Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Иммунобиологические механизмы коадаптации и эволюция паразито-хозяинных отношений растений и нематов

ВАК РФ 03.00.19, Паразитология

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Зиновьева, Светлана Васильевна, Москва

л

- 3 /

^ СлУ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПАРАЗИТОЛОГИИ РАН

3,

а правах рукописи

ЗИНОВЬЕВА Светлана Васильевна

ИММУНОБИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ КОАДАПТАЦИИ И ЭВОЛЮЦИЯ ПАРАЗИТО-ХОЗЯИННЫХ ОТНОШЕНИЙ РАСТЕНИЙ И НЕМАТОД

специальность 03.00.19 - паразитология, гельминтология

на соискание ученой степени доктора биологических наук в форме научного доклада

Москва 1999

Работа выполнена в Институте паразитологии РАН

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, Л.В. Чеснова

доктор биологических наук, профессор Ю.Т. Дьяков

доктор сельскохозяйственных наук, профессор О.З. Метлицкий

учреждение - Московская сельскохозяйственная Академия

РОСеМйъ^ди им.К.А. Тимирязева

ГОС¥Г:\~"~ г;

12210-93

Защита состоится^... ..1999 года в'^.час

на заседании диссертационного совета Д.200.54.01 в Институте паразитологии РАН по адресу: 117071 Москва, Ленинский проспект 33.

С диссертацией в форме научного доклада можно ознакомитться в библиотеке Института паразитологии РАН

Автореферат разослан ..V? мая 1999 года

Ученый секретарь Диссертационного совета, доктор биологических наук

Н.А.Костюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Изучение паразито-хозяинных отношений относится к числу наиболее актуальных и значимых разделов парази-тологической. науки. В зоопаразитологии в рамках этой проблемы все большее внимание уделяется изучению иммунобиологических аспектов взаимоотношений партнеров в паразитарных системах. Становится все более очевидным, что именно это направление исследований способно существенно расширить представление о механизмах коа-даптации и взаиморегуляции партнеров и, тем самым, представить новую фактологическую базу, необходимую для дальнейшей разработки учения о функционировании и эволюции паразитарных систем.

В фитопаразитологии изучению иммунобиологических аспектов паразито-хозяинных взаимоотношений до последнего времени практически не уделялось внимания. В литературе очень мало сведений о природе иммунитета растений при фитогельминтозах, практически нет информации о влиянии иммунных реакций растений на жизнедеятельность паразитических нематод. Очевидно, что отсутствие таких данных о столь обширной и чрезвычайно своеобразной группе патогенов, адаптированных к паразитированию в тканях растений, существенно тормозит дальнейшую разработку целого ряда проблем как фитогельминтологии, так и общей паразитологии. Цель и задачи исследования. Основной целью предпринятого исследования было обнаружение причинно-следственных связей между факторами, определяющими иммунный статус растений и морфо-физиологическими реакциями паразитов-фитонематод на действие этих факторов , а также выяснение адаптационного смысла найденных зависимостей, что должно составить основу для разработки основных представлений о коадаптации и эволюции паразито-хозяинных отношений в системах растения-нематоды.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить роль конституционных ингибиторов в формировании устойчивости растений к паразитическим нематодам: а) зрактеризовать участие системы пероксидаза-полифенолы-чфенолоксидаза и гликозидов во взаимоотношениях растений с лодами; б) охарактеризовать нематостатическую эффективность ■ .ций конституционного иммунитета.

Изучить роль индуцированных фитоалексинов во .соотношениях растений с нематодами: а) охарактеризовать ..лику образования и особенности локализации фитоалексинов ; в тканях инвазированных растений; выявить зависимость ,.-зования ФА от инвазионной нагрузки и видовых и сортовых

свойств растений; оценить нематостатическую эффективность ФА и их роль в регуляции паразито-хозяинных отношений.

3. Изучить влияние фитонематод на обмен стеринов в растениях и оценить влияние фактора трофической неполноценности среды на зараженность растений нематодами.

4. Исследовать действие элиситоров фитопатогенов на развитие взаимоотношений в системе растения-нематоды.

