Реакции на ранение у растений
Ранение у растений — это повреждение структурной целостности покровных тканей, вызывающее гибель клеток и высвобождение их внутреннего содержимого, что, в свою очередь, приводит к повышенному риску заражения травмированной области, нерегулируемой потере влаги и чрезмерной чувствительности к внешним стрессорам. Повреждения могут вызывать различные абиотические (снег, дождь, ветер, топтание, химикаты, засуха, интенсивный свет) и биотические факторы (насекомоядные и травоядные). В связи с прикреплённым образом жизни, растения не имеют возможности убежать от опасности как это делают животные, поэтому для защиты у них сформировались другие адаптационные механизмы[1]. Для предотвращения повреждений у растений имеются физические барьеры конститутивной защиты, поддерживающие целостность внутреннего содержимого, такие как клеточная стенка, кутикула, кора, трихомы, смола, шипы и другие специализированные структуры.
В отличие от млекопитающих, у растений нет специализированных клеток для заживления ран, каждая растительная клетка компетентна для формирования защитного ответа[1]. Среди растений наблюдается широкий спектр реакций, связанных с ранами, эти реакции направлены на заживление повреждённых тканей и активацию защитных механизмов, предотвращающих дальнейшие повреждения. Большинство таких реакций длятся от нескольких минут до нескольких часов и включают генерацию, восприятие и передачу специфических сигналов для последующей активации генов защиты, связанных с ранами[2]. Ответ на повреждение осуществляется на нескольких уровнях: на атомарно-молекулярном уровне (синтез молекул), уровне органелл и структур (перестройка клеточной стенки, выделение смолы и т.д.), уровне клетки (внутриклеточный сигналинг), организменном (системный ответ по всему растению) и генном уровне (изменение экспрессии защитных генов) и идёт разными взаимосвязанными сигнальными путями. Повреждение активирует защитные механизмы по всему растению, как в непосредственно повреждённых тканях (локальный ответ), так и в неповреждённых областях (системный ответ)[2]. Как локальные, так и системные реакции на ранения активируют множество метаболических путей, вызывая изменения в процессах обмена веществ, фотосинтезе и транспирации[3]. Среди основных изменений, которые возникают в растительном организме в ответ на ранение выделяют активацию врождённого иммунитета растений, волны гидравлических, электрических, кальциевых (Ca2+) сигналов, распространяющиеся по всему растению, высвобождение активных форм кислорода (АФК), а также выработку фитогормонов, таких как жасмоновая кислота (ЖК), этилен и абсцизовая кислота (АБК). На более поздний этапах возникают реакции, направленные на защиту растения от повторяющихся повреждений, такие как синтез вторичных метаболитов и структурных компонентов клетки (лигнин, суберин, каллоза и др.)[1]
Локальный ответ
Локальный ответ осуществляется на месте полученной раны в течение нескольких минут после ранения и направлен преимущественно на регенерацию тканей, защиту от травоядных животных и предотвращение резкой потери воды. Он включает в себя кальциевый сигналинг, синтез АФК, фитогормонов и укрепление клеточной стенки (синтез Р-белков и олигогалактуронидов, отложения лигнина и суберина, образование каллозных мозолей)[3].
Системный ответ
Системный ответ происходит в течение нескольких часов в неповреждённых листьях или органах растений, удалённых от места ранения и включает изменения в метаболизме и индукцию или подавление экспрессии определённых генов. В частности, известно что высвобождение олигогалактуронидов и системина вызывает индукцию протеиназных ингибиторов, чья функция — блокировать пищеварительные ферменты в кишечнике травоядных. Подавление экспрессии пищеварительных протеаз осуществляется путем антисенсового ингибирования гена просистемина и одновременно вызывает экспрессию генов системного сигналинга[2]. Центральную роль в возникновении геномных изменений экспрессии генов отводят жасмоновой кислоте.
Волны гидравлических, электрических и кальциевых сигналов, АФК
Кальциевые сигналы и АФК
Локальные и системные реакции связаны через Ca2+, АФК, гидравлическую и электрическую сигнализацию. Локальные изменения создают волну, которая быстро распространяется вдоль апополаста от места раны к дальним частям растения. Свободный Ca2+ может связываться с мотивами EF-руки для активации кальциезависимых протеинкиназ (CDPK), кальмодулин-подобных (CML) и кальциневрин-подобных (CBL) белков, а также серин-треониновой белковой киназы (CIPK), которые опосредуют транскрипционный ответ.[3] Также, протоны водорода H+ совместно с ионами кальция Ca2+ активируют MAP-киназы, которые передают сигнал в ядро и активируют защитные гены растений. Ca2+ накапливается сразу после ранения в первые несколько секунд и вызывает последующее увеличение количества АФК за счёт NADPH-зависимых оксидаз. Увеличивается концентрация таких активных форм кислорода как супероксид анион (O2−), пероксид водорода (H2O2−), синглетный кислород (OO·). При низкой концентрации они действуют опосредованно, как вторичные мессенджеры, в высокой же концентрации они являются частью прямого защитного пути — оказывают токсичное действие на бактерий и микробы, проникающих в рану. Пероксид водорода также участвует в образовании лигнина, активирует синтез различных соединений, например, фитогормонов и играет роль в укреплении клеточной стенки в ответ на механические повреждения. Кроме того, повышенные уровни Ca2+ и АФК приводят к быстрому закрытию плазмодесм и решетчатых пластин флоэмы, тем самым предотвращая утечку питательных веществ, которые затем используются для восстановления клеточной стенки. Аналогично АФК, активные формы азота, такие как NO, накапливаются локально в месте ранения и способствуют заживлению ран за счёт образования отложений лигнина и каллозы.
