Структурная организация патогенеза злаков, вызываемого грибной инфекцией

Карпук, Василий Васильевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Структурная организация патогенеза злаков, вызываемого грибной инфекцией
ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Структурная организация патогенеза злаков, вызываемого грибной инфекцией"

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ИНСТИТУТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БОТАНИКИ ИМ. В.Ф. КУПРЕВИЧА

ОД

УДК 581.2:582.24+582.28:632.4

КАРПУК Василий Васильевич

СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПАТОГЕНЕЗА ЗЛАКОВ, ВЫЗВАЕМОГО ГРИБНОЙ ИНФЕКЦИЕЙ

03.00Л2 — физиология растений 03.00.24 — микология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Минск-2000 г.

1 I

Работа выполнена в лаборатории физиологии больного растения Института экспериментальной ботаники им. В.Ф. Купревича НАН Беларуси

Научный консультант - доктор биологических наук Серова З.Я.

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Юрин В.М.

доктор биологических наук Бабицкая В.Г.

доктор биологических наук, профессор Палилова А.Н.

Оппонирующая организация - Центральный ботанический сад НАН Б

Защита диссертации состоится « 26 » декабря 2000 г. в -К ч._

на заседании совета по защите диссертаций Д.01.38.01 в Институте экспериментальной ботаники им. В.Ф. Купревича НАН Беларуси по адресу: 220733 г. Минск, ул. Академическая, 27. Тел.: (017) 284-18-51, факс: (017) 284-18-53.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке им. Я. Коласа HAH Беларуси.

А ^ П

Автореферат разослан 2jL L

Учёный секретарь ^

совета по защите диссертаций м./сл-с^-^f _ И.В. Рогульченко

nQ4<f О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РА1ЮТЫ

Актуальность темы. Фитосанитариая обстановка, складывающаяся в настоящее время в растениеводстве, настолько серьёзна, что часто ставятся под сомнение необходимость продолжения возделывания той или иной культуры. Средства защиты (обработка растении пестицидами или выведение устойчивого сорта) после короткого использования становятся неэффективными /Ваи дер Планк, 1972/. Такая ситуация свидетельствует о несоответствии между стратегией защиты растений, в том числе злаковых, и теорией, обосновавшей её. Разрешение данного противоречия возможно при разработке новых теоретических подходов, которые позволяют создать иную стратегию, учитывающую весь комплекс внутренних и внешних условий, контролирующий жизнедеятельность возделываемых растений. Всё это требует фундаментального исследования разнообразных процессов, связанных с выяснением важнейшей биологической проблемы: совместной эволюции организмов, приведшей к появлению одной из наиболее совершенных форм взаимоотношений - облигатного паразитизма. К сожалению, до сих пор фитопатология рассматривается как исключительно сельскохозяйственная дисциплина с явно выраженной прикладной функцией. Изучение патогенеза как биологического явления, связанного с формированием совместимых отношений между патогенным грибом и растением-хозяином -своеобразного ценоза, каким является инфицированное растение, практически не проводилось, хотя фитоиммуиологи включали в круг исследований выяснение структуры и макромолекулярного состава восприимчивых и устойчивых сортов как критериев для отторжения инфекции /Рубин и др., 1975;НеаЛ, 1982; НеИейкБ,! 982;Дьяков,1983;Метлицкий,1987;Андреев,Плотникова,1989/. Этот методологический подход к выяснению сущности фитопатогенеза сохраняется. Он по-прежнему основывается только на разобщительной функции устойчивости, назначение которой состоит в разрыве взаимоотношений в фитопатосисте-ме и направлено на уничтожение грибного патогена как компонента биоценоза /Робинсон, 1984/. Другие функции болезнеустойчивости, связанные с естественными законами биологической эволюции, к сожалению, не рассматриваются.

В лаборатории физиологии больного растения, благодаря исследованиям, начатым академиком В.Ф. Купревичем /1947а/, развивается фундаментальная идея о связи патогенеза с эволюцией совместно существующих организмов, а следовательно о возможности сопряжения жизненных функций патогена и растения. Эта идея подтверждена данными о механизмах эволюции облигатного паразитизма, объяснивших причины возникновения биотрофности у патогенных грибов и связанной с ней утратой у них автономности, а также с развитием узкой специализации. Естественным продолжением развития данной идеи явилось изучение ответных реакций растения, в том числе и болезнеустойчивости, в сопряжении взаимодействующих организмов в фитопатосистеме. Установлено, что устойчивость является составным функциональным компонентом фитопатогенеза, фнзиолого-биохимической основой которой служит степень вовле-

чения растительной ДНК во взаимодействие с патогеном. Этот же механизм определяет тип специализации и паразитизма у патогенных грибов /Серова и др., 1982,1992;Серова, Спиридонова, 1986;Серова, 1986,1988,1998/.

Среди многообразных аспектов по изучению фитопатогенеза наименее изучена его структурная организация, хотя именно она является воплощением функции в пространстве /Купревич,1947 б/. Структурные взаимоотношения часто в состоянии выявить то, что не может обнаружить функция. Поэтому нам представлялось своевременным выяснить условия формирования структурной основы взаимной адаптации организмов в фитопатогенезе. Такой методологический подход вполне вписывается в новую интеграционную стратегию адаптивного земледелия, базирующейся на экологических принципах/Жученко, 1998/.

Связь работы с научными программами, темами. Работа выполнена в лаборатории физиологии больного растения Института экспериментальной ботаники им. В.Ф. Купревича HAH Беларуси с 1986 по 2000 г. и является частью плановых тем: 1986-1989 гг. № госрегистрации 01860021307; 1990-1993 гг. № госрегистрации 01900013050; 1994-1997 гг. № госрегистрации 1994406; 19982002 гг. № госрегистрации 1998929.

Цель и задачи исследований. Цель работы заключалась в познании структурных закономерностей, определяющих сопряжённое развитие злаковых растений и различающихся типом паразитизма фитопатогенных грибов.

Достижение этой цели осуществлялось посредством решения следующих задач:

- изучения структурных и ультраструктурных особенностей возбудителей стеблевой и листовой ржавчины ржи, мучнистой росы ржи, а также сетчатого гельминтоспориоза ячменя, выявления общности и различий в изменении их клеточных структур в зависимости от типа паразитизма;

- исследования структурно-функциональной основы ответных реакций, возникающих при поражении растений хозяев и нехозяев названными патогенами;

- выявления клеточных и субклеточных механизмов, ответственных за проявление био- или некротрофности в формируемой фитопатосистеме.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования были растения ржи и ячменя, поражённые грибами Puccinia graminis Pers. f.sp. secalis Erikss. et Henn., P.dispersa Erikss. et Herrn., Blumeria graminis (D.C.) Speer f.sp. secalis Marchai и Pyrenophora teres Drechs. - возбудителями ржавчины, мучнистой росы и сетчатого гельминтоспориоза, соответственно. Предметом исследования являлись структурные взаимодействия организмов в фитопатосистемах.

Гипотеза. Обоснована концепция о структурных механизмах интеграционных процессов в фитопатогенезе. У патогенных грибов и растений предполагается существование клеточных механизмов, позволяющих контролировать возникновение относительно равновесной и вместе с тем динамической системы, элементы которой обусловливают особенности взаимоприспособления видов в ходе сопряжённой эволюции.

Научная повита и значимость полученных результатов. Проведено изучение структурной организации патогенеза злаков (ржи и ячменя), вызванного био- и некротрофными грибами, и выявлены новые закономерности, определяющие развитие разных типов паразитизма и ответных реакций.

Впервые научно аргументировано, что дивергенция способов питания патогенов по био- или некротрофному пути начинается с образования общей для всех паразитов морфологической структуры - инфекционного пузырька, различия в проявлении функциональной активности которого вносят своеобразие в развитие конкретного вида трофности. Увеличение числа инфекционных пузырьков, наблюдаемое при переходе облигатных паразитов от эктофитного су-шествования (возбудитель мучнистой росы) к эндофитному (возбудители ржавчины), связано с их тканевой специализацией, соответственно, к эпидермису или мезофиллу.

Новым является развитие представлений об эволюции у патогенов способности поражать растения, проявляющейся в образовании структурных детерминант патогенности (гаусториев), сменяющих химические факторы патогенности (ферменты, токсины). Структурная дифференциация в онтогенезе биогрофов (возбудителей мучнистой росы и ржавчины) связана с возрастанием в облигатных фитопатосистемах роли комплементарных отношений, возникающих при контакте клеточных поверхностей грибов и растений ржи. Напротив, в факультативных патосистемах между поверхностными молекулами клеток некротрофа (возбудителя сетчатого гельминтоспориоза) и растений ячменя преобладают химические взаимодействия.

Продемонстрировано вовлечение эндомембранной системы растительных клеток во взаимодействие с био- и некротрофными патогенными грибами и изменение её под их влиянием, которое отражает специфику образуемых фитопа-тосистем. Установлена определяющая роль структурного состояния мембранных систем инфицированной клетки и процессов цитоза в контролировании специфических преобразований, формирующих, биотрофные отношения между взаимодействующими организмами. Впервые описан механизм, приводящий к инициированию таких отношений, которые определяются нами как аномальный экзоцитоз. Суть его заключается в том, что происходящие под влиянием био-трофов видоизменение и исчезновение диктиосом Гольджи и одновременно пролиферация эндоплазматического ретикулума обусловливают уникальность репарации участков плазмалеммы вокруг гаустория (экстрагаусториальной мембраны) непосредственно за счёт встраивания в неё компонентов мембран ретикулума. Показаны регулирующие функции фосфатазы биотрофного патогена и ионов Са2+ в отмеченной трансформации эндомембранной системы клетки растения-хозяина.

Впервые изучена структурная основа сопрягающей функции болезнеустойчивости в фитопатогенезе, направленная на возникновение биотрофных отношений между организмами. Они формируются в результате локализации процессов экзо- и эндоцитоза в участках контакта грибных и растительных клеток,

нахождении ядер клеток мезофилла в Gi-стадии интерфазы, обеспечивающей максимальную синтетическую и секреторную активность в сторону гиф патогена и наполнение межклеточного пространства рядом ферментов, регулирующих возникновение структурно-функционального гомеостаза - необходимого условия для поддержания жизненных функций обоих организмов фитопатосистемы.