5. Изучить влияние реакций фитоиммунитета на рост, развитие, морфологическую организацию и популяционные характеристики фитопаразитических нематод и оценить регуляторную роль иммунобиологических механизмов в формировании паразитарных систем и фитопаразитологических ситуаций.

Научная новизна. 1. Впервые по единой методической схеме выполнены экспериментальные исследования механизмов регуляции паразито-хозяинных отношений в паразитарных системах нематод и растений. Проведено сравнительное изучение иммунохимических реакций, контролирующих жизнедеятельность нематод, и их морфо-физиологических реакций, регулирующих уровень их патогенного воздействия на растения.

2. Выявлена совокупность реакций конституционного и индуцированного иммунитета, обладающих нематостатической эффективностью и участвующих в регуляции паразито-хозяинных отношений.

3. Показана роль факторов конституционного иммунитета (фенолов, гликозидов, ферментов окислительного метаболизма пероксидазы и полифенолоксидазы) в обеспечении устойчивости растений к нематодам.

4. Установлен факт образования ФА (ришитина, любимина) в тканях исследованных пасленовых растений (томаты, картофель) в ответ на инвазию; способность ФА к ингибированию жизнедеятельности нематод, охарактеризована динамика образования и локализация ФА в тканях зараженных растений, установлена зависимость иммуногенеза от инвазионной нагрузки и сортовой устойчивости растений, а так же диапазон различий регуляторной функции этих защитных реакций в паразито-хозяинных системах, различающихся особенностями коадаптации партнеров.

5. Установлено, что индуцируемое нематодами изменение терпенового метаболизма растений приводит к уменьшению количества и изменению качественного состава стеринов, необходимых для обеспечения нормальной жизнедеятельности паразитов. Показана эффективность фактора трофической неполноценности среды в регуляции паразито-хозяинных отношений.

6. Впервые для системы р астения-паразитические нематоды установлено иммуномодулирующее действие элиситоров фитопатогенов и сигнальных молекул растений, что свидетельствует о регуляторной роли зтих механизмов в развитии паразито-хозяинных отношениях.

7. Разработаны методические основы использования принципа иммунизации растений биогенными индукторами для повышения системной устойчивости растений и борьбы с фитогельминтозами.

8. Охарактеризован масштаб и направленность действий фитоиммунитета на рост, развитие, морфологическую организацию и популяционные характеристики фитонематод различных таксономических и экологических групп и обоснована концепция регуляции паразито-хозяинных отношений фактором иммунитета растений.

Основные положения, выдвигаемые на защиту.

1. Инвазия растений фитогельминтами индуцирует широкий круг биохимических реакций, определяющих иммунный статус растений. Эти реакции имеют существенные различия в зависимости от эволюционно-биологических особенностей конкретных таксонов растений и паразитов-фитогельминтов.

2. Защитные механизмы растений на внедрение нематод включают в себя как вещества прямого антибиотического действия (конституционные и индуцированные), так и соединения, связанные с неполноценностью тканей хозяина в качестве среды для развития и размножения паразитов. Совокупность иммунных реакций растений расценивается как лимитирующий фактор регуляции паразито-хозяинных отношений.

3. Действие растений на нематод осуществляется по принципу "антиметаболизма" : в ответ на инвазию в тканях растений происходят изменения в обмене веществ, направленные на создание антибиотиков, как конституционных ( фенолов, гликоалкалоидов) , так и индуцированных - фитоалексинов; параллельно с образованием антибиотиков происходит снижение питательной ценности растительной ткани в качестве среды для жизнедеятельности нематод (активное уменьшение стеринов и изменение качественного состава).

4. В развитии и регуляции отношений между растениями и нематодами участвуют элиситоры фитопатогенов, обладающие иммуномодулирующей активностью.

5. Для повышения системной устойчивости растений и борьбы с фитогельминтозами возможна иммунизация растений биогенными индукторами.

6. Иммунитет растений является фактором внутривидовой

3

модификационной изменчивости и приводит у этой группы паразитов к трофическому модификационному полиморфизму.

