Факторы иммунитета растений

 

Сложность теории иммунитета растений объясняется сложностью взаимоотношений растения-хозяина и патогена, обусловленной разнообразием защитных реакций и приспособлений растений. Ранее было указано, что фитоиммунитет делится на пассивный и активный. В соответствии с этим С. Тарр разделил защитные реакции растений на две группы: предынфекционные и постинфекционные.

Рассмотрим подробнее эти группы защитных реакций применительно к древесным породам.

К первым типам реакций относятся свойства растения, препятствующие проникновению патогена и его дальнейшему развитию.

В ряде случаев кутикула и другие защитные приспособления служат химическим и физическим барьером для инфекции. Восковый налет, затрудняющий прилипание инфекционных капель к листьям, строения устьиц и ряд других особенностей анатомического строения растений косвенно повышают их устойчивость к патогенам.

Многие растения содержат вещества, которые подавляют (ингибируют) развитие патогенных организмов. В частности, производные полифенолов ингибируют полифенолазы, а такие фенольные соединения, как хлорогеновая и кофейная кислоты, катехин и флоридзин, подавляют различные ферменты паразитов. Коричные кислоты и резорцин, находящиеся в тканях сосны и в составе ее корневых выделений, участвуют в защитных реакциях против корневой губки.

Наличие в тканях растений веществ, подавляющих развитие патогенов, можно установить по действию сока или водной вытяжки.

Так, сок устойчивых видов ильмовых пород обладает фунгицидным и фунгистатическим действием на возбудителя «голландской болезни» Ophiostoma ulmi. У сока восприимчивых видов этого свойства не обнаружено. Из сока лимона выделены токсические вещества, тормозящие рост возбудителя мальсекко Deuterophoma tracheiphila. Подавление роста гриба объясняется присутствием в коре устойчивых форм специфических веществ, в частности нарингенина (GS2). Аналогичное действие на патогенные грибы обнаружено у водных вытяжек из коры тополей. При химических исследованиях культурального субстрата, приготовленного из коры и камбия различных видов и сортов осины, различающихся по устойчивости к Valsa sordida, установлены его неодинаковая биохимическая структура и кислотность. Рост патогена также находился в прямой зависимости от устойчивости деревьев, из коры которых приготовлялась питательная среда. Экстракты из живых тканей коры и древесины катальпы подавляют рост Schizophyllum alleum. Водные настои, приготовленные из тканей различных органов древесных и кустарниковых пород, обладали фунгистатическим действием по отношению к возбудителю корневой губки Heterobasidion annosum.

Аналогичный результат получен при испытании влияния сока, отжатого из хвои разных видов сосен, на рост Lophodermium pinastri. При этом наиболее четкий результат получен в опытах, поставленных в конце лета и осенью на хвое двухлетнего возраста. Из коры корней ясеня обыкновенного выделен ряд веществ, оказывающих в разной степени подавляющее действие на таких паразитов, как Cryphonectriaparasitica, Armillaria mellea и ряда других. Экстракт из древесной муки туи гигантской обладал токсичностью против Lentinuslepideus. В древесине этой породы обнаружена воднорастворимая летучая фракция, содержащая полифенолы, сильно подавляющие рост Poria sp.; установлено, что действие вытяжки из опилок речного кедра на Polyporus sp. зависит от ее концентрации: при содержании сухого вещества 0,11—0,23% она стимулирует рост гриба, при концентрации выше 0,23% — подавляет.

Фунгистатические вещества, содержащиеся в живых тканях древесных пород, растворимы в спирте и горячей воде. Кроме коры и древесины фитонциды могут находиться и в листьях деревьев. Так, обнаружено фунгистатическое действие сока листьев инжира на Phomopsis cinerescens, зависящее от фазы развития растений.

Различная устойчивость видов тополей к Dothiciza populea объясняется неодинаковым содержанием в их тканях фунгицидных и фунгистатических веществ. При изучении физиологических и химических особенностей тканей ряда гибридных тополей установлено, что они различаются между собой по содержанию влаги в древесине, величине адсорбции из водного экстракта коры и хроматограммам аминокислот. В коре тополя волосистоплодного, устойчивого к D. populea, обнаружены вещества, обладающие фунгистатическим действием к патогену. Содержание этих веществ в растениях достигает максимума зимой и минимума летом. Сорта, их не имеющие, устойчивы к заболеванию только летом; в состоянии покоя они легко поражаются грибом.

Устойчивость осины к Hypoxylonpruinatum связана с наличием в коре и древесине специфических веществ, подавляющих рост гриба. Из сока коры выделены два биологически активных вещества, ингибирующих рост патогена; одно из них идентифицировано как пирокатехин. Препарат из этого соединения в концентрации 0,4-10-4 г/л полностью подавлял рост возбудителя рака. Биохимическим анализом установлено, что помимо пирокатехина кислая фракция экстрактов коры содержит глюкозид и неопределенный фенол, которые угнетают рост патогена.