Совокупность сформулированных новых положений позволила обосновать концепцию о механизмах организации интеграционных процессов в фитопато-генезе и выявить их специфику при разных типах паразитизма грибов.

Полученные результаты и развиваемые положения имеют большое научное значение, так как они являются новыми знаниями, вносящими существенный вклад в дальнейшее развитие теории патологического процесса у растений. Новое понимание обнаруженных закономерностей углубляет и расширяет наши представления о природе фитопатогенеза как биологического явления, в котором устойчивость рассматривается в качестве фактора, контролирующего прогрессивную совместную эволюцию авто- и гетеротрофов.

Практическое значение проведенной работы заключается в использовании новых положений при написании учебников о фитопатогенезе, чтении спецкурсов на соответствующих кафедрах высших учебных заведений, а также в использовании их в качестве фундаментальной основы при разработке новой адаптивной стратегии фитозащиты.

Положения, выносимые на защиту:

1. Общность и отличия структуры и у л ырастру ктур ы фитопатогенных фи-бов в связи с дивергенцией у них трофности и эволюцией разных форм паразитических отношений.

2. Особенности изменений мембранных структур инфицированной растительной клетки при установлении между взаимодействующими организмами совместимых и несовместимых отношений.

3. Характеристика условий, приводящих к сопряжению жизненных функций у образующих фитопатосистему организмов и возникновению между ними относительно равновесного состояния.

Личный вклад соискателя. Эксперименты проведены лично автором. Новые теоретические положения разработаны автором самостоятельно.

За обсуждение концептуальных основ диссертации и помощь при её написании приношу глубокую благодарность консультанту главному научному сотруднику, доктору биологических наук З Я. Серовой. Считаю приятным долгом выразить признательность за содействие в проведении исследований заведующему лабораторией доктору биологических наук профессору А.П. Волынцу, сотрудникам лаборатории Д.К. Гесь, Г.М. Подчуфаровой, Н.Г. Волковской - за участие в выполнении некоторых экспериментов. Не менее признателен директору Центрального ботанического сада HAH академику HAH В.Н. Решетникову и сотрудникам М.Н. Масному и Т.И. Фоменко, заведующему лабораторией ИГЦ HAH П.А. Орлову, руководителю Центра электронной микроскопии HAH Б.А. Долгорукову за предоставленную возможность в проведении ряда исследо-

ваний, связанных с использованием электронного микроскопа и каллусных культур. Искренне благодарен также член-корр. РАН профессору Л.Н. Андрееву и профессору Ю.М. Плотниковой, руководителям моей кандидатской диссертации, за привитый мне интерес к познанию структурных взаимоотношений патогена и растения-хозяина, послуживший стимулом для обоснования новых подходов в исследовании явления совместимости и осмысления функций устойчивости при грибном фитопатогенезе.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Г1 республиканской конференции по электронной микроскопии, Минск, 1987; Всесоюзном совещании по иммунитету растений, Уфа, 1988; VI Всесоюзном симпозиуме по ультраструктуре растений, Киев, 1988; Всесоюзной конференции по защите растений и охране природы, Вильнюс, 1989; VI съезде Белорусского ботанического общества, Минск, 1988; IV республиканской конференции по электронной микроскопии, Кишинев, 1990; И Всесоюзной научно-практической конференции по иммунитету растений, Уфа, 1990; III республиканской научно-технической конференции по электронной микроскопии, Минск, 1991; И съезде Всесоюзного общества физиологов растений, Минск, 1992; III съезде Российского общества физиологов растений; Санкт-Петербург, 1993; XII Международной конференции по микологии и лихенологии, Вильнюс, 1993; XII Международном конгрессе по защите растений, Гаага,1993; II съезде Белорусского общества физиологов растений, Минск, 1995; научно-практической конференции, посвященной 25-летию БелНИИЗР, Минск-Прилуки,1996; научной конференции по актуальным проблемам фитовирусологии и защиты растений, Минск, 1997; Международной конференции по проблемам адаптивной интенсификации земледелия, Жодино, 1998; Международной конференции по молекулярной генетике и биотехнологии, Минск, 1998; Международной конференции по современным проблемам микологии, альгологии и фитопатологии, Москва, 1998; Международной конференции по регуляции роста, развития и продуктовности растений, Минск, 1999; на научном семинаре лаборатории фитопатологии университета г. Констанц, Германия, 1999.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 48 работ; 19 статей (6 в научных журналах и 13 в сборниках, в том числе 6 обзорных сообщений объёмом 6,5 печ. листов) и 29 тезисов докладов на международных и республиканских конференциях. Опубликованные материалы составляют 162 страницы в журналах и сборниках (57 без соавт.).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики, шести глав, заключения с кратким анализом полученных результатов и выводов. Работа содержит 198 страниц текста и иллюстрирована свето- и электронно-микроскопическими снимками, графиками, схемами, таблицами (всего 123 рис. и 30 табл.); вся диссертация составляет 410 страниц. Список цитированной литературы включает 660 названий (50 стр., 526 названий на иностранном языке).

Принятые сокращения: ДГ - диктиосомы Гольджи, ИС - инфекционная структура, МГ - межклеточная гифа, МКГ - материнская клетка гаустория, fllv - плазмалемма, РТ- ростковая трубка, ЭГМа - экстрагаусториальный матрикс ЭГМе - экстрагаусториальная мембрана, ЭР - эндоплазматический ретикулум.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

1. Структурно-функциональные эффекты, индуцируемые в процессе развития грибного патогена в растении: обзор литературы

Даётся общая характеристика структурных особенностей возбудителей ржавчины, мучнистой росы, сетчатого гельминтоспориоза и близких к нему патогенных дейтеромицетов. Приводятся данные о структурных изменениях клеток растений, возникающих под влиянием био- и некротрофных грибов. Изучение структурных основ взаимодействия растений и грибных патогенов начиналось первоначально на уровне организма. По мере развития и совершенствования микроскопической техники оно перешло на тканевый, клеточный, субклеточный и молекулярный уровни организации данного процесса, что углубило наши представления на морфогенетическую природу ответных реакций растений, в основном, устойчивых. Однако эти сведения не раскрывают в полной мере структурной организации фитопатогенеза, вызываемого грибами. Тем не менее существование данного феномена предопределено процессами взаимодействия и ассоциации организмов, что является одним из наиболее характерных свойств живого. Эти представления легли в основу для обоснования рабочей гипотезы о структурных механизмах интеграции разнородных видов в фитопа-тосистемы и возникновения между ними адаптационных взаимоотношений.

2. Объекты il методы исследований

Объектами исследований являлись злаковые растения: рожь, ячмень, пшеница, а также фитопатогенные грибы: возбудители стеблевой ржавчины ржи Puccinia graminis Pers. f.sp. secalis Erikss. et Henn., стеблевой ржавчины пшеницы P. graminis Pers. f.sp. tritici Erikss. et Henn., листовой ржавчины ржи P.dispersa Erikss. et Henn., мучнистой росы ржи Blumeria graminis (D.C.) Speer f.sp. secalis Marchai и сетчатого гельминтоспориоза ячменя Pyrenophora (анаморфа Dre-chslera Ito) teres Drechs. В исследованиях были использованы сорта ржи, ячменя и пшеницы, проявляющие неодинаковую устойчивость к определенным расам или местным популяциям названных патогенов, а также являющиеся по отношению к ним растениями-нехозяевами. При таком разнообразии сочетаний растение-патоген мы смогли рассмотреть особенности структурной организации экто- и эндофитного образа жизни паразитов, их специализации к разным тканям (эпидермальной и мезофильной), морфологических преобразований в проявлении патогенности, дивергенции по био- или некротрофному пути и, наконец, проявлений функции болезнеустойчивости.

В опытах использовали здоровые (контроль) и зараженные уредоснорами или конидиями ткани 5-7-дневных проростков растений, мезофилл и эпидермис листьев, корневые волоски, а также выращиваемые in vitro каллусы. Исследование структурно-функциональных систем инфицированных тканей и клеток проводили с помощью цитологических, физиолого-биохимическических, гистохимических и электронномикроскопических методов. Для электронномикроско-пических и цитохимических исследований использовали материал, зафиксированный глутаровьгм альдегидом и четырехокисью осмия, который затем обезвоживали и заполимеризовывагти в смолу эпон /Juniper е.а., 1970; Гайер, 1974/. Клеточные структуры на ультратонких срезах контрастировали уранилацетатом и цитратом свинца /Remolds, 1963/. В других цитологических и гистохимических исследованиях наряду со свежим применяли материал, фиксированный и окрашенный в смесях определённого состава/Дженсен, 1965; Паушева, 1988/. Подготовка материала зависела от целей и методов конкретного эксперимента.

В растительных и грибных клетках гисто- и штохимически выявляли пек-тиноподобные вещества, каллозу, белки, ядра, митохондрии, вакуоли, лизосо-мы, активности ферментов - АТФазы, кислой фосфатазы, липазы, пероксидазы, сукцинатдегидрогеназы,- по соответствующим методикам и руководствам с использованием светового, флуоресцентного или трансмиссионного электронного микроскопа /Пирс, 1962;Дженсен, 1965;Гайер, 1974/. Были применены три разных способа цитохимической локализации Ca2* : Карассо и Фаварда, Комни-ка /Гайер,!974/ и метод Форбса и соавт. /Мосеев,Романовская, 1985/. Межклеточную промывную жидкость из здоровых и инфицированных листьев для определения в ней активностей ферментов получали по методу /Fink е.а., 1988/. Изучение факторов пагогенности у возбудителя сетчатого гельминтоспориоза ячменя осуществляли посредством определения в культуральной жидкости ферментов: пектиназ /Рухлядьева, Корчагина,!973/, хитиназ /Fink е.а., 1988/, протеиназ - по методу Кунитца /Бнлай,! 982/, фосфатаз /Плешков,1976/, ДНКа-зы /Беннинг,1964/, РНКазы /Безбородом, 1982/, пероксидазы и полифенолокси-дазы /Гавриленко и др.,1975/, а также токсинов (выделение проводили по методу А.М.Зайченко, ИМиВ HAH Украины, токсичность определяли в биотесте с культурой хлореллы /Берестецкий,1982/). Активность ферментов рассчитывали на мг белка, который определяли по Лоури /Hartree, 1972/. Цифровые данные обрабатывали статистически /Рокицкий,1967/.