7. Стратегия эволюции паразито-хозяинных отношений в системах растения- паразитические нематоды направлена на расширение спектра биохимических механизмов, используемых для обеспечения устойчивости растений, соответственно с прогрессивным изменением уровня паразитизма фитонематод. Тактикой оптимизации паразито-хозяинных отношений в конкретных паразито-хозяинных системах является селективная интенсификация относительно узкого круга иммунных реакций, адекватных видоспецифическим особенностям данного вида нематод . Эти реакции в конкретной системе направлены не столько на то, чтобы "защитить" растение от паразитов, но, в первую очередь на регуляцию паразито-хозяинных отношений и формирование устойчивых паразитарных систем путем мобилизации модификационного потенциала паразита.

Практическая ценность работы. На основании полученных данных разработан и апробирован новый принцип защиты растений от паразитических нематод, основанный не на уничтожении паразитов, а на иммунизации растений против нематод при помощи индукторов защитных реакций - элиситоров фитопатогенов, защищенный авторским свидетельством (N1589434, 1991 г., совместно с ИНБИ им. А.Н. Баха). ; разработаны способы и методы защиты растений от нематод в защищенном грунте (патенты N 1805851, 1992 г., N 2062578 1996 г.). Выявление иммунных реакций растений и установление биохимических критериев устойчивости растений к фитогельминтам является основанием для их практической реализации в двух основных областях: 1 - в области селекции сельскохозяйственных культур на устойчивость к нематодам (Авторские изобретения N 5689, 1991 г., N 6091, 1993 г.) ; и 2 - оценки действия различных препаратов, способных влиять на устойчивость растений к фитопаразитическим нематодам.

Апробация работы. Материалы диссертации в виде докладов и сообщений были представлены и обсуждались на научных симпозиумах, съездах, конференциях, конгрессах и совещаниях. Основные из них: 23-й, 24-й Международные симпозиумы нематологов ( Гваделупа, США, 1996, Данди, Великобритания 1998), 7-й Международный конгресс по фитопатологии, Эдинбург, 1998), 4-й Международный симпозиум "Гельминты-гельминтозы - среда обитания (Кошице,ЧССР, 1986), Международные совещания нематологов (Санкт-Петербург, 1995, Москва, 1997), 2-й, 3-й Всесоюзные съезды физиологов растений (Минск 1990, Ленинград 1993), Всесоюзные совещания по нематодным болезням сельскохозяйственных культур (Ташкент, 1980, Кишинев, 1984, Рамонь,1987), Всесоюзное совещание "Изменчивость фитопатогенных

4

организмов в связи с селекцией с/х культур" (Рига, 1986), Всесоюзная конференция "Фитонциды. Бактериальные болезни растений" (Львов, 1990), Всесоюзное совещание "Физиолого-биохимические основы иммунитета растений к болезням" ( Уфа, 1989), Всесоюзная конференция "Проблемы создания и применения микробиальных средств защиты растений (Велегож, 1989), 9-я, 10-я, Конференции Украинского общества паразитологов( Львов, 1980, Киев, 1986), 6-е и 7-е Совещания по галловым нематодам (Кишинев, 1976, Душанбе, 1980), Всесоюзные съезды общества гельминтологов ( ВОГ) ( Москва, 1983, 1989, 1991,), Всероссийская конференция " Роль российской гельминтологической школы в развитии паразитологии" (Москва, 1997), Всероссийская конференция "Взаимоотношения паразита и хозяина" (Москва, 1998), а также другие съезды и конференции.

Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 75 работ, включая 3 авторских изобретения и 2 патента.