В ряде случаев устойчивость растений зависит от биохимического состава тканей. Различное содержание биотина и ростовых веществ в коре каштанов обусловливают неодинаковую устойчивость видов этой породы к Сгурtonectria parasitica. Существенное влияние на патологический процесс оказывает содержание патогена; в некоторых случаях интенсивность развития рака у каштанов объясняют наличием в коре биологически активных веществ, в состав которых входят различные дубильные кислоты.

Устойчивые к «голландской болезни» формы ильмовых пород характеризуются рядом биохимических показателей. Содержание азотистых веществ у них ниже, отмечаются повышенная вязкость клеточного сока и содержание аминокислот, которые стимулируют быстрое образование гуммиобразных веществ, ограничивающих продвижение спор патогена по сосудам древесины.

Устойчивые и восприимчивые к мальсекко сорта цитрусовых культур различаются по ряду биохимических показателей. У устойчивых сортов лимона наблюдается значительное накопление углеводов за ранневесенний и летний периоды; летом и осенью у этих сортов увеличивается также количество эфирных масел.

Ксилемный сок деревьев, восприимчивых к Stereum purpureum, содержит больше азотных соединений и углеводов и более благоприятен для роста гриба, чем ксилемный сок восприимчивых видов. Кроме того, основным сахаром в соке устойчивых растений была сахароза, а основным сахароспиртом — сорбит, и они не стимулировали развитие патогена. Напротив, сок поражаемых деревьев содержит еще и глюкозу и фруктозу, которые способствуют росту гриба.

В последнее время установлена зависимость между содержанием воды в тканях растений и их устойчивостью к некоторым заболеваниям. В частности, интенсивность развития вертициллеза плодовых и лесных пород находится в обратной зависимости от содержания влаги в заболони. Это явление обусловливает более сильное развитие болезни в летний период. Уменьшение влажности коры во время засухи повышает восприимчивость деревьев к черному раку. Влажность коры существенно влияет на устойчивость тополя волосистоплодного к некрозу коры от Cytospora chrysosperma. Лабораторными исследованиями установлено, что инфекция черенков тополей этим патогеном осуществляется при потере ими влажности на 18—22%. Считается, что содержание влаги существенно влияет на образование раневой перидермы и процесс отложения танина и лигнина в клетках коры и древесины, расположенных вокруг пораженного участка. Так, при инокуляции различных видов тополей грибом Cytospora chrysosperma развитие некроза было обратно пропорционально количеству клеток, содержащих танины, и ширине зоны, пропитанной ими; при этом отложение танина у разных видов и сортов тополей проходило неодинаково.

Дефицит влаги является причиной ослабления тополей, которое выражается прежде всего в понижении тургора и служит предпосылкой для поражения деревьев некрозом коры от D. populea в любое время года. Успешность заражения зависит от общего дефицита воды в тканях коры: поперечный срез коры тополя толщиной 1 см становится доступным для заражения D. populea при потере им 10% влажности от абсолютного насыщения.

В некоторых случаях устойчивость древесных пород к раку также связывают с содержанием влаги в коре и древесине, однако единого мнения о ее роли в патогенезе заболевания среди специалистов нет. Согласно имеющимся данным, активность Nectria galligena находится в прямой зависимости от содержания влаги в древесине, тогда как некоторые другие патогены хорошо развиваются при потере влаги тканями коры от 80% и ниже от полного насыщения. Тургоресцентное состояние коры оказывает большое влияние и на течение рака у осины от Hypoxylon pruinatum.

Очевидно, дефицит влажности следует рассматривать как объективный показатель изменения физиологических процессов, происходящих в растениях и обусловливающих повышение их восприимчивости к возбудителям изучаемых болезней.

Интересно отметить, что в состоянии покоя, когда деревья становятся восприимчивыми к ряду заболеваний (некроз коры, рак), вода в клетках и тканях находится в связанном состоянии. Очевидно, развитие инфекции в этом случае сдерживают биологически активные вещества, растворимые в воде. При уменьшении влажности они выпадают в осадок либо так или иначе исключаются из физиологических процессов, что и приводит к снижению устойчивости растений.

Кроме этих показателей устойчивость растений связана с кислотностью клеточного сока (концентрация водородных ионов), однако в сравнительно редких случаях.

