2. Нарушение метаболизма растений с помощью токсинов

После проникновения, следующим шагом стратегии гриба в колонизации растения является секреция токсинов или веществ с гормональной активностью, которые изменяют физиологию растения в сторону, благоприятную для патогена. Такое вмешательство в метаболизм растения может состоять просто в убийстве клеток растений и использования их для питания, или в более тонкой переориентации клеточных процессов; часто эта цель достигается выделением продуцирования фитопатогенным грибом фитотоксинов, которые имеют варьирующую степень специфичности по отношению к различным растениям.

Фитотоксины идентифицированы у большого количества патогенов, но их действительная роль в патогенеза в большинстве случаев остается плохо понятной и спорной. Однако, в некоторых взаимодействиях растение-гриб, генетические и биохимические исследования показали, что токсины являются детерминантами специфичности гриба. В этих случаях, устойчивость или восприимчивость к грибу всегда высоко коррелирует с нечувствительностью или чувствительностью к токсину. Эти специфические для хозяина токсины продуцируются в основном грибами родов Alternaria и Cochliobolus.

Специфические фитотоксины.

Специфические токсины по отношению к чувствительным сортам и линиям растений активны при концентрациях в пределах от ~10 pM до 1 μM, и их степени специфики (селективности для хозяина) находятся в диапазоне от 100-кратной до >10⁶-кратной. Несмотря на их название, не все токсины токсичны при всех условиях. HC-токсин, например, не только не убивает неделящиеся протопласты мезофилла листа, но фактически способствует их выживанию.

T-токсин

T-токсин производится изолятами расы T C. heterostrophus. Раса T C. heterostrophus очень вирулентная для линий кукурузы, обладающих цитоплазматической мужской стерильностью техасского типа (Tcms). Раса 0 C. heterostrophus, которая не производит T-токсин, является второстепенным патогеном кукурузы независимо от цитоплазмы. Исследование относительно C. heterostrophus раса T и ее токсина стимулировались эпидемией Южного гельминтоспориоза кукурузы в 1970, случаем, который сосредоточил внимание на генетической уязвимости главных хлебных злаков. Эта эпидемия произошла из-за все более и более широкого распространения использования Tcms, экономичной альтернативы ручного удаления метелок в производстве гибридов кукурузы в течение 1960-ых. К 1970, большинство гибридных семян, выращенных в Соединенных Штатах, имело Tcms, и в том же году погодные условия были благоприятны для развития Южного гельминтоспориоза кукурузы.

T-токсин активен при ~10 nM у Tcms кукурузы и при ~10 μM у кукурузы с нормальной цитоплазмой. Чувствительны к токсину митохондрии растений. Основа чувствительности к T-токсину – перегруппировка митохондриального генома Tcms растений, которая приводит к синтезу химерного белка URF13, локализованного во внутренней митохондриальной мембране. Физические и биохимические исследования указывают, что URF13 формирует олигомерные поры в мембранах митохондрий в присутствии T-токсина.

Викторин

Викторин был одним из первых обнаруженных HST; он имеет высокую токсичность (эффект был зарегистрирован при 10 pM). C. victoriae (причина увядания овса Виктория) отрицательно воздействовал на экономику Соединенных Штатов в течение 1930-ых, вызывая главные эпидемии овса. Происхождение эпидемии увядания Виктории связано с модификацией генома овса. В 1930-ых, серьезной болезнью овса была корончатая ржавчина, вызванная Puccinia coronata. Обнаруженный в Уругвае ген Pc-2 обеспечивает хорошую устойчивость к P. coronata, и он был внедрен в основные сорта овса в Соединенных Штатах, в первую очередь сорт Виктория. Вскоре появилось ранее неизвестное увядание, которое специфически поражало сорта овса с геном Pc-2. Ген, который обеспечивает восприимчивость к C. victoriae, названный Hv-7 или Vb, является или тем же самым геном, что и Pc-2, или очень сильно связанным.

Как это ни парадоксально, несмотря на длительное изучение, точный механизм действия викторина остается неизвестным. Предполагается, что он связывается с одной из субъединиц декарбоксилазы глицина (GD) – сложного фермента с 42 субъединицами четырех типов. Фермент локализован в митохондриях и играет центральную роль в цикле фотодыхания. Викторин специфически ингибирует GD в растительных тканях, но он не оказывает никакого эффекта на GD в выделенных, неповрежденных митохондриях, из-за отсутствия поглощения. В интактных тканях, викторин накапливается в митохондриях чувствительных клеток, но не в митохондриях устойчивых клеток. Возможно, продукт гена Hv-7 может контролировать поглощение митохондриями или метаболизм викторина.

HC-токсин

Восприимчивость к C. carbonum раса 1 и чувствительность к его токсину, HC-токсину, контролируется двумя генами кукурузы, Hm1 и Hm2. Устойчивая кукуруза имеет ферментативную активность редуктазы HC-токсина, которая детоксифицирует HC-токсин. Эта ферментативная активность также присутствует в экстрактах других трав (овес, пшеница, и ячмень), но не обнаружима в экстрактах нескольких двудольных растений. Основа нечувствительности двудольных к HC-токсину не известна.

HC-токсин ингибирует рост корня кукурузы, но не токсичен для клеток. Он имеет цитостатическую, но не цитотоксическую активность по отношению к клеткам млекопитающих. Современное доказательство указывает, что сайт действия HC-токсина – деацетилаза гистонов (HD), фермент, который обратимо деацетилирует внутренние гистоны (H3 и H4), когда они собраны в хроматине. Ацетилирование и деацетилирование внутренних гистонов изменяют индуцибельность и супрессивность некоторых классов генов, но детали того, как это происходит, не выяснены. HC-токсин ингибирует HD кукурузы, вызывая накопление ацетилированных гистонов in vivo.

В настоящее время исследователи пытаются понять, как ингибирование активности HD способствует заражению кукурузы C. carbonum раса 1. Тогда как другие специфические токсины, типа T-токсина и викторина, ингибируют центральные метаболические процессы в чувствительных тканях, приводя к гибели клеток, процесс ацетилирования/деацетилирования гистонов не является в достаточной степени понятым, чтобы можно было предсказать, почему ингибирование HD должно вызвать восприимчивость к болезни. Исследования с использованием дрожжевых гистоновых мутантов и ингибиторов HD указывают, что вмешательство в ацетилирование гистонов не летально для клеток, но нарушает нормальное развитие эмбрионов и нормальное регулирование генов. Одно возможное объяснение действия HC-токсина – то, что он способствует заражению, интерферируя с индукцией генов защиты кукурузы, то есть препятствует индукции защитных реакций растения.

В заключение следует упомянуть, что специфические фитотоксины не являются попросту метаболическими ядами, убивающими клетки растения. Для проявления их токсического действия необходимо активное участие метаболизма клетки хозяина; например, их токсический эффект не проявляется в случае ингибирования синтеза белка в клетки растения. В последнее время накапливается все больше экспериментальных данных, которые свидетельствуют о том, что гибель клеток растения обусловлена внутренними механизмами и представляет собой фактически защитную реакцию растения ­ – реакцию сверхчувствительности. Если это так, то некротрофные патогены ­– продуценты специфических фитотоксинов – фактически индуцирую реакцию устойчивости, эффективную против биотрофных и некротрофных патогенов, и в дальнейшем используют ее результат к собственной выгоде.