растения было обнаружено нами на примере томатов и огурцов, зараженных галловой нематодой. Под влиянием ФГ, выделенных из суспензионной культуры клеток Dioscorea deltoidea Wall, в условиях биотического стресса, вызванного паразитическими нематодами Meloidogyne incognita Kofoid et White, в корнях и в листьях растений томатов и огурцов нами были обнаружены биохимические изменения, которые способствуют формированию иммунитета растений к фитопатогенам [15, 16]. Вместе с тем механизм активации биохимических систем защиты у растений в условиях биотического стресса под влиянием ФГ во многом не ясен.
Расшифровка механизма адаптогенного действия ФГ является важным шагом в познании общих фундаментальных основ стрессоустойчивости растений. С этой целью нами была проведена работа по изучению некоторых аспектов изопреноидного метаболизма, окислительных процессов, происходящих в клетках, и изменение состава фотосинтетических пигментов растений при действии ФГ.
Цель данного обзора - обобщение совокупности экспериментальных данных по влиянию ФГ на формирование стрессоустойчивости растений томатов, зараженных галловой нематодой.
ДЕЙСТВИЕ ФГ НА БИОСИНТЕЗ СТЕРОИДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Биохимические исследования проводили на растениях томатов Lycopersicon esculentum Mill. гетеро-зисного гибрида F1 Карлсон, восприимчивого к галловой нематоде (индекс устойчивости около 30%). Для обработки растений использовали препарат ФГ, который был выделен из суспензионной культуры клеток D. deltoidea шт. ИФР ДМ-0.5 и представлял собой смесь дельтозида и протодиосцина (2 : 3) [6, 17-19]. Перед посадкой семена опытных растений замачивали в течение 2 ч в 10-3 М растворе препарата ФГ. Рассаду в возрасте 45 сут заражали галловой нематодой M. incognita. Дополнительно через 1 нед после заражения опытные растения опрыскивали 5 х 10-4 М раствором препарата. Методика заражения растений нематодой и условия выращивания описаны ранее [20].
Исследования показали, что замачивание семян томатов в 10-3 М растворе ФГ на 2-3 сут ускоряло прорастание растений и заметно стимулировало их рост. Рассада, выращенная из обработанных семян, в 1.5 -1.6 раза превосходила контрольные образцы по своему развитию, причем разница сохранялась до конца вегетации. Заметно уменьшалось число растений, зараженных галловой нематодой. Это выражалось в снижении на 50-60% количества образовавшихся галлов и цист на корнях. При этом происходили изменения морфофизиологических и популяционных характеристик самого паразита: уменьшались размеры, увеличивались сроки развития, менялось соотношение полов в сторону увеличения доли мужских особей, что косвенно свиде-
тельствовали о неблагоприятных условиях для жизнедеятельности нематод в популяции [15, 16, 21].
Для выяснения причины действия стероидных гликозидов на патогенность фитогельминтов, опосредованного растением, были изучены некоторые биохимические показатели зараженного растения. Известно, что фитонематоды - стеринзависимые паразиты, которые используют в своем цикле развития экзогенные стерины [22]. Поэтому природную устойчивость томатов к галловой нематоде связывают с изменением изопреноидного биосинтеза растения [23]. Анализ стероидных соединений томатов (гликоалкалоида - томатина и фитостерины) показало, что в ответ на обработку растений ФГ происходит изменение их содержания в тканях растения. При определении томатина в корнях томатов после обработки семян раствором ФГ наблюдали увеличение содержания этого гликоалкалоида в 1.7 раза. Так как существует структурное сходство стероидных алкалоидов и сапогенинов, можно предположить, что, в данном случае, ФГ могут являться биогенетическими предшественниками гликоалка-лоидов [24]. Вместе с тем заражение растений галловой нематодой приводит к снижению содержания томатина, особенно заметному в корнях растений, обработанных ФГ: в необработанных - до 83%, а в обработанных - до 52.5% от контроля [16]. Ранее предполагали, что количество гликоалкалоида томатина, который рассматривали как конституционный антибиотик, определяет устойчивость растений томатов к фитогельминтам, в частности к галловой нематоде. В настоящее время показано, что, возможно, в процессе коэволюции эти паразиты приобрели способность детоксифицировать ингибиторы растения-хозяина и вызывать переключение путей изопреноидного биосинтеза на образование стеринов, так им необходимых для жизнедеятельности [11].
Определение содержания фитостеринов в корнях здоровых и зараженных растений томатов в связи с действием на них ФГ показало, что в ответ на инвазию происходят некоторые изменения общего содержания стеринов, причем обработанные и необработанные ФГ растения, реагировали на галловую нематоду по-разному. Так, в необработанных растениях заражение нематодой сопровождается повышением общего содержания стеринов в 1.4 раза, в то время как у растений, обработанных ФГ, увеличения пула стеринов не наблюдали [16].
При изучении состава стеринов в корнях зараженных необработанных ФГ растений наблюдали значительное (более чем в 3 раза) снижение доли холестерина по сравнению с корнями здоровых растений. Одновременно отмечали снижение доли стиг-мастерина в 1.5 раза [16]. Ранее было показано, что M. incognita и некоторые другие виды паразитических и свободноживущих нематод способны мета-болизировать экзогенные фитостерины, насыщая А5, 6-двойную связь [22]. Можно предположить, что избирательное поглощение холестерина и стигма-стерина наблюдаемое нами, свидетельствует о том,
что именно эти стерины галловая нематода использует в свое
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.