Все описанные свойства растений являются по существу пассивными и присущи им до нападения паразита. После того как патоген проник в растение, в нем активизируются другие защитные реакции, которые являются специфическими, направленными против возбудителя болезни. Такие защитные реакции принято называть постинфекционными. К ним относятся следующие изменения в анатомическом строении и метаболизме растения-хозяина. В ряде случаев вокруг пораженного участка образовывается слой пробковой ткани, который изолирует патоген. При дырчатой пятнистости листьев розоцветных от Clasterosporium carpophilum развивается отделительный слой, который распространяется от верхнего эпидермиса до нижнего вокруг пораженной ткани, способствуя ее отделению и выпадению.

Эффективным барьером против некоторых патогенов служат образование и выделение камеди, смолы и танинов, которые обладают токсическими свойствами и могут выступать как механические препятствия при распространении патогенов.

Устойчивость сливы и березы к возбудителю млечного блеска Stereum purpureum связана с образованием камеди, которая совместно с танинами изолирует пораженный участок и предупреждает рост патогена и распространение его токсинов.

Устойчивость к ряду патогенных грибов иногда связана с высокой концентрацией фенольных соединений и продуктов их окисления, а также активностью полифенолоксидазы, которая окисляет фенолы до хинонов — веществ, более токсичных для патогенов. Имеются данные, указывающие на то, что устойчивость может определяться инактивацией фенолами внеклеточных ферментов возбудителей болезней.

Судя по последним работам, можно сделать заключение о многообразной роли фенольных соединений во взаимоотношениях растения и паразита, многие стороны которых еще нуждаются в серьезном уточнении.

Кроме этих веществ существует целая группа соединений, которые образуются в растении в ответ на проникновение патогена. Такие вещества называют фитоалексинами, они, по существу, являются антибиотиками, возникающими вследствие взаимодействия продуктов обмена хозяина и паразита.

Среди древесных и декоративных растений фитоалексины образуют розы при поражении черной пятнистостью (возбудитель Diplocarpon rosae), примулы при болезнях листьев (возбудители Ramularia primulae и Cercosporella primulae). Фитоалексины не специфичны по отношению к определенным патогенам, они подавляют прорастание опор и замедляют развитие ростовых трубок. Имеется много данных о том, что фитопатогенные грибы могут разрушать фитоалексины и осуществлять заражение.

В ряде случаев устойчивость растений может быть объяснена их способностью нейтрализовать вредные вещества, в частности токсины (детоксикация), подавлять синтез ферментов патогенов (например, разрушающих полисахариды), выделять ростовые вещества (ауксин), ингибирующие патогены.

Проникновение инфекции в растение часто приводит к усилению дыхания, повышению ферментативной активности, появлению новых веществ белковой природы (ферменты, белки) у хозяина и патогена. Инфекция также может приводить к количественным и качественным изменениям в нуклеиновых кислотах. При этом у устойчивых растений такие изменения более ярко выражены, чем у восприимчивых.

Применительно к болезням древесных пород эти явления изучены еще недостаточно. Возможна разработка теоретических предпосылок устойчивости с учетом биологических особенностей вида растения и имеющихся данных по патогенезу заболевания. Рассмотрим это на примере шютте обыкновенного сосны (возбудитель Lophodermium ps.).

Устойчивость сосны к этому заболеванию до сих пор не получила теоретического обоснования, однако некоторые сведения имеются в публикациях отдельных авторов. В работе С. И. Ванина указывается, что наиболее восприимчива к заболеванию сосна обыкновенная, климатические расы которой по-разному реагируют на внедрение патогена, при этом наиболее чувствительна к заболеванию среднеевропейская сосна, наименее — северная. Географические опыты показали, что сеянцы из северных семян более устойчивы к болезни даже при выращивании их в южных районах.

На восприимчивость сеянцев сосны к шютте оказывает влияние также и качество семян: сеянцы, выращенные из семян, собранных с господствующих деревьев, проявляют повышенную устойчивость. Развитие болезни в значительной степени зависит и от физиологического состояния растения.

Заражению растений способствуют ослабление роста сеянцев и понижение тургора клеток хвои. После проникновения инфекции в летний и осенний периоды гриб локализуется около ворот инфекции и распространяется по тканям хвои только весной, когда растения находятся еще в состоянии покоя.

Исследования последних лет подтверждают эти положения: так, обследования питомников во Франции показали, что географические формы сосны различались по восприимчивости к болезни.

Сосна обыкновенная — ветроопыляемое растение, ее пыльца распространяется на большие расстояния, что способствует перекрестному опылению и образованию различных биологических форм, из которых в процессе естественного отбора сохраняются наиболее приспособленные к данным экологическим условиям. В природе сосна обыкновенная представлена большим количеством таких форм и занимает широкий ареал с различными эдафическими и климатическими условиями.