3. Структурные и ультраструктурные особенности патогенов

Исследование структуры и ультраструктуры. Puccinia graminis f.sp. se-calis и P. dispersa в период экто- и эндофитпого развития. Эктофитная стадия онтогенеза возбудителей стеблевой и листовой ржавчины ржи представлена РТ, растущими перпендикулярно антиклинальным стенкам эпидермиса, и ИС: ап-прессорием, расположенным над устьицем, инфекционным выростом, направленным в устьичную щель, подустьичпым пузырьком и отходящими от него

инфекционными гифами. Эндофитная стадия развития ржавчинных грибов включает МКГ, образующуюся при контакте кончика инфекционной гифы с ме-зофильной клеткой, и гаусторий, формирующийся внутри этой клетки после проникновения в неё тонкого инфекционного выроста МКГ. Боковые выросты первых инфекционных гиф дают начало МГ, проникающим в полости между клетками мезофилла и образующим также МКГ и гаустории (рис. 1 а). Септа образуется только в инфекционном выросте между аппрессорием и подустьич-ным вздутием, но не развивается в шейке между МКГ и гаусторием. Следовательно, процесс инфицирования ржи осуществляется посредством ИС, каждая из которых характеризуется особыми морфологическими и физиологическими свойствами и тканевой специализацией.

Нами показано, что 10-50% из общего числа образуемых РТ аппрессориев формируются над антиклинальными стенками эпидермиса и не проникают в лист ржи. При росте РТ на листе ячменя (растении-нехозяине) это количество возрастает до 96%. Сравнение особенностей роста РТ на водном агаре и поверхности листьев растений-хозяев и нехозяев позволило нам показать, что зигзагообразный рост РТ, в отличие от прямолинейного, возникает в результате избирательной адгезии кончика РТ к гидрофобной поверхности эпидермиса и является предпосылкой для направленного роста РТ к устьицам на поверхности листа ржи и аппрессориеобразования.

Стенка РТ и аппрессориев двухслойная с низкой электронной плотностью. В некоторых участках РТ присутствует слизистый чехол, способствующий их адгезии. В стенке подустьичного пузырька, инфекционных и межклеточных гиф появляются дополнительные слои. Ядра располагаются вблизи кончика РТ, в местах развития аппрессория или боковых отростков, что указывает на связь деления ядер дикариона с контактным стимулом. В цитоплазме РТ и ИС присутствуют многочисленные мелкие лнзосомы с фосфатазной активностью, а также пероксидаза, ß-1,3-глгоканы. Все эти соединения участвуют в развитии взаимоотношений ржавчинных грибов с клетками ржи.

Стенки МГ возбудителей стеблевой и листовой ржавчины содержат в основном два слоя: внутренний - среднеплотный, наружный - более светлый. Однако стенки и их внутренний слой у возбудителя листовой ржавчины темнее, чем у возбудителя стеблевой. В старых МГ количество слоев может увеличиваться до пяти. При формировании псевдопаренхимы между контактирующими МГ появляется тёмный слой с рыхло-фибриллярной структурой. Иногда фибриллы отмечаются при контакте МГ с мсзофильнымн стенками.

Появление МКГ и гаустория - результат процессов адгезии гриба с мезо-фильной клеткой. Шейка проникающего гаустория плотно соединяется с растительной ПМ. Стенка тела гаустория возбудителей ржавчины однослойная сред-неплотная, от неё к ЭГМе отходят тонкие фибриллы. По мере старения гаусто-риев количество фибрилл в ЭГМа снижается и в гаусториальной стенке развивается второй внутренний слой: светлый у P. graminis и тёмный у Р. dispersa.

Появляющиеся у поверхности гаустория и инвагинируемые в вакуоль плаз-

Рис. 1. Дифференциация инфекционных структур возбудителями ржавчины (а), мучнистой росы (б) и сетчатого тельминтоспориоза (в). А - аппрессорий, Г - гаусторий, ПВ - подустьичяый везикул, ИП - инфекционный пузырёк, В - вакуоль, КФ - кислая фосфатаза, М - мезофилл, Э - эпидермис.

усл. ед./ мг (мл) белка пектиназа

600

протеинам пероксидаза РНКаза ДНКаза

ПН ГЙ 13 i5 17 19 21 ¿3 25 27"'Возраст гриба Рис. 2. Активность ферментов пектиназы, протеиназы, пероксидазы, РНКазы и ДНКазы в культур альной жидкости гриба Pyrenophora teres

малеммасомы, отсутствующие в других клетках гриба, свидетельствуют об активном поглощении растительных метаболитов из ЭГМа. Расположенные по периферии гаустория митохондрии с длинными кристами обеспечивают энергетические потребности, связанные с поступлением и метаболизакией этих веществ. Ядра МГ, МКГ и гаусториев Р. graminis f.sp. secalis и Р. dispersa подобны, содержат эухроматин и уменьшающиеся в размерах ядрышки. Рибосомы в цитоплазме располагаются свободно, короткие тяжи гранулярного ЭР выявляются в основном около ядра. ДГ в цитоплазме ржавчинных грибов не обнаружены. Это указывает на синтез данными патогенами, главным образом, внутриклеточных, а не экстрацеллюлярных белков.

Цепочки гладкого ЭР простираются в МГ и МКГ к месту прикрепления их к растительным клеткам и далее к кончику гаустория. В участках адгезии МГ к клеткам мезофилла цистерны гладкого ЭР и ломасомы трансформируются в мультивезикулярные тела и вакуоли. Последние превращаются в структурный коридор для веществ, перемещающихся от поверхности МГ в цитоплазму.

Лизосомальная активность в разных клетках и клеточных структурах гриба неодинакова. Повышенная лизосомальная активность выявляется в цитоплазме клеток гриба в местах утилизации эндогенных (РТ, аппрессорий, подустьичный пузырёк) и экзогенных веществ (гаусторий). В МГ активность кислой фосфата-зы низкая в цитоплазме, но высокая на стенках вокруг участка контакта с мезо-фильными клетками. В гаусториальной шейке, контактирующей с ЭГМе, фос-фатазная активность очень слаба, но чрезвычайно сильна на поверхности гау-сториальных тел, от которых ЭГМе отступает на ширину ЭГМа. Секретируемая грибом в виде мелких (диаметром около 30-50 нм) везикул кислая фосфатаза и другие лизосомальные ферменты гидролизуют соответствующие субстраты в ЭГМа и на ЭГМе, и продукты расщепления вместе с энзимами немедленно поглощаются гаусторием. Процесс распада поглощённых веществ продолжается внутри гаустория на плазмалемасомах и в мультивезикулярных телах, где также выявляется фосфатазная активность. Таким образом, экзоцитоз у ржавчинных грибов сопряжён с эндоцитозом.

Возбудители стеблевой и листовой ржавчины ржи, как и специализированные формы стеблевой ржавчины, существенных различий по тонкой структуре гиф и гаусториев не обнаруживают.

Структурные особенности Blumeria graminis f.sp. secalis. Короткая первичная РТ появляется через 1,5-2 ч после прорастания конидии, а через 3—4 ч -более длинная вторичная (рис. 1 б), Её апикальный конец плавно расширяется и превращается в аппрессорий. Из аппрессория через 10-12 ч вырастает инфекционный шип, проникающий через стенку клетки эпидермиса и расширяющийся в грушевидный гаусторий. Гаусторий, имеющий септу в шейке, вытянутое вдоль эпидермальной клетки тело и отходящие от него в противоположные стороны пальцевидные выросты, образуется обычно через 12-24 ч. Около аппрессория на РТ возникает боковой вырост, из которого развивается гифа и второй

анпрессорий, третий и так далее, формируя сеть эктофитных гиф.

Стенки гиф, аппрессориев и гаусториев В. grantinis f.sp. secalis среднеплот-ные и содержат два слоя. Фибриллы внешнего разрыхлённого слоя стенки гаустория проникают в прозрачное вещество ЭГМа, достигают поверхности ЭГМе и связываются с ней. ПМ в эктофитных гифах находится около стенки, в гаусториях она образует ломасомы, глубокие изгибы, завитки в виде плазмалемма-сом, что говорит об интенсивном всасывании веществ из ЭГМа.

Вакуоли в телах гаусториев появляются как мулътивезикулярные тела, затем укрупняются и содержат в светлом тонкофибриллярном веществе остатки мембран, включения. В цитоплазме РТ, аппрессориев и гаусториев обнаруживается активность кислой фосфатазы, особенно значительная в пальцевидных выростах гаусториев. Вероятно, значительная часть синтезируемых в цитоплазме гаусториев ферментов направляется на гидролиз экзогенных и эндогенных веществ, который протекает внутри грибных вакуолей.

В гаусториях выявляются фосфатазная и АТФазная активности, отсутствующие на ЭГМе. Митохондрии сосредоточены в основном в пальцевидных выростах гаустория, тогда как их плотность в эпидермальных клетках ржи низкая. Это свидетельствует о преобладании дыхательной активности в гаусториях патогена над интенсивностью её в поражённых клетках растения-хозяина.

Структурно-функциональные особенности Pyrenophora teres. Аппрес-сории формируются кончиками РТ прямо над стенками клеток эпидермиса, а через 24 ч после заражения листьев обнаруживаются различные стадии проникновения гриба в эти клетки: от инфекционного шипа, расширяющегося в пузырёк, до вырастания из него инфекционных гиф (рис. 1 в). Через 48 ч после заражения почти весь объем клетки эпидермиса, в которую произошло проникновение гриба, занимают гифы, внедряющиеся в соседние эпидермальные клетки и в мезофилл. Через 3-4 суток сеть МГ в межклеточном пространстве мезофилла в центре возникающего некротического пятна становится заметной под микроскопом. Скорость распространения мицелия в тканях устойчивого сорта ячменя и растений-нехозяев (пшеницы и ржи) примерно в 1,5 раза меньше.

