v
Белки-ингибиторы протеолитических ферментов обнаружены в тканях животных, растений и в микроорганизмах (Мосолов, 1971; 1983; Ryan, 1973; 1981; Laskowski, Kato, 1980; Richardson, 1977; Мосолов, Валуева, 1993). Особенно высоким содержанием ингибиторов протеиназ характеризуются семена и другие запасающие органы растений. Так, содержание ингибиторов в семенах бобовых и злаковых культур составляет 5−10% растворимых белков (Micola, Kirsi, 1972; Ryan, 1981). Общим свойством этих молекул является способность образовывать с протеолитическими ферментами устойчивые комплексы, что приводит к обратимому подавлению их активности.
Широкое распространение ингибиторов и их содержание в значительных количествах в тканях растений позволяют предположить, что они являются одним из важнейших компонентов регуляции различных физиологических процессов. Полагают, что подавление активности ферментов белковыми ингибиторами является и наиболее древним в эволюционном отношении способом регуляции протеолиза (Мосолов, 1983). Несмотря на определенные успехи, достигнутые в изучении состава, структуры, механизмов взаимодействия с ферментами, физиологическая роль этих белков у растений остается пока малоизученной.
Большинство ранних работ были посвящены изучению растительных ингибиторов как антипитательных веществ, подавляющих активность пищеварительных ферментов. В них было показано, что высокое содержание ингибиторов в пище и в корме животных не только снижает усвояемость белков, но и приводит к нарушению процессса пищеварения у человека и животных (см. обзоры: Мосолов, 1983; Richardson, 1977).
В дальнейшем были получены сведения о том, что ингибиторы трипсина и химотрипсина из семян способны подавлять активность протеиназ насекомых-вредителей (Appelbaum, Konijn, 1966; Mitsunaga, 1974; Балаян, 1982). Более того, в семенах сельскохозяйственных культур 5 обнаружены специфические ингибиторы протеолитических фермент пищеварительного тракта насекомых (Конарев, Вилкова, 1984; Конар< 1984, 1987; Конарев, Фомичева, 1991). В растительных тканях бы обнаружены и ингибиторы, способные подавлять активность протеин патогенных микроорганизмов (Кладницкая, Валуева, Домаш и др., 19S Ибрагимов, 1997). Эти молекулы не только подавляют ферментативш активность микроорганизмов, но и угнетают рост мицелия гриба п добавлении их в питательную среду (Бенкен, Мосолов, Федуркина, 19' Дунаевский, Павлюкова, Белякова и др., 1995). Способность растителыи белков подавлять активность протеиназ млекопитающих, насекомых микроорганизмов легли в основу представлений об их защитных функциях.
В пользу этого предположения свидетельствуют данные об изменен активности ингибиторов протеиназ в растениях при действии на н различных факторов. С. Рианом и его сотрудниками (Green, Ryan, 19' Ryan, 1973; Walker-Simmons, Hadwiger, Ryan, 1983) было обнаружено, ч поранение тканей личинками колорадского жука приводит к повышен! активности ингибиторов протеиназ в листьях томатов и картофе. г Механическое, химическое, термическое повреждение одного лис вызывало активацию ингибиторов по всем органам растений. Оказалось, ч многие виды растений способны к накоплению ингибиторов в ответ повреждение тканей (Ryan, An, 1988; Brown, Takio, Titani et all., 1985).
Относительная активность протеиназ и их ингибиторов подвергает значительным изменениям при заражении растений патогенными грибам Характер этих изменений у устойчивых и восприимчивых к патогенсортов различен. В большинстве случаев, внедрение, развитие патогенов восприимчивых форм растений вызывает повышение активности протеин и снижение активности свободных ингибиторов (Ямалеев, Ибрагимов, 19? Ибрагимов, Ахметов, 1992; Ибрагимов, 1996; Ибрагимов, Яруллина, 1996).
Следует заметить, что очень мало работ, рассматривают взаимоспецифичные протеиназы и ингибиторы в едином функциональн< 6 комплексе. В большинстве исследований активность протеолитических ферментов и их ингибиторов рассматривается независимо друг от друга. Сведения в этом плане позволяют предложить новые подходы к поиску препаратов для защиты растений, стимулирующих естественные механизмы устойчивости растений.