В основу работы положены материалы 20-и летних экспериментальных исследований взаимотношений растений с паразитическими нематодами.. Работа выполнялась в тесном контакте с сотрудниками Лаборатории индуцированного фитоиммунитета ИНБИ им. А.Н. Баха. Неоценимая консультативная помощь при выполнении исследований была оказана д.б.н., проф. О.Л. Озерецковской.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОБЛЕМЕ

Впервые термин " иммунитет" по отношению к растениям применил в 1892 году И.И.Мечников. В конце XIX века появляются первые теории иммунитета растений, однако, основоположником учения о фитоиммунитете по праву считается Н.И.Вавилов (1935). Он ввел понятия активного и пассивного фитоиммунитета , обосновал генотипическую теорию иммунитета, а также заложил основы концепции сопряженной эволюции паразита и хозяина, впоследствии развитой в работах П.М.Жуковского (1973). Согласно этой концепции паразит и хозяин рассматриваются как равноценные компоненты одной эволюционирующей системы, которые в процессе сопряженной эволюции оказывают друг на друга направляющее давление, в результате чего у растений вырабатываются устойчивые формы со специфическими активными защитными реакциями. Такая эволюционная концепция принята преобладающим большинством фитоиммунологов физиолого-биохимического направления и на ее

основе разработаны гипотезы, связывающие природу устойчивости растений с их активными защитными реакциями . Фитнематология, как относительно молодой раздел фитопаразитологии следует тенденциям, господствующим в изучении взаимоотношений растений с другими группами паразитических организмов, с которыми нематод объединяет приспособленность к обитанию и питанию в живых растительных тканях - ( грибами, бактериями). Первые работы о возможных причинах непоражаемости некоторых растений фитопаразитическими нематодами появились в начале 50-х годов. С тех пор исследователи иммунитета растений к этим паразитам пытаются связать проявление этого феномена с каким-либо определенным специфическим свойством растений: анатомо-морфологическими особенностями тканей растений , количеством ростовых веществ - ауксинов, с наличием или отсутствием определенных аминокислот, сродством белков паразита и хозяина , присутствием в тканях токсических для нематод соединений ( Gof-fart, 1964, Cook, 1974, Bird, 1975, Dropkin, 1976, Webster, 1979, Giebel, 1982, Hassan et al., 1994 и др.).

Проведенный анализ литературы и собственные данные позволили нам разделить все известные факторы, обеспечивающие устойчивость растений к нематодам, на 2 группы: первая - факторы, препятствующие установлению контакта растения с нематодой и вторая -факторы, обеспечивающие устойчивость в том случае, когда нематоды вступают в непосредственные отношения с клетками своего хозяина. Эти факторы, на наш взгляд, могут быть рассмотрены с двух позиций. Во-первых - с позиции фитопатологии - как реакции растений, направленных на то, чтобы сохранить структурную и функциональную целостность организма, нарушаемую паразитом; здесь на первый план будут выступать те реакции, которые обеспечивают выживаемость растений в условиях стресса, в нашем случае - биогенного стресса, вызванного нематодами (это реакции, связанные с интенсификацией общего метаболизма растений; реакции, направленные на восстановление повреждений, вызванные внедрением нематод и передвижением их по тканям растений и т.д.). Во-вторых - с позиции паразитологии - насколько действенны реакции растений в отношении паразита. Здесь на первый план выступают факторы, которые определяют возможность для развития и размножения паразита - фи-тогельминта. Очевидно, что жизнедеятельность паразитических нематод зависит от двух причин - 1 - от наличия и концентрации в зараженных клетках антибиотических веществ, к которым чувствителен данный паразит или его метаболиты; 2 - от наличия в тканях растений необходимых питательных веществ.

Среди ингибиторов могут быть самые различные вещества из различных классов химических соединений (белки, липо-и гликопротеи-

ды, свободные аминокислоты и др.). Большую роль в защите растений от целого ряда патогенов, в том числе и фитонематод, отводят конечному продукту белкового обмена - аммиаку. Известно, что в тканях растений при поражении растений фитогельминтами возрастает количество аммиака У ряда растений обнаружена корреляция между количеством аммиака в тканях и степенью устойчивости к немато? дам. Нематицидные свойства аммиака связаны не только с его токсичностью, но и с его ролью в образовании некрозов, занимающих важное место в системе защитных реакций растений (Зиновьева, 1980). Особое значение в адаптации растений к условиям жизни, в том числе в защите от патогенных организмов отводят вторичным метаболитам (Хаберман, 1985). Среди них выделяют две группы . конституционные ингибиторы, синтез которых н