Процесс, ведущий к появлению межпопуляционных различий, может быть связан с пространственной изоляцией (аллопатрическое видообразование) или проходить без нее в пределах одного узкого региона (симпатрическое видообразование). В нашем случае особый интерес представляют процессы дифференциации вида в пределах одного лесного массива, что обусловлено перекрестным опылением растений в различных экологических формациях.

Биология патогена на популяционном уровне изучена достаточно хорошо. Однако данных о его внутривидовой дифференциации и механизмах патогенеза явно недостаточно. Внутривидовое разнообразие возбудителя шютте рассматривается в географическом разрезе и в связи с приуроченностью его к различным видам сосен. О расах и биотипах гриба упоминают французские, немецкие и американские фитопатологи. В частности, на основе изучения морфокультуральных признаков 515 географических штаммов L. pinastri, собранных с различных видов сосен, они были разбиты на три типа, которые, однако, не коррелировали с происхождением или патогенностью изолятов.

В США установлено, что популяция L. pinastri представлена двумя биотипами: патогенным, обладающим коричневым мицелием и выделяющимся из молодой хвои, и менее патогенным — из старой хвои с белым мицелием.

Популяция древесных пород в лесу в течение длительного периода времени произрастает на одной территории и генетически не обновляется. За это время паразит успевает образовать большое количество генераций, что приводит к отбору вирулентных форм, и интенсивность развития болезни зависит в основном от их агрессивности, которая может изменяться от условий внешней среды.

В связи с этим большое значение для сохранения вида растения имеет горизонтальная устойчивость, обуславливаемая полигенным наследованием агрессивности у патогена. Стабильность горизонтальной устойчивости объясняется стабильностью рас патогена за счет равновесия в популяции. Это равновесие отчасти определяется генетическим гомеостазисом (стабилизирующим отбором).

При поражении сосны шютте обыкновенным, учитывая характер биологии патогена и растения-хозяина, мы должны сталкиваться со стабильной популяцией возбудителя болезни вследствие генетического гомеостаза, среди которой преобладают вирулентные расы. Возникающие вследствие спонтанных мутаций расы, обладающие ненужной вирулентностью, недолговечны и быстро исчезают.

Сосна обладает вертикальной устойчивостью к патогену, однако только в определенные периоды вегетации, когда она способна синтезировать антибиотические вещества (фитоалексины), вследствие чего патоген локализуется около ворот инфекции. После наступления периода покоя или при ослаблении растений вследствие неблагоприятных условий внешней среды гены, контролирующие вертикальную устойчивость, «отключаются» (из-за недостатка веществ или микроэлементов для синтеза фитоалексинов и по другим причинам), и патоген быстро распространяется по растению.

После того как хвоя отмирает вследствие заболевания, судьба растения зависит от его горизонтальной устойчивости, в данном случае — способности восстанавливать пораженные органы за счет активности апикальных и боковых меристем, количества накопленных питательных веществ, что, в свою очередь, связано с мощностью корневой системы, размером и количеством хвои и т. д.

С целью проверки высказанных предположений нами было проделано измерение высот и определены размеры прироста в конце вегетации у группы сеянцев сосны, пораженных шютте обыкновенным. На основании полученных данных рассчитан парный коэффициент корреляции между общей высотой пораженных растений и приростом в высоту как одним из показателей их устойчивости. Этот коэффициент оказался равным 0,76 ± 0,02, т. е. связь между общим развитием сеянцев и их устойчивостью к шютте обыкновенному оказалась довольно высокой, и интенсивность роста служит одним из признаков горизонтальной устойчивости сосны к этой болезни. Для раскрытия механизмов вертикальной устойчивости необходимо проведение специальных исследований.

Приложение отдельных теоретических концепций фитоиммунитета позволяет направить исследования по пути раскрытия механизмов устойчивости и отбора иммунных форм для использования их в практических целях.

Одним из условий защиты внутриклеточного метаболизма растительной клетки от экзогенных ароматических соединений является окислительная детоксикация. Этот процесс представляет собой биохимическую основу очистки атмосферного воздуха от органических загрязнителей. Устойчивые к загазованности автотранспортом виды растений характеризуются более высокой скоростью метаболизации поглощаемых токсикантов, связанной с активизацией ряда ферментов группы терминальных оксидаз, а также более высоким уровнем дозы их накопления. У растений с выраженной устойчивостью к воздействию загрязнителей воздуха активность синтеза азотсодержащих соединений больше, чем у восприимчивых. В ответ на воздействие токсичных соединений у растительных организмов значительно повышается активность ферментов, катализирующих различные стадии их метаболизма: активность пероксидаз у вяза голого (Ulmus glabra Huds.), клена серебристого (Acer saccharinum L.), боярышника кроваво-красного (Crataegus sanguinea Pall.), конского каштана (Aesculus hippocastanum L.), клена ясенелистного (Acer negundo L.).