Патогенные микроорганизмы и насекомые-вредители наносят значительный ущерб сельскому хозяйству. Для успешной борьбы с болезнями растений и выведения устойчивых сортов необходимо исследование физиолого-биохимических механизмов взаимоотношений растений и гетеротрофных организмов. Механизмы формирования защитных реакций растений на внедрение патогенов и повреждение насекомыми остаются пока малоизученными. Агрессивность патогенов и насекомых-вредителей в значительной степени обусловлены способностью их к синтезу и использованию гидролитических ферментов (Рубин, Арциховская, 1975). В тканях растений содержатся белки, способные взаимодействовать с чужеродными ферментами и подавлять их активность. Интенсивное исследование таких белков-ингибиторов протеиназ растительного происхождения началось в 50-е годы. К настоящему времени они обнаружены у всех исследованных представителей растений (Мосолов, Валуева, 1995). Особенно высоким содержанием белковых ингибиторов ферментов характеризуются запасающие органы бобовых, пасленовых, злаков, здесь ингибиторы играют роль запасных белков растения. Кроме того, ингибиторы экзогенных протеиназ являются защитными белками, участвующими в формировании у растений реакций устойчивости к патогенам. Первые сведения о том, что ингибиторы трипсина и химотрипсина из семян бобовых способны подавлять активность протеиназ насекомых-вредителей^ дитающихся зернокультурами, были получены в 60-е годы (АрреШаит, Копуп, 1966). В дальнейшем это свойство было обнаружено у ингибиторов из семян пшеницы, ржи, кукурузы (МЙБиг^а, 1974; Балаян, 1982). Более того, в семенах сельскохозяйственных культур
7. обнаружены специфические ингибиторы протеолитических ферментов пищеварительного тракта насекомых. Эти ингибиторы были неактивны по отношению к трипсину и химотрипсину (Конарев, Вилкова, 1984; Конарев, 1984, 1987, 1991). Широкое распространение ингибиторов в живой природе свидетельствует о том, что подавление протеолитической активности этими молекулами может служить весьма эффективной и специфической ответной реакцией на контакт, повреждение тканей растений насекомыми-вредителями. 8.
ВЫВОДЫ.
1. Показано, что патогенные грибы Helminthospoirum и Fusarium, культивируемые в искусственных условиях, секретируют в окружающую среду протеолитические ферменты. Активность внеклеточных протеиназ зависит от вида грибов и условий роста грибной культуры.
2. В семенах и вегетативных органах культурных растений выявлены белки, подавляющие активность внеклеточных протеиназ грибов. Высокая активность этих ингибиторов обнаружена в семенах гороха, гречихи, кукурузы, обладающих более высокой устойчивостью к поражению грибами Helminthospoirum и Fusarium.
3. Показано, что ингибиторы экзогенных протеиназ патогенных грибов из семян диффундируют в окружающую среду при их прорастании, что способствует защите семян и проростков от воздействия патогенной микрофлоры.
4. Обработка клубней картофеля защитными препаратами стимулирует синтез белков с ингибиторной активностью. В обработанных препаратами клубнях обнаруживается 1,5−3 кратное повышение активности ингибиторов трипсина и внеклеточных протеиназ Fusarium sp.
5. Синтез и накопление ингибиторов протеиназ в семенах гороха происходит по мере их формирования и созревания. Внедрение и развитие насекомых — вредителей в растительные ткани приводит к значительному изменению баланса протеолитических ферментов и их ингибиторов. Поврежденные созревающие и покоящиеся семена обладают более высокой активностью ингибиторов трипсина и иргибиторов проназы.
.
Экспериментальные данные последних лет позволяют предположить, что ингибиторы протеолитических ферментов относятся к белкам, участвующим в ответных реакциях растений на изменяющиеся условия (Walker-Simmons, Hadwiger, Ryan, 1983; Ryan, 1992; Валуева, Мосолов, 1995). Полученный нами экспериментальный материал показывает, что регуляция метаболизма специфическими белками-ингибиторами протеиназ представляет собой важную часть механизмов поддержания структурной и функциональной целостности, жизнеспособности растительного организма при действии патогенных микроорганизмов и насекомых-вредителей.
Известно, что агрессивность и патогенность микроорганизмов в значительной мере обусловлены активностью внеклеточных протеиназ (Билай, 1977; Билай, Гвоздек, Скрипаль и др., 1988; Караджова, 1989; Кладницкая и др., 1994). Нами показано, что патогенные грибы Fusarium и Helminthosporium выделяют в окружающую среду ферменты, расщепляющие белковые и синтетические субстраты. Разные виды грибов характеризуются неодинаковой активностью внеклеточных протеиназ.