Ультраструктура гиф, развиваемых P. teres in vitro и в тканях ячменя, аналогична. Стенка гиф двухслойная, её внешний более тёмный слой часто разрыхляется. ПМ плотно прилегает к стенке. Цитоплазма заполнена густо расположенными рибосомами, гладким ЭР, цистерны которого размещаются около ломасом. В цитоплазме среди рибосом, на тяжах гранулярного ЭР, в ломасомах и мультивезикулярных телах, в везикулах рядом с плазмалеммой или тонопла-стом выявляются тёмные мелкие (10—35 нм) гранулы, более крупные гранулы обнаруживаются в пристеночном слизистом слое вокруг гиф. По-видимому, электронно-плотное вещество секретируется гифами в экстрацеллюлярные слизистые выделения и из них - в жидкую среду. В агаровую среду тёмные гранулы проникают хуже, сохраняя связь с разрыхленным слоем стенки гриба. Из t&-рнплазматического пространства они через ломасомы и мультивезикулярнйе

тела попадают в вакуоли и там исчезают. Вместе с тем, цитоплазма гиф, продуцирующих. это вещество и развивающихся в межклетниках мезофилла, выглядит более тёмной, чем у гиф, растущих на питательной среде. Возможно, условия жизни гриба в листовых тканях ячменя лучше стимулируют выработку тёмных гранул, чем искусственная питательная среда. Добавление в культу-ральную среду а-томатина вызывает в клетках мицелия потерю электронной плотности стенки, ПМ и других мембран, нарушение секреции гранул.

Основными зонами образования их являются вакуолизируюшиеся части гиф, тогда как в ювенильных участках гиф, расположенных ближе к верхушке, в цитоплазме и пристеночных выделениях электронно-плотные гранулы отсутствуют. Следовательно, способность к выработке экстрацеллюлярных тёмных гранул, предположительно являющихся ферментами или токсинами, увеличивается при продвижении от апикального к базальному отрезку гифы и усиливается с возрастом мицелия.

Состав экстрацеллюлярного аппарата P. teres включает ферменты и токсины. Уже через 1-2 дня после помещения патогена в жидкую культуральную среду он выделяет в неё пектиназы, протеазы и пероксидазу, а спустя 4-5 суток - нуклеазы (рис. 2). Процесс секреции пектииаз и нуклеаз носит этапный характер, тогда как для протеаз и пероксидазы — непрерывный, в течение всего периода культивирования гриба.

Изучение способности компонентов белковой фракции культуральной жидкости P. teres воспроизводить симптомы сетчатого гельминтоспориоза на листьях ячменя показало, что протеазы и пероксидаза являются факторами патоген-ности, тогда как пектиназы и нуклеазы обеспечивают условия для их действия.

К детерминантам патогенности относится также выделенный из культуральной жидкости суммарный препарат токсинов, индуцирующий в концентрации 0,01-0,0001% появление на листьях ячменя типичных симптомов гедьминтоспориоза на второй день после нанесения на них капель препарата. Обнаружено, что эфирно-гексановая фракция этого препарата более токсична, чем хлороформно-ацетоновая или хлороформная.

Благодаря факторам патогенности гриб преодолевает защитные барьеры ячменя и вызывает инфекционный процесс в его клетках и тканях.

4. Ультраструктура тканей растений-хозяев и нехозяев при поражении листовой и стеблевой ржавчиной

Ультрасгруктурные изменения тканей хозяина возникают очень рано, ещё в период роста возбудителей листовой и стеблевой ржавчины на поверхности эпидермиса. По общепринятым представлениям патогены в этот период веД^ независимый от растения образ жизни. Однако, как показали наши данные, автономность существования патогенов на внешней поверхности эпидермиса, а также на поверхности мезофилла, в разной степени сопряжена со структурными изменениями клеток этих тканей, которые в основном однотипны. Они выра-

жаются п небольшом разрыхлении стенок растительных клеток в местах контакта с патогеном, миграции к этим участкам ядер, увеличению в них доли эу-хроматина, локальном вогнутом плазмолизе и появлению на ПМ мелких инвагинаций. На ПМ в участках контакта обнаружены окаймлённые ямки, составляющие иногда 10% от всех инвагинаций, а в цитоплазме - окаймлённые и гладкие пузырьки, мультивезикулярные тела и вакуоли, ДГ, тяжи ЭР, теряющие рибосомы и связанные с выростами ядерной мембраны, митохондрии с расширенными кристами. Эти изменения наблюдаются уже в эпидермальных клетках при контакте с РТ, аппрессориями и подустьичными вздутиями, а затем в ме-зофильных клетках при взаимодействии с МГ и МКГ ржавчинных грибов (рис. 3 а). Следовательно, уже в догаусториальный период развития ржавчинного гриба, характеризующийся трофической независимостью его от хозяина, между этими организмами имеет место взаимодействие, основанное на комплементарно-пространственных отношениях, определяющих образование ИС. Растение посредством структурных и химических особенностей поверхностей своих клеток оказывает на гриб влияние, благодаря которому его развитие происходит либо по пути дифференциации ИС и фитопатогенеза, либо по пути ингибирова-ния данного процесса и гибели грибных гиф.

Утрата относительной автономности, связанная с переходом P.dispersa и Р. graminis f.sp. secalis к питанию исключительно за счёт метаболитов ржи, обусловлена развитием гаустория внутри мезофилыюй клетки (рис. 3 б). Его образование начинается с появления в клеточной стенке в центре участка адгезии отверстия диаметром 15-20 мкм, через которое вырост МКГ проникает в пери-плазматическое пространство. В нём появляются отложения аморфного вещества, наиболее выраженные в центральной части линзовидной папиллы.

В цитоплазме поражённых гаусториями Р. dispersa и Р. graminis f.sp. secalis мезофильных клеток ржи исчезают рибосомы и она становится электронно-прозрачной, ЭР - агранулярным и его цистерны расширяются и фрагментиру-ются на пузырьки вакуолярного типа, наблюдаются деструктивные изменения в хлоропластах и митохондриях. Гаусторий ржавчинного патогена входит глубоко в центральную вакуоль, так что от вакуолярного содержимого его иногда отделяют лишь две мембраны: ЭГМе и тонопласт. Вакуолизация цитоплазмы поражённой клетки хозяина и проникновение гаустория в центральную вакуоль указывают на индуцирование в цитоплазме автолитических процессов и использование вакуолярного содержимого ржавчинным грибом для питания.

Существенные изменения претерпевает ПМ, особенно та её часть, которая соприкасается с поверхностью формирующегося гаустория и называется ЭГМе. Очень плотное присоединение ПМ к шейке гаустория препятствует её растяжению, вследствие чего ЭГМе вокруг гаусториального тела формируется в основном за счёт новообразования. ДГ, обеспечивающие биогенез ПМ в здоровых клетках растения, около ЭГМе, как правило, отсутствуют, но к ЭГМе по всей её поверхности вплотную прилегают мембраны агранулярного ЭР и вместе с ней проникают в образуемые ЭГМе узкие эвагинации в ЭГМа. Это указывает на

Рис.3 Ультраструктура клеток мезофилла ржи, поражённых Р.&зрегеа и Р. ^гапипГз 5еса&: а) при контакте с межклеточными гифами; б) после проникновения гаусториев, в) в устойчивой кои&инацни.

возможность формирования ЭГМс непосредственно из мембранных фрагментов ЭР. Поскольку вместе с поглощаемыми из растительной цитоплазмы веществами гриб всасывает и эвагинации ЭГМе, то такое аномальное восстановление мембранного барьера вокруг гаустория за счёт участия в этом процессе мембранных компонентов ЭР имеет перманентный характер. Полученные нами данные подтверждают выводы других исследователей о существенных структурно-функциональных отличиях ЭГМе от остальной ПМ.

С возрастом гаустория число эвагинации ЭГМе в ЭГМа снижается и увеличивается число и глубина инвагинаций этой мембраны в цитоплазму, около неё появляются мембранные везикулы с тёмным веществом и ДГ. Меняется и структура ЭГМа: в образующем его электронно-прозрачном веществе появляются плотные гранулы, отлагающиеся на поверхности гаустория, а число тонких тёмных фибрилл, соединяющих стенку гаустория с ЭГМе, уменьшается.

Структурными проявлениями устойчивой реакции к возбудителям стеблевой и листовой ржавчины, изученной нами на примере ржи Державина, изоген-ных линий и растений-нехозяев (пшеницы и ячменя) является, прежде всего, слабый контакт между МГ и клетками мезофилла, появление широкого пери-плазматического пространства в этих участках клеток и разрывов на ПМ и то-нопласте (рис. 3 в). В результате формирование МКГ и гаусториев нарушается, МГ сильно вакуолизируются и распространяются в пределах 2-3 мезофильных клеток от развившегося подустьичного пузырька. Прикреплению МГ препятствует также быстрое образование в цитоплазме мезофильных клеток и выделение в межклеточное пространство электронно-плотных гранул, отлагающихся на стенках гиф вблизи ломасом.

В устойчивых и нехозяинных растениях образуются немногочисленные или единичные гаустории ржавчинных грибов, которые имеют мелкие размеры и почти не проникают из цитоплазмы в центральную вакуоль. Эти гаустории характеризуются также быстрым коллапсом, наличием в ЭГМа комков тёмного вещества, осаждающегося на поверхности гаустория, ровной ЭГМе, слабым развитием ЭР около неё, появлением на тонопласте и на ЭГМе разрывов.

Следовательно, при взаимодействии мезофильных клеток с ржавчинными грибами в догаусториальный и гаусториальный периоды активируются две наследственно обусловленные программы защиты. Первая - это программа сверхчувствительности или индуцированного самоубийства, связанная с нарушением целостности ПМ и тонопласта. Если в период контакта с МГ эта программа не включается, то реализуется вторая - программа изоляции клеточной протоплазмы от воздействия МКГ и проникающего гаустория гриба, что достигается восстановлением нарушенной ПМ, отложением в периплазматическое пространство папилл и замуровыванием гаустория в ЭГМа, а также с помощью экзоцитоза электронно-плотных продуктов, обладающих фунгистатическими свойствами.

В восприимчивом растении-хозяине ржавчинный гриб подавляет включение первой программы защиты - сверхчувствительного некроза, а также видоизменяет и использует для биотрофного паразитизма осуществление клетками

1С.

растения второй защитной программы - экзоцитоза и воссоздания пограничной мембраны. В этом проявляется эволюционная адаптация ржавчинных грибов к облигатному фитопаразитизму.

5. Структурно-функциональное взаимодействие возбудителей мучнистой росы ржи и сетчатого гелъминтоспориоза ячменя с растениями, различающимися степенью устойчивости

Структурное взаимодействие в системе рожь ~ В. graminis 5еся/и. Возбудитель мучнистой росы, приуроченный в своём развитии к эпидермальной ткани, вызывает в ней структурные изменения клеточных стенок, в которых после гистохимических реакций на каллозу и белок вокруг точек контакта с первичными РТ и аппрессориями выявляются окрашенные ореолы, а также линзо-видные папиллы между стенкой и ПМ. Гало представляют собой изменения состава стенки клетки, а папиллы - отложения веществ в периплазматическое пространство. После развития гаусториев гало перестают выявляться. Папиллы могут задержать развитие инфекционных выростов гриба, но полностью предотвратить их трансформацию в гаустории они не способны.