Гидравлические сигналы
Повреждения растения могут привести к потере воды и нарушить работу сосудистой сети, что напрямую влияет на тургорное давление клеток эпидермиса и отражается на уменьшении толщины листьев, смежных с раной. Эти изменения вызваны втягиванием воды через сосудистую систему в виде волны давления, проходящей по жёстким сосудам ксилемы. Такого рода гидравлические сигналы распространяются с предполагаемой скоростью 10–20 см·с−1, вследствие чего возникает разрыв непрерывного водного тока, который имеет последствия на удалённых местах.
Электрические сигналы
В литературе описано четыре типа электрических сигналов, вызываемых повреждением: потенциал раны, потенциал действия, потенциал медленной волны и потенциал систем. Деполяризация потенциала раны распространяется локально вокруг повреждённой области. Потенциалы действия, потенциалы медленных волн и системные потенциалы способны распространятся в отдалённые участки растения. Медленные волновые потенциалы, в отличие от остальных, могут распространятся через мертвые или поражённые ткани и инициируют накопление жасмоновой кислоты (ЖК). Потенциалы систем отличаются тем, что они гиперполяризованы, а не деполяризованы.
Врожденный иммунитет растений
Врожденный иммунитет растений опирается на рецепторы распознавания образов (PRR), встроенные в мембрану растительных клеток, и молекулы, выделяемые из ран[4]. Ранение от механических повреждений, травоядных или микробных инфекций приводит к разрушению тканей растений и высвобождению внутриклеточных молекул в пространство апопласта. Травоядные животные разрушают ткани растений во время питания или химической модификации, тогда как патогены повреждают ткани за счёт гидролитических ферментов или токсинов, а механические повреждения - за счёт нарушения структурной целостности клетки. В связи с этим, выделяют три вида молекул, образующихся при ранении: молекулярные паттерны, связанные с травоядными (HAMP), молекулярные паттерны, связанные с микробами (MAMP) и молекулярные паттерны, связанные с эндогенными повреждениями (DAMP). Механизм работы врождённого иммунитета растений заключается в том, что рецепторы распознавания образов (PRR) связываются с молекулами патогенных организмов (MAMP), травоядных (HAMP) или с собственными молекулами внутреннего повреждения (DAMP) и запускают защитный ответ клетки через Ca2+, АФК и электрическую передачу и другие сигналы. Молекулярными паттернами, связанными с эндогенными повреждениями (DAMP) являются обычные компоненты клетки, которые при нормальной жизнедеятельности опосредуют поддержание гомеостаза, но при обнаружении их вне клетки они выполняют исключительно сигнальные функции. Примерами DAMP являются молекулы АТФ, фрагменты клеточной стенки, фрагментированная ДНК, небольшие сигнальные пептиды, а также олигогалактурониды, системин, глутамат и др.[1][5]. MAMP и HAMP молекулы это чаще всего компоненты клеточных стенок патогенов и травоядных или специальный молекулы, специфичные для каждого конкретного вида (например, глюконазы, хитиназы, осмотин, протеиназы, ингибиторы протеиназ и пероксидаз и т.д.)[3]. Защитные реакции, вызываемые HAMP, MAMP и DAMP тесно связаны между собой, поскольку часто одновременно происходит и повреждение травоядными и, наступающее вследствие этого механическое повреждение с высвобождением молекул эндогенного повреждения, и заражение различными инфекциями. Хотя все эти молекулы сами по себе могут вызвать защитный ответ, их единовременное действие критически важно для увеличения силы иммунного ответа[1][5].
Фитогормоны
Реакции врождённого иммунитета растений контролируются такими гормонами как жасмоновая кислота (ЖК), этилен, ауксин и абсцизовая кислота (АБК). Они могут действовать как по отдельности, так и совместно. Например, АБК и ЖК вместе с этиленом индуцируют ген просистемина, а этилен и салициловая кислота, действуя совместно могут усиливать реакции жасмонатов.