Протеиназасекретирующая способность грибов зависит от условий культивирования, в частности, от состава питательной среды. БАПНА-гидролизующие ферменты Fusarium sp. представлены термолабильными белками с оптимумом действия в щелочной зоне рН. По своим свойствам внеклеточные ферменты этого гриба существенно не отличаются от БАПНА-аз растительного и животного происхождения.
Семена и вегетативные органы растений содержат белки, подавляющие активность внеклеточных протеиназ грибов Fusarium и Helminthosporium. Активность таких ингибиторов обнаружена нами в клубнях картофеля, в семенах и листьях пшеницы, ржи, кукурузы, гороха, гречихи. Высокая активность этих ингибиторов характерна для клубней картофеля, семян гороха и гречихи. Нужно отметить, что в тканях растений уровень Активности ингибиторов, подавляющих гидролиз казеина грибными.
99 ферментами, в большинстве случаев выше, чем активность ингибиторов БАПНА-гидролизующих ферментов. Ингибиторная активность растительных белков зависит, вероятно, не только от типа фермента, но и от природы гидролизуемого ферментом субстрата.
Высокое содержание ингибиторов внеклеточных протеиназ патогенных грибов Fusarium и Helminthosporium в семенах гороха, гречихи и кукурузы может служить одним из важных факторов, обеспечивающих устойчивость этих культур к поражению корневыми гнилями. Как известно, растения гречихи, кукурузы и бобовые практически не поражаются грибом Н. sativum, одним из основных возбудителей корневых гнилей (Тупеневич, 1970). Показано, что добавление в культуральную среду ингибиторов протеиназ из семян гороха, кукурузы, подавляют рост и развитие патогенных грибов (Бенкен, Мосолов, Федуркина, 1976; Дунаевский и др., 1995). Аналогичные процессы могут происходить и в естественных условиях. Об этом свидетельствует обнаруженный нами факт секреции ингибиторов грибных протеиназ из прорастающих семян, что создает вокруг них микросреду с антимикробными свойствами. Мы полагаем, что вследствие этого в прикорневой зоне подавляется патогенная активность почвенной микрофлоры, в частности грибов Fusarium и Helminthosporium. Аккумуляция ингибиторов протеиназ в зоне инфекции может происходить за счет связывания их с компонентами оболочек клеток патогенов. Известно, что ингибиторы трипсина могут связываться с компонентами клеточных оболочек, содержащих N-ацетилглюкозамин и его олигомеры (Меленьтьев и др., 1986). Благодаря этой способности, ингибиторы протеиназ могут аккумулироваться на поверхности прорастающих спор и гиф внедрившегося в растение патогена и инактивировать секретируемые ими протеолитические ферменты. Миграция ингибиторов в зону инфекции может происходить вследствие наличия градиента концентрации молекул свободного Ингибитора, обусловленного сорбцией молекул на поверхности микробных клеток. Такие же процессы могут иметь место И до внедренйя патогена в.
100 ткани, например, на поверхности растений. Как известно, споры многих патогенных грибов способны прорастать и проникать в растение даже через неповрежденные ткани, если они попадут на достаточно увлажненный участок, так называемую «инфекционную каплю». Деградация растительных клеток в этом случае осуществляется внеклеточными гидролазами, секретируемыми патогеном. В свою очередь, из растительных клеток в инфекционную каплю транспортируются защитные соединения, такие как фитоалексины, белки-ингибиторы протеолитических ферментов.
Кладницкая, Валуева, Ермолова и др., 1996). Очевидно, белки-ингибиторы, способные связываться с клеточными стенками патогенов, значительно эффективнее подавляют актйвность экзопротеиназ и препятствуют гидролизу растительной клетки. Логично предположить, что из растительных клеток диффундируют не только ингибиторы протеиназ, но и белки, подавляющие активность других гидролитических ферментов. Косвенно об этом свидетельствует факт обнаружения ингибитора пектолитических ферментов патогенного гриба в составе клеточных стенок растений (Albercheim, Anderson-Prouty, 1975). Таким образом, диффузию белков-ингибиторов протеолитических ферментов из растительных тканей и аккумуляцию их на поверхности микроорганизмов следует рассматривать как один из важных механизмов формирования защитных процессов у растений при контакте с патогенами.