Наружная стенка эпидермиса а местах прикрепления патогена содержит плотные включения, а ПМ - мелкие инвагинации с тёмным веществом, благодаря которому снижается чёткость структуры ПМ. Цитоплазма вначале не проявляет резких изменений ультраструктуры и содержит отдельные тяжи ЭР с редкими рибосомами, митохондрии со светлым матриксом и расширенными кристами, ДГ, около которых располагаются пузырьки с плотным содержимым, мульгивезикулярные тела. Проникновение в эпидермальную клетку аплрессо-риального выроста сопровождается массовым скоплением около него небольших вакуолей и цистерн гладкого ЭР, вследствие чего цитоплазма приобретает пенистую структуру, тогда как ДГ исчезают.

Гаусторий в эпидермальной клетке (рис. 4 а) окружён ЭГМе: более толстой, чем ПМ, и с асимметричностью образующих её слоев. Внешний тёмный слой ЭГМе покрыт тонким аморфным осадком, что объясняется присоединением к ней тонких фибрилл от разрыхлённой поверхности стенки гаустория, и потому шире, чем внутренний тёмный мембранный слой, обращенный к цитоплазме. Внутри прозрачного ЭГМа инвагинаций ЭГМе практически нет.

Ровная ЭГМе находится непосредственно около волнистой вакуолярной мембраны или отделяется от неё только узким слоем прозрачной цитоплазмы. Это объясняется, вероятно, необходимостью максимального приближения гаустория паразита к источнику питательных веществ, каким в эпидермальных клетках является центральная вакуоль, где заключены основные запасы органических и минеральных веществ и воды. У относительно устойчивого к мучнистой росе сорта ржи Беловежская слой цитоплазмы вокруг гаустория шире, чем у восприимчивого сорта Харьковская 60, и он в какой-то мере препятствует

Рис.4 Ультраструктура эпидермиса и мезофилла при поражении возбудителем мучнистой росы ржи (а) и сетчатого гельминтоспориоза ячменя в восприимчивой (б) и в устойчивой комбинации (в).

свободному оттоку веществ из вакуоли к гаусторию. Вероятно, в цитоплазме устойчивого сорта ржи часть веществ, движущихся из его вакуоли к гаусторию, используется на снижение проницаемости мембран и защиту их от воздействия патогена. В цитоплазме, практически лишённой рибосом, встречаются пузырьки гладкого ЭР и мультивезикулярные тела. Наибольшее число цистерн ЭР и мелких вакуолей выявляется около шейки гаустория; там же отмечаются и складки ЭГМе. Скопления пузырьков и вакуолей вокруг гаусториальной шейки сохраняется, по-видимому, как часть той пенистой цитоплазмы, что образуется перед внедрением гаустория.

Ровный контур ЭГМе у гаусториев В. graininis f.sp. secalis говорит о низкой активности экзоцитоза макромолекул из цитоплазмы хозяина в ЭГМа и о поглощении гаусторием веществ, проходящих в элидермальной клетке через каналы в ЭГМе и тонолласте. Притоку питательных веществ к гаусторию способствуют плазмодесмы, обнаруживаемые в стенке поражённой эпидермальной клетки на границе с мезофильной. В здоровых листьях плазмодесмы обычно выявляются в мезофильных клетках вблизи сосудистых пучков и способствуют оттоку синтезированных в этих клетках углеводов. Наблюдаемые изменения в клетках мезофилла при поражении листьев ржи мучнистой росой говорят о том, что эти клетки вовлекаются в структурно-функциональное взаимодействие с грибным патогеном, несмотря на отсутствие проникновения в них гаусториев.

Следует отметить, что ЭГМе у возбудителей мучнистой росы в эпидермальной клетке ржи по происхождению сходна с аналогичной мембраной у возбудителей листовой и стеблевой ржавчины в мезофильной клетке ржи. В обоих случаях ЭГМе развивается не столько за счёт растяжения ПМ, сколько за счёт образования новой мембраны из встраиваемых в неё мембранных фрагментов ЭР, тогда как участие ДГ в формировании ЭГМе резко снижается.

Структурное взаимодействие ячменя с грибом P. teres. В клетках эпидермиса ячменя в местах прикрепления аппрессориев P. teres, как у ржи при контакте с аппрессориями В. graminis f.sp. secalis, в стенках образуются гало и папиллы, в которых выявляется каллоза и белок, а также отсутствие перокси-дазной активности. Это позволяет думать, что в этих участках эпидермальных стенок она подавляется патогеном.

Однако, инфекционный пузырёк P. teres, в отличие от аналогичного у В. graminis f.sp. secalis, в эпидермальной клетке не становится гаусторием. Он не вступает в комплементарный контакт с ПМ и не индуцирует защитную реакцию в цитоплазме, направленную на поддержание её жизнеспособности, а с появлением отрастающих от него гиф вызывает разрывы ПМ и некроз поражённой клетки (рис. 4 б, в). В клетках устойчивого сорта ячменя Кмен целостность ПМ около инфекционного пузырька патогена сохраняется дольше, чем в клетках восприимчивого сорта ячменя Надя, а в поражённых эпидермальных клетках растения-нехозяина (ржи или пшеницы) вокруг инфекционного пузырька образуется ещё многослойный чехол, через который с трудом прорастают короткие

боковые гифы, или же формируются два инфекционных пузырька, располагающихся друг за другом. Чехол вокруг инфекционного пузырька P. teres в эии-дермапьной клетке устойчивых растений образуется как продолжение папиллы в периплазматическом пространстве под аппрессорием и не аналогичен ЭГМа, формирующемуся в клетке при проникновении в неё гаустория В. graminis f.sp. secalis (рис. 4 а, в).

В соседних клетках мезофилла структурные и ультраструктурные изменения проявляются ещё до вступления их в контакт с МГ P. teres, проникающими в эту ткань из поражённой клетки эпидермиса. В частности, через 3-4 суток после заражения нарушается связь между клетками эпидермиса и мезофилла вследствие разложения пектиназами срединных пластинок, скрепляющих клетки растительных тканей. В это же время отмечается побурение растительных клеточных стенок, обусловленное ферментативным окислением фенолов; хло-ропласты, вместо свойственного им размещения в виде цепи вдоль клеточных стенок, распределяются по всему объему мезофильных клеток и желтеют. Наблюдаемые изменения в клетках указывает на разрушение хлоропластов, вакуоли и всей цитоплазмы. Аналогичная картина наблюдается после нанесения на лист капли культуральной среды P. teres и выделенного из неё токсина. Следовательно, дистанционное действие патогенного гриба на клетки хозяина объясняется проникновением в эти клетки секретируемых грибом соединений.

Под электронным микроскопом в поражённых сетчатым гельминтоспо-риозом участках мезофилла ячменя обнаруживаются разрыхления клеточных стенок и появление в них тёмных аморфных гранул, которые на внутренней стороне стенок накапливаются и образуют сплошной слой, вызывая отступление ПМ, размытость её билипидной структуры, а также оказываются в инвагинациях ПМ и в мембранных пузырьках цитоплазмы (рис. 4 б). В цитоплазме присутствуют микротела с грубозернистым содержимым, мультивезикулярные тела, пузырьки среднего и большого размера, и все они располагаются обычно около ДГ, в которых наблюдаются не только возрастание электронной плотности мембран, сильные расширения краев цистерн, но также вздутия и распадение на везикулы самих цистерн, что приводит к потере характерной для ДГ морфологии и их исчезновению в поражённых клетках. Вблизи ПМ располагаются цистерны ЭР, электронная плотность которых также возрастает. Крупные цитоплазматические везикулы прозрачны и подобны на вакуоли. Внутри некоторых из них и на тонопласте центральной вакуоли наблюдается отложения плотного вещества. Накопление тёмного вещества на вакуолярной мембране совпадает с появлением разрывов на ней и началом автолиза цитоплазмы. Небольшие повреждения ПМ обычно обнаруживаются в клетках с заметными разрывами вакуолярной мембраны.

Основное отличие между устойчивым (Кмен) и восприимчивыми (Надя, Зазерский) сортами ячменя заключается в том, что в клетках устойчивого сорта в начале взаимодействия с патогеном происходит образование широкого пери-плазматического пространства, которое быстро заполняется электронно-серым^.

2(1

аморфным веществом вследствие активной синтетической и секреторной активности растительной протоплазмы (рис. 4 б, в). В мезофильных клетках устойчивого сорта ячменя хлоропласты лучше сохраняют ультраструктуру, чем в клетках восприимчивых сортов, и просветы периферического ретикулума в них располагаются вблизи плазмолизированной ПМ. Это способствует выделению синтезированных в хлоропластах продуктов в состав папилл, которые изолируют растительную протоплазму от диффундирующих к ней тёмных продуктов гриба и, задерживая их внутри образующегося слоя аморфного вещества, сокращают их поступление в цитоплазму и вакуоль. Ослабляя их действие на плазматическую и вакуолярную мембраны, такой барьер предохраняет клегку хозяина от быстрого разрушения изнутри. Кроме того, возникающие папиллярные отложения в периплазматическом пространстве клетки хозяина, даже после начавшегося автолиза цитоплазмы выходящими через разрывы тонопласта ва-куолярными гидролазами, сдерживают проникновение образующихся продуктов распада во внеклеточное пространство, препятствуя таким образом поглощению их МГ патогена и их распространению в мезофилле листа.

Из результатов проведенных цитологических и ультраструктурных исследований следует, что инфицирование листьев ячменя P. teres приводит к мацерации и некротизации растительной ткани вокруг развивающегося патогена, потере ПМ и тонопластом барьерных свойств и гидролизу цитоплазмы. Переход патогена от контактного взаимодействия с клетками хозяина к дистанционному, посредством выделяемых им во внеклеточное пространство токсинов и ферментов, происходит на стадии формирования инфекционного пузырька.