Жасмоновая кислота
Жасмоновые кислоты образуются из жирных кислот по октадеканоидному пути и включают 10 промежуточных стадий биосинтеза в трёх разных клеточных компартментах и в конечном итоге накапливаются в сосудистых тканях[1]. Синтез ЖК индуцируется веществами из ротовой полости насекомых, системином и олигосахаридами клеточной стенки[3]. Главная функция ЖК в реакциях на ранение — подавление сигнальных путей, ведущих к росту растения, с целью перенаправить ресурсы на защитный ответ. Эффекты действия жасмонатов реализуются на генном уровне через увеличение транскрипции генов, кодирующих биосинтез вторичных метаболитов (терпенов, глюкозинолятов, фенолов или алкалоидов)[1]. Жасмонат-опосредованные ответы осуществляются через рецептор COI1 , который является компонентом E3 убиквитин лигазы SCF. Этот белковый комплекс взаимодействует с белками JAZ (Jasmonate Zim — доменные белки), транспортируя транскрипционные факторы для регуляции экспрессии генов. На настоящий момент остаются неизвестными молекулярные механизмы экспрессии защитных генов, вызванных ЖК и дальнейшее их распределение в тканях.[3]
Абсцизовая кислота
Абсцизовая кислота опосредует реакцию растений на засуху, солёность и экспрессию гена ингибитора протеиназы II (PIN2). При ранении, растение в короткий срок теряет большое количество воды, АБК же реагирует на снижение уровня влаги и способствует закрытию устьиц, предотвращая высыхание травмированной области. Кроме того, АБК регулирует запрограммированную клеточную гибель клеток вокруг места ранения, чтобы сдерживать механические травмы и проникновение патогенов (через транскрипционные факторы MYB108 или BOTRYTIS SENSITIVE1)[1].
Этилен
Увеличение концентрации этилена при ранении вызвано эффектами действия АФК и Ca2+. Появление этилена, вероятно, связано с синтезом клеточной стенки и передачей сигнала о повреждения в стареющих областях растения. Также, этот гормон принимает участие в блокировании ксилемного транспорта, предотвращая распространение патогенов [1][3].
Ауксин
Накопление ауксина в области ранения в основном необходимо для регенерации повреждённых тканей (в особенности сосудистой ткани) и активации клеточного деления для образования мозолей[5].
Олигогалактурониды
Олигогалактурониды (ОГ) выделяются из клеточных стенок при их разрушении в результате фрагментации гомогалактуронана, основного компонента пектина. Защитные реакции, вызванные ОГ, включают выработку АФК, активацию оксида азота через MAP-киназный путь, а также повышение уровня фитоалексинов, глюканазы, хитиназы и каллозы.
Конститутивная защита
Конститутивная защита — это физические барьеры растения, защищающие его от повреждений. Основным барьером является растительная клеточная стенка. При ранениях целлюлозная клеточная стенка растений подвергается распаду на мономерные фрагменты целлобиозы, а пектиновые вещества разлагаются до олигогалактуронидов. В ответ на эти повреждения, в растении происходит отложение лигнина и суберина, сложных полимерных веществ, придающих клеточной стенке прочность, жёсткость и гидрофобность. Лигнин укрепляет сосудистые ткани (ксилему) и приводит к одревеснению, а суберин формирует водонепроницаемый барьер в покровных тканях, защищая их от потери воды и проникновения патогенов. Для защиты от абиотических факторов растения имеют такие структуры как кутикула, трихомы и метаболиты с токсичным действием[1]. Кутикула представляет собой слоистую структуру из восков и углеводородов на внешнем слое эпидермиса, она отражает свет, защищая растение от теплового стресса и ограничивает диффузию воды и газов, уменьшая испарение и предохраняя растение от засухи. Трихомы — это небольшие, похожие на волоски наросты на листьях и стеблях растений, которые служат для защиты от избыточного испарения, нагревания и чрезмерно интенсивного света. Критически важной для растений является нарушение целостности сосудистых систем (ксилемы и флоэмы, включая ситовидные трубки), поскольку при этом происходит потеря воды и питательных веществ, а также возрастает риск быстрого распространения патогенов. Основным механизмом закрытия повреждённых ситовидных трубок является синтез Р-белков и каллозы. P-белки осуществляют первичный быстрый ответ на повреждение и закупоривают поры, образующиеся в ситовидных элементах, блокируя открытые каналы. Раневая каллоза откладывается несколько позже в порах ситовидных пластинок или внутриклеточно, откуда затем распространяется в различные области, где запечатывает повреждённые части и отделяет их от цельных. Как только ситовидные элементы восстанавливаются, каллоза разлагается специальным гидролизующим ферментом. Изменения морфологии также могут играть роль в защите от абиотических повреждений. Например, уменьшение площади листьев позволяет снизить интенсивность транспирации и, таким образом, защитить растения от избыточного испарения и засухи, а изменение ориентации листьев, также как и скручивание позволяет растениям уменьшить количество поглощаемого солнечного света[6].