Как отмечалось, в ответ на различные повреждения, в том числе и на внедрение фитопатогенов в растениях происходит синтез ингибиторов протеиназ (Ryan, 1992). Такие эксперименты были проведены на растениях семейства пасленовых — томатах и картофеле. Модификация активности ингибиторов протеиназ в тканях является, по-видимому, частью неспецифических реакций растений в ответ щ действие стрессовых факторов биотического и абиотического характера. Об этом свидетельствует и то обстоятельство, что накопление ингибиторов протеиназ в тканях происходит одновременно с увеличением содержания других защитных соединений.
101 фитоалексинов, лектинов, лигнинов). Причем, накопление этих соединений в растительном организме индуцируется одними и теми же элиситорами, в роли которых могут выступать углеводсодержащие фрагменты клеточных стенок растений и грибов, а также некоторые фитогормоны (Walker-Simmons, Hadwiger, Ryan, 1984).
Как показывают наши опыты и данные других исследователей (Ryan, 1992; Кладницкая, Валуева, Ермолова и др., 1996) изменение активности протеиназ и их ингибиторов в тканях является неспецифической ответной реакцией растений на изменение условий обитания. Из этого следует, что искусственное изменение баланса активности протеиназ и их ингибиторов в растительных тканях является одним из механизмов повышения их устойчивости. Наиболее перспективным в этом плане является возможность использования препаратов, приводящих к длительной индукции синтеза ингибиторов протеиназ в растениях.
Первичными сигнальными молекулами, запускающие ответные реакции растений служат компоненты клеточных стенок самого растения или микроорганизмов (Озерецковская, 1994). Поэтому, препараты, содержащие фрагменты клеточных стенок или непатогенные микроорганизмы (например, бактерии), могут служить элиситорами, индуцирующими защитные реакции растений. Возможность проявления таких реакций изучена нами на модельных опытах с клубнями картофеля с использованием бактериального препарата Фитоспорин. Обработка клубней Фитоспорином приводила к повышению активности трипсина и внеклеточных протеиназ гриба Fusarium sp. как в клубнях, так и в проростках. Так, белки из обработанных клубней полностью подавляли желатингидролизующую активность грибных протеиназ. В контрольном варианте белки в этой же концентрации ингибировали лишь 65% ферментативной активности. В целом, стимулирующий эффект Фитоспорина значительно превышал эффект действия химических препаратов — фундазола и ТМТД, и был сравним с.
102 действием арахидоиовой кислоты, которая является известным эффективным индуктором защитных реакций (Озерецковская, 1994).
Очевидно, что снижение активности свободных ингибиторов уменьшает сопротивляемость растений к действию внеклеточных ферментов патогена. Это способствует дальнейшему развитию и распространению патогена в растительных тканях. Активация протеиназ и подавление активности их ингибиторов в тканях восприимчивой пшеницы обуславливается действием внеклеточных метаболитов патогенных грибов. Так, выращивание пшеницы на фоне культуральных фильтратов грибов Н. sativum и Fusarium sp. повышает активность БАПНА-гидролизующих ферментов и снижает активность ингибиторов трипсина в корнях и листьях проростков проростков (Ибрагимов, 1998).
Изменения в активности протеиназ и их ингибиторов происходят и при внедрении и развитии в тканях растений насекомых-вредителей. Поврежденные гороховой зерновкой семена гороха характеризуются повышенной (в 1,5−3 раза) активностью БАПНА-гидролизующих ферментов, ингибиторов трипсина, ингибиторов проназы. Повышенная активность ингибиторов протеиназ сохраняется и при прорастании поврежденных семян.
Синтез и накопление ингибиторов протеиназ в семенах происходит по мере их созревания. Так, в начале формирования семян антипротеолитическая активность в них не определяется или выявляется невысокая активность. По мере созревания семян ингибиторная активность в них повышается. Причем, наиболее интенсивное накопление ингибиторов протеиназ происходит в семенах, поврежденных личинками насекомых (гороховой плодожоркой). Необходимо отметить, что повышенная ингибиторная активность обнаруживается и в тех семенах, которые не повреждены насекомыми, а располагаются в поврежденном бобе. Очевидно, что дополнительный синтез (активация) ингибиторов протеиназ в поврежденных растениях, имеет системный характер, происходит и в неповрежденных тканях.