Сравнивая особенности формирования инфекционного пузырька в эпидер-мальных клетках растения-хозяина возбудителями мучнистой росы ржи и сетчатого гельминтоспориоза ячменя, мы пришли к заключению, что его формирование является структурным механизмом, который инициирует разнообразные типы функциональных отношений с клетками растения и, прежде всего, - ведёт к дивергенции способов питания паразитических грибов по био- или некро-трофному пути и, как следствие, - различиям в качественных и количественных особенностях образования и проявления грибами детерминант патогенности.

6. Механизмы патогенеза злаков

Локализация и структура ядер мезофильных клеток ржи в связи с ржавчинной инфекцией. Нахождение ядер хозяина непосредственно возле гау-сториев патогена отражает процесс вовлечении во взаимодействие с ним генома растений ржи, который начинается ещё в предгаусториальную стадию. Таксис ядер к месту контакта с растущими МГ стеблевой и листовой ржавчины происходит у 15-34% мезофильных клеток, причем этот процесс в клетках устойчивой ржи (Державина) в 1,5-2 раза активнее, чем в клетках ржи восприимчивого сорта (Калинка). Перемещение ядер указывает на участие цитоскелета в распознавании клетками мезофилла МГ гриба. Оно означает начало функциональной

поляризации мезофильных клеток, характеризующейся повышением в участках контакта с МГ метаболической и секреторной активности.

В мезофилле ржи, поражённом Р. dispersa, увеличивается число клеток, у которых возрастает диаметр ядер. В результате в клетках повышается отношение ядро/цитоплазма. Степень увеличения этого соотношения в поражённой ткани устойчивой ржи Державина оказывается немного выше (20%), чем в аналогичных клетках восприимчивого сорта Калинка (10%). Однако наблюдаемое увеличение ядерно/плазменного отношения в клетках инфицированного ржавчиной мезофилла ржи не приводит к появлению метафазных ядер. Отмечается слабая окрашиваемость ядер около гаусториев основными красителями и повышенное сродство их к реагентам на РНК - пиронинофилия, что не характерно для мезофильных ядер здорового листа. Содержание ДНК в ядрах мезофильных клеток восприимчивого сорта ржи Харьковская 60 после поражения стеблевой и листовой ржавчиной находится почти на уровне здоровых тканей или даже снижается на 6-26%, но в целом при обеих инфекциях не происходит удвоения количества ДНК. Это говорит о том, что ядра пораженных ржавчиной мезофильных клеток ржи находятся на предсинтетической стадии интерфазы (Gi).

Цитологические исследования здоровых и поражённых стеблевой и листовой ржавчиной тканей ржи позволили выделить три типа внутренней структуры растительных ядер: 1) ядра со слабой компактизацией хроматина и неравномерным его распределением, 2) ядра с большей компактизацией хроматина и сравнительно равномерным его распределением, 3) ядра с сильной компактизацией хроматина и достаточно равномерным его распределением, в результате чего они выглядят тёмными. Ядрышки, как правило, выявляются в ядрах первого и второго типов, в ядрах третьего типа они не обнаружены. Из полученных данных вытекает, что восприимчивость ржи к ржавчине развивается при увеличении объёма ядер со слабой и неравномерно распределённой в них сетью гетеро-хроиатина, тогда как устойчивость связана либо с увеличением объёма ядер и возрастанием сети гетерохроматина, либо - с компактизацией и инактивацией всего хроматина, что характерно для мелких ядер небольших клеток. Появление этих пикнотических ядер — типичная реакция устойчивой ржи Державина на ржавчину, фенотипом которой является быстрая некротизация клеток. По-видимому, в основе неодинаковой поляризации мезофильных клеток, индуцированной контактом с растущими МГ ржавчинных грибов и ведущей к развитию совместимых или несовместимых (т.е. различных форм некроза) отношений с этими патогенами, лежит механизм гетерогенности иптерфазного состояния клеточных ядер.

Локализация кальция в клетках ржи при ржавчинной инфекции. Выявленная нами (табл. 1) локализация свободных и лабильно связанных ионов Са2+ в клеточной стенке, ядерной и митохондриальной мембранах грибов Р. graminis f.sp. secalis и Р. dispersa, а также в срединных пластинках между здоровыми ме-зофильными клетками ржи, в которые проникают МГ ржавчинных грибов, ука-

Таблица I

Цитохимическая локализация Са2+ в клетках мезофилла инфицированной ржавчиной восприимчивой и устойчивой ржи

Клеточные структуры Puccinia graminis fsp. secalis Puccinia dispersa

гриба и растения свобод- лабиль- прочно свобод- лабиль- прочно

ный Ca2' ный Ca*' связан.Са2* ный Ca2* ный Ca2* связан Ca"

МГ и гаустории гриба:

клеточная стенка + + + + + +

ядерная мембрана - +■ + + - - + + -

мембрана митохондрий - + + + - - + + + -

Здоровые мезофиль- Восприимчивой Устойчивой

ные клетки ржи: (сорт Харьковская 60) (Державина)

клеточная стенка + 12 + + '-2 + u + >-2 + 4 + 12

гетерохроматин мембрана митохондрий + + + + ± + + +

ДГ ± + + - + + + -

вакуоль + - ± + - +

Клетки ржи 1 Puccinia

graminis f.sp. secalis:

при контакте с МГ: клеточная стенка + '-2 + + 12-3 + +12 + u + +■ '-2-3 + f +1"2

промежуток ПМ/ЭР ± + ± ± + -

цистерны ЭР + + - + ± -

в гетерохроматине ± - + +

мембрана митохондрий - + + - + + -

ДГ - + - - + + -

вакуоль + + ± ± f +

с гаусториями: промежуток ЭГМе/ЭР +- +- + + + + ±

мембрана митохондрий + + + - + + -

вакуоль - + ± - ± +

Клетки ржи / Puccinia

dispersa:

при контакте с МГ: + ч- '■JJ

клеточная стенка + '-2 + +

промежуток ПМ/ЭР ± + - +

цистерны ЭР ± + - + +

в гетерохроматине мембрана митохондрий + + + +

ДГ + - +

вакуоль 1 + + +

с гаусториями: промежуток ЭГМе/ЭР мембрана митохондрий + +- +- + + + + + + -

вакуоль + - + ±

Примечание: реакция: - - отрицательная; +. ++, +++ - положительная; ± - непостоянная;

1 - в срединной пластинке: ~ - на внутренней стороне:3 - в аморфных наслоениях

зывает на возможность участия этих ионов в механизмах структурно-функционального взаимодействия между клетками патогена и растения.

В клетках ржи в участках их контакта с МГ ржавчинных грибов отмечены более плотные, чем в здоровых клетках, отложения свободных и лабильно связанных ионов Са2+'. на внутренней стороне стенки и откладывающихся на неё аморфных наслоениях, а также в узком пространстве мезофильной цитоплазмы между отступающей от клеточной стенки ПМ и прилегающими к ней цистернами ЭР (табл. 1). Высокие концентрации лабильно связанного Са2+ выявлены в ДГ и наружной мембране митохондрий, хотя накопление Са2+ в аморфных отложениях в периплазматическом пространстве и ДГ более характерно для клеток устойчивой к P. graminis f.sp. secalis и Р. dispersa ржи Державина, чем для клеток восприимчивой к этим грибам ржи сорта Харьковская 60.

После проникновения в мезофильные клетки ржи гаусториев Р. graminis f.sp. secalis и Р. dispersa плотные отложения свободных и лабильно связанных ионов Са2+ обнаруживаются только по поверхности ЭГМе, точнее - в узкой щели между ЭГМе и прилегающими к ней мембранами ЭР или реже митохондрий (табл. I). При этом уровень концентрации ионов Са2+ в этих участках поражённых клеток у устойчивой ржи значительно ниже, чем у восприимчивой.

Плотность фибрилл, соединяющих поверхность гаустория с ЭГМе, после реакции осаждения свободного Са2+ предполагает наличие в них этих ионов и их участие в процессах адгезии компонентов гаусториальной стенки с ЭГМе. Снижение плотности отложений лабильного Са2+, обнаруживаемых между ПМ (ЭГМе) и ЭР, в наружной митохондриальной мембране и других местах, после обработки ультратонких срезов пепсином и раствором ЭДТА указывает на присутствие в этих отложениях Са2+-связывающих белков. Кроме того, осаждения свободного (а также лабильно и прочно связанного) Са2+ выявляются в мезо-фильных клетках среди рибосом и на поверхности вакуоли, в которой эти ионы аккумулируются при повышении их концентрации в цитоплазме.

После контрастирования больных тканей рутениевым красным повышение плотности, указывающее на присутствие веществ с высоким сродством к Са2+, наблюдается в стенках МГ и на внутренней стороне мезофильных клеточных стенок в местах их контакта. В папиллярных отложениях на мезофильные стенки в местах прикрепления МГ, а в устойчивой ржи и в ЭГМа, выявляется также каштоза. Поскольку синтез каллозы на ПМ растения происходит при повышении концентрации ионов Са2+ /Robinson, 1996/, то образование этого вещества в названных местах подтверждает участие Са2+ в развивающихся структурных взаимоотношениях между ржавчинным грибом и растением.

Выявленный нами при заражении ржи Р. graminis f.sp. secalis и Р. dispersa

/-л 2+

характер локализации Ca указывает на его участие в распознавательном процессе, зарождающемся при межклеточном контакте мезофильных клеток с МГ грибов, передаче сигнала на ядро и последующем регулировании формирующихся в растительной клетке ответных реакций.

Лизосомалыю-вакуолярная система злаков при поражении их патогенными грибами. Ультраструктурные и гистохимические данные указывают на участие во взаимодействии хозяин - патоген лизосомапьно-вакуолярной системы. Степень этого участия зависит от типа паразитизма, возникающего в формируемой фитопатосистеме. Так, в случае паразитизма, устанавливающегося в результате поражения ячменя некротрофным патогеном P. teres, отношения их носят временный (факультативный) характер. Во взаимодействие с этим патогеном в какой-то мере вовлекается лизосомы эпидермальной клетки, в которую аппрессории гриба начинают проникновение. Однако после образования инфекционного пузырька функционирование лизосомально-вакуолярной системы прекращается, о чём свидетельствует отсутствие в цитоплазме эпидермальной клетки, а также в прилегающих мезофильных клетках, фосфатазной активности, а у вакуолей - способности окрашиваться нейтральным красным.

Устойчивость к P. teres, свойственная отдельным сортам ячменя (Кмен), а также растениям-нехозяевам (ржи и пшенице), проявляется на фоне соответственно меньшего и большего стимулирования фосфатазной активности в цитоплазме эпидермапьных клеток вокруг формирующегося инфекционного пузырька. В клетках пшеницы, обладающей наибольшей устойчивостью к этому патогену, иногда наблюдается распространение фосфатазной (лизосомальной) активности по всей цитоплазме. Это проявление болезнеустойчивости клетками растения способствует продлению их жизнеспособности и периода функционирования биотрофных отношений между клетками хозяина и патогена.

В случае облигатного паразитизма роль лизосомально-вакуолярной системы в формировании биотрофных отношений, функционирующих в течение всего онтогенеза патогена, возрастает. Это наблюдается, в частности, при инфицировании листьев ржи эктофитным биотрофом В. graminis f.sp. secalis, у которого, в сравнении с грибом P. teres, формирование инфекционного пузырька в эпидермальной клетке хозяина даёт начало не некротрофному периоду взаимоотношений, а переходу его в постоянно действующий орган биотрофного паразитизма- гаусторий.

В отличие от инфекционного пузырька и МГ P. teres, гаусторий В. graminis f.sp. secalis вырабатывает кислую фосфатазу, посредством которой он, вероятно, влияет на лизосомально-вакуолярную систему эпидермальной клетки. Это выражается в начальном скоплении её лизосом у мест прикрепления аппрессориев В. graminis f.sp. secalis, которые исчезают после проникновения гаустория; одновременно снижаются барьерные свойства тонопласта. Однако целостность этой мембраны и жизнеспособность поражённой клетки сохраняется.

Роль лизосомально-вакуолярной системы в фитопатогенезе наиболее существенно проявляется при формировании облигатно-паразитических отношений, развиваемых эндофитными биотрофами ржи - ржавчинными грибами.

В инфицированном P. graminis f.sp. secalis мезофилле восприимчивого сорта ржи Харьковская 60 плотные отложения продукта фосфатазной активности (фосфата свинца) обнаруживаются, прежде всего, на МГ и гаусториях патогена

(табл. 2). Кроме того, высокая активность кислой фосфатазы выявляется на стенках мезофильных клеток за участками их контакта с МГ гриба. В местах присоединения МГ к клеткам мезофилла в их стенках, узком периплазматнче-ском пространстве, а также в располагающихся около него цитоплазматических пузырьках и транс-цистернах ДГ активность кислой фосфатазы ослаблена или отсутствует. По-видимому, при контакте клеток мезофилла ржи с МГ возбудителя ржавчины активность растительной кислой фосфатазы подавляется какими-то выделениями из гиф или же веществами, образующимися в этот период в самих растительных клетках."

Ещё более выраженное подавление лизосомальной активности в цитоплазме восприимчивой ржи наблюдается после проникновения гаусториев Р. graminis f.sp. secalis через стенку мезофильных клеток. Активность кислой фосфатазы не выявляется ни в тяжах ЭР, находящихся около ЭГМе, ни в ядерной мембране, связанной с ЭР, но отмечается внутри ядер над гетерохроматином (табл. 2). По-видимому, подавление проникающими гаусториями ржавчинного гриба лизосомальной активности в мезофильных клетках восприимчивого хозяина взаимосвязано с исчезновением около ЭГМе ДГ, поскольку известно, что в ДГ осуществляются конечные этапы синтеза ферментных белков и их адресная сортировка в клетках /Robinson, Hinz, 1997/.

В поражённом Р. graminis f.sp. secalis мезофилле устойчивой ржи Державина активность кислой фосфатазы на стенках в местах прикрепления МГ слегка понижена, но обнаруживается на соседних участках и в периплазматическом пространстве, куда она выделяется из лизосом (табл. 2). Фосфатазная активность встречается в лизосомах хозяина, располагающихся около ЭГМе и сливающихся с ней, но слабо представлена в оболочке гаусториев. Это свидетельствуют о неполном подавлении ржавчинным патогеном синтеза и секреции ли-зосомальных ферментов у поражённых мезофильных клеток устойчивой ржи и об ингибировании фосфатазной активности у гаустория.

Аналогичный характер в изменении фосфатазной активности, но на более низком уровне, обнаруживается у ржи при поражении Р. dispersa (табл. 2).

Плотность гранул фосфата свинца над гетерохроматином в ядрах устойчивой к Р. graminis f.sp. secalis ржи Державина ниже, чем их плотность в ядрах восприимчивого сорта ржи Харьковская 60. В высокоустойчивой комбинации рожь Державина - Р. dispersa ядра клеток мезофилла содержат конденсированный хроматин с признаками начинающегося расщепления его, однако активность фосфатазы в них отсутствует. Поскольку в синтезе лизосомальных белков клетки участвует ядерный геном, то кислая фосфатаза, возможно, оказывает на геном обратное действие, влияя на гетерохроматиновые участки хромосом, где обычно наблюдается её активность. Полученные данные указывают также на возможность репрессии лизосомальной активности клеток одного из компонентов фитопатосистемы за счёт более высокой активности её у клеток другого.

Наличием лизосомальной активности на поверхности и в цитоплазме мезофильных клеток ржи, свидетельствующем об индукции МГ ржавчинных гри-

Таблица 2

Распределение активности кислой фосфатазы в клетках мезофилла листа восприимчивой (сорт Харьковская 60) и устойчивой ржи (Державина) при поражении Puccinia graminis f. sp. secalis и Р. dispersa

Локализация активности кислой фосфатазы на клеточных структурах У межклеточных гиф гриба, развивающихся в мезофилле ржи В клетках мезофилла поражённой ржи при контакте с гифами возбудителя В мезофилъ-ных клетках здоровой ржи

Puccinia graminis secalis Puccinia dispersa стеблевой ржавчиной листовой ржавчиной

Харьковская 60 Державина Харьковская 60 Державина Харьковская 60 Державина Харьковская 60 Державина

- поверхность стенки вне зоны межклеточ контакта + + + + + + + + + + + + + + + + + + -!-

- поверхность стенки в зоне межклеточ. контакта + + + ± + +

- в цитоплазме в области межклеточного контакта: в транс-ДГ, лизосомах, мультивезикулярных телах ± + + + ± + +

- в ядре ±(гхр) + (гхр) + (гхр) + (гхр) + +(гхр) + (гхр) + (гхр) - + (ям)

- в вакуоли + + + + + + - - - - -

У гаусториев гриба, развивающихся в мезофилле ржи В клетках мезофилла поражённой ржи после внедрения гаусториев

- внешняя поверхность стенки + + +

- внутри стенки + + + + - ±

- внешняя сторона ПМ у гриба, ЭГМе у растения + + + + + +

- в цитоплазме: в транс-ДГ, лизосомах, мультивезикулярных телах + + + + + + - + - +

Примечание: рсактдя: + - положительная (+ + + - сильная; + + - средняя: + - слабая); — отрицательная; + - непо-

стоянная: лэкализадая гктивкости кислой фосфатазы. гхр - по гетерехроматину. ям - в ядерной мембране

бов в автотрофных (снетках мезофилла гетеротрофных свойств, межклеточные отношения в развивающейся фитонатосистеме по своему харакгеру напоминают взаимодействие двух гетеротрофов. В результате этого взаимодействия один из организмов должен погибнуть. Подтверждением этого является сильное торможение роста и отмирание РТ при их развитии на обладающих высокой гетеротрофной активностью каллусной ткани и корневых волосках. В частности, их угнетающее действие на РТ, обусловлено ингибированием грибной фосфатазы, нарушающем процессы роста РТ, начиная с прорастания уредоспор.

В паразитическую стадию взаимодействия грибная фосфатаза интенсивно секретируется в стенку гаустория и в ЭГМа. Воздействуя в ЭГМе на фосфоли-пиды, фермент осуществляет их гидролиз на липиды и фосфат, которые наряду с другими поступающими из цитоплазмы хозяина веществами и осуществившими свою функцию фосфатазами сразу поглощаются гаусторием, о чём свидетельствуют узкие эвагинации этой мембраны в ЭГМа, а также появление в гаустории плазмалеммасом, мультивезикулярных тел и вакуолей. Вследствие действия грибных фосфатаз на ЭГМе нарушается её проницаемость и работа интегрированных в мембрану АТФаз. Это способствует повышению в растительной цитоплазме вблизи ЭГМе концентрации ионов Са2+, благодаря которым становится возможным слияние ЭГМе непосредственно с примыкающими к ней мембранами ЭР, за счёт встраивания которых в эвагинации ЭГМе обеспечивается сохранение структурной целостности последней. Мы условно определили этот процесс как аномальный экзоцитоз.

Непрерывная секреция в стенку гаустория новых порций лизосомальных фосфатаз и локализация Са2+ в узком пространстве между ЭГМе и прилегающими цистернами ЭР создаёт основу для осуществления в течение длительного периода биотрофных структурно-функционального взаимоотношений между гаусторием гриба и протоплазмой клетки растения-хозяина, составляющих суть механизма облигатного паразитизма, присущего возбудителям ржавчины и мучнистой росы.

Ферментативная активность межклеточного пространства листьев ржи при поражении листовой ржавчиной и ячменя сетчатым гельмин-тоспориозом. Обнаруженные в клетках мезофилла инфицированных злаков изменения эндомембранной системы (ЭР, ДГ, активности лизосом), свидетельствующие о структурной перестройке цитоплазмы и поляризации её секреторной активности по отношению к местам прикрепления МГ и МКГ возбудителей ржавчины, являются первой реакцией на начинающееся вторжение гриба. В изменении патогеном в мезофильной клетке структурного механизма экзоцитоза веществ с нормального на аномальный участвуют ионы Са2+ и лизосомальные фосфатазы, под влиянием которых создаются условия для осуществления био-трофного питания гриба. Так как этот процесс является продолжением индуцируемого МГ гриба в ткани растения экзоцитоза веществ в образующееся в участках контакта периплазматическое и межклеточное пространство, нам пред-

ставлялось необходимым выяснить характер изменения активностей в апопла-сте листа фосфатазы, хитиназы, пероксидазы и полифенолоксидазы, играющих важную роль в развитии био- и некротрофных фитопатосистем.

Показано, что активности перечисленных ферментов в межклеточном пространстве мезофилла листьев ржи и ячменя при поражении, соответственно, возбудителями листовой ржавчины и сетчатого гельминтоспориоза меняются. Так, фосфатазная активность в свободном пространстве листьев этих растений возрастает, размер увеличения которой зависит от степени устойчивости сорта (рис. 5 а). Аналогичное повышение отмечено и для активности хитиназы, пероксидазы и полифенолоксидазы (рис. 5 б, в, г).

Однако активирование этих ферментов, каждый из которых считается кардинальным фактором защиты растений от грибной инвазии, не предотвращает процесс гаусториеобразования у биотрофных ржавчинных патогенов. Более того, выделенная из межклетников инфицированных листьев жидкость, содержащая названные ферменты, при помещении на неё РТ Р. dispersa, индуцирует у многих из них не лизис, а морфогенетическую активность и дифференциацию И С. Это указывает на то, что межклеточная жидкость свободного пространства мезофилла листа участвует в интеграции патогенного гриба и растения-хозяина в фитопатосистему. Эту жидкость, по-видимому, можно рассматривать как своеобразный аналог "лимфатической системы", омывающей каждую клетку этого пространства, включая и грибные. Она создаёт для этих клеток условия, поддерживающие постоянство среды, т.е. формирует гомеостаз внутри инфицируемой ткани.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Структурные основы фитопатогенеза исследованы нами с позиций естественно-исторической оценки данного явления, возникающего в результате эволюционного совершенствования взаимоотношений между вступившими в ассоциацию организмами, формирующими своеобразные сообщества - фитопатоси-стемы. Рассмотрев сходство и различия в структурной организации экто- и эн-дофитного образа жизни облигатных паразитов (возбудителей ржавчины и ржавчины ржи), мы смогли выявить причины уникальной специализации данных патогенов к эпидермальной и мезофилъной ткани ржи и оценить роль структурных преобразований в проявлении ими патогенности. Особенности структурных и ультраструктурных изменений клеток ржи и ячменя, происходящих под влиянием облигатных и факультативных (возбудитель сетчатого гельминтоспориоза) паразитов, обусловлены возникновением специфического по своей организации пространства, в котором, помимо названных функций специализации и патогенности, реализуются также паразитизм и устойчивость.

Изучение контактов грибных клеток с растительными тканями показало, что их объединение в фитопатосистему происходит на основе комплементарного взаимодействия поверхностей, инициирующих серию структурных преобра-

2'J

% Калинка Державина A

гп

220 180 140!

100!

I II III I И in

100 2 5 2 5

80 60

Гостинец

Прима Белорусии

а)

% Калинка Державина А

Щ1

340;

28о!

220

160

100 _

I II III I II III

%; Б

130

120

100

в)

2 5

Гостинец Прима Белорусии

%; Калинка Державина 430 г-1 А

.по:

160 100

гэг 1 .и

■7"

Стадии 1 II 111 I II III болезни % Гостинец Прима Белорусии 260' Б

240; 160? mo;

Сутки

_ ш _после

б) 2 5 2 5 заражения

%, Калинка Державина

500:

400^ 300'

200| юо!

Стадии

I II III I II III болезни

100

80! J

2 5

Сутки

после заражения

40. % Б 1гостинец Прима Белорусии

Рис. 5 Изменение активности кислой фосфатазы (а), хитиназы (б), пероксидазы(в) и полифенолокеидазы(г) в межклеточной промывной жидкости листьев ржи при заражении Pucciiiia dispersa (А) и ячменя Pyrenophora teres (Б), % от здоровых;

I - скрытый период, II - хлоротичные пятна, III - уредоспороношение

чц

зований в онтогенезе паюгеииыл грибов, завершающихся формированием определённых ИС. Среди них инфекционный пузырёк является ответственным за дивергенцию патогенов по некро- или биотрофному пути и эволюцию патоген-ности в сторон}' её структуризации до гаустория. Познание механизмов функционирования фитопатосистем на ультраструктурном уровне позволило высказать положение о мембранном контроле за жизнедеятельностью инфицированной клетки. Мы имеем в виду не только изучение особенностей структурного состояния ядер, регулирующих процесс интеграции ржавчинного гриба и мезо-фильных клеток при условии нахождения последних в Gi-периоде интерфачы, но и в модификации различных частей эндомембранной системы - ДГ\ ЭР, вакуолей в связи с влиянием патогенного гриба на ПМ и образованием ЭГМе. Нарушение везикулярных перемещений метаболитов между взаимодействующими клетками гриба и растения меняет соотношения экзо- и эндоцитоза и нормальную форму осуществления этих процессов, что рассматриваются нами как механизм структурно-функциональной интеграции этих организмов и формирования в фитопатосистеме биотрофных отношений. Последние ассоциируются также с болезнеустойчивостью и сохранением жизнеспособности взаимодействующих клеток. Наблюдаемые изменения в клетках растений затрагивают структурно-функциональное состояние ДГ, ЭР, лпзосомалыю-вакуолярной системы, ядер и всех органелл, но главную роль в инициации некротрофнымн и биотрофными грибами патологических изменений в клетках растений и в поддержании паразитических связей ич с гаусториями ржавчинного патогена играют процессы цитоза (рис. 6).

На основании соотношения трофности - устойчивости - i омеосгаза нами сформулирована основополагающая концепция о мембранном контроле в злаках структурной организации патологических процессов, вызванных грибной инфекцией. Её суть состоит в следующем: структурную основу устойчивости составляет разная степень вовлечения эндомембранной системы клеток- растения во взаимодействие с патогеном.

Выводы

1. Фитопатогенез представляет собой сложный процесс интеграции организмов, структурная основа которого определяется типом паразитизма, специализацией, экто- или эндофитным способом роста гриба и ответной реакцией растения. Некротроф не может создать длительно функционирующую структурно-организованную фитопатосистему. Структуризация отношений его с хозяином наблюдается лишь на самом начальном, биотрофном этапе онтогенеза, совпадающем с развитием у поражаемого им растения устойчивости, н такое взаимодействие свойственно системе ячмень - Pyrenophova teres. Напротив, при поражении растения биотрофом оно является составной частью динамической относительно равновесной системы пространственно организованных структур и молекул обоих взаимодействующих организмов. Этот тип структурной орга-

межклеточная гифа

зона апскса

. т-^ГТзока адгезии; гидролазы ^ М -ипичЛГ Г-," РО,Н

мкг/' !.« ^ : перфорация'

кс у. .-/ ,*] .

НМ- ■' '' *'

вакуоль разрывы ПМ и тонопласга

устойчивость и (у сверхчувствительного растения) восприимчивость)

б) ДГ ПМ шейка [нч'ет^ри^___

- Са2' / \

клетка хозяина —х / вакуоль

вакуоль

мекклето чна«, ги в) вакуоль

мвт(|о)

ядро

КС«'

папиллярные отложения устойчивых' стц^ий)

(восприимчивость)

ПМ - плазмалемма, КС - клеточная стенка; М - митохоцдрии, ДГ - диктиосомы Гольджи; ЭР - эчдоплазматическнй ретикулум; МВТ - мультивезикулярное тело; ЭГМа - экстрагаусториалъный матрикс; ЭГМе - эксграгаусторяальная мембрана;

- цитоскелег,

* - икакпшируемая Са2' - АТФаза на ПМ;

- кислая фосфатаза и др. лизосомальные гкдролазы;

• - токсины и/или внеклеточные ферменты.

Рис. 6 Характер мембранных взаимодействий между биотрофным (а, б) или некротрофным (в) патогенным грибом и злаковым растением в процессе объединения их в фитопатосистему (по результатам ультраструктурных, гисто- и цитохимических исследований - схема)

низации характерен для исследованных нами систем рожь - Blumeria graminis f.sp. secalis, рожь - Puccinia graminis f.sp. secalis или P. dispersa [3,4].

2. Заражение листьев злаков конидиями возбудителей сетчатого гельмин-тоспориоза, мучнистой росы и уредоспорами ржавчины сопровождается образованием морфологически подобной у всех патогенов структуры - инфекционного пузырька, рассматриваемого нами как механизм, с которого начинается дивергенция их по пути био- или некротрофности. Инфекционный пузырёк, формируемый аппрессорием P. teres в эпидермальной клетке ячменя, секрети-рует ферменты и токсины, вызывающие разрушение в ней вакуолярной мембраны, некротизацию и как следствие - переход гриба к обычному автономному существованию. Аналогичный по морфологическим признакам инфекционный пузырёк, образуемый в эпидермальной клетке ржи экггофитом В. graminis, трансформируется в гаусторий, с помощью которого гриб устанавливает на весь период онтогенеза постоянные, стабильные связи с хозяином, сохраняя при этом его жизнеспособность. Эндофиты Р. dispersa и Р. graminis f.sp. secalis развивают в тканях ржи два инфекционных пузырька: подустьичный, обеспечивающий его адаптацию в межклеточном пространстве мезофилла и дальнейшую структурно-функциональную дифференциацию клеток триба, и гаусториаль-ный, локализованный в мезофильной клетке. Следовательно, увеличение числа инфекционных пузырьков составляет структурную основу перехода возбудителей ржавчины от существования на эпидермисе к жизни на мезофилле, т.е. их тканевой паразитической специализации [1,4,6,36].

3. Некротроф P. teres преодолевает естественные барьеры растения посредством обильно секретируемой полифакторной системы, в которой функцию детерминант патогенности выполняют протеаза, пероксидаза и токсины, выделяемые инфекционными пузырьками и гифами в межклеточное пространство мезофилла. Структурно патогешюсть P. teres выражается в образовании тёмных гранул в слизистом чехле вокруг гиф и тёмного осадка в инвагинациях плазма-леммы и на тонопласте клеток хозяина. У биотрофов В. graminis f.sp. secalis, P. graminis f.sp. secalis, P. dispersa, сокративших по мере совершенствования паразитических свойств состав секретируемого экстрацеллюлярного аппарата, функцию детерминанты патогенности выполняют гаустории. Образование структурной детерминанты патогенности обусловлено длительностью функционирования комплементарных отношений, возникающих на протяжении эн-дофитного развития. Они поддерживают биотрофное существование патогена за счёт установления постоянного структурного контакта между поверхностями гриба и растения. В формировании комплементарных отношений существенную роль играют лизосомальные ферменты патогена, которые в результате последовательной дифференциации инфекционных структур секретируются на поверхность гаусториев, где и осуществляют своё действие [2,3,4,19].

4. Эндо- и экзоцитоз, как наиболее радикальный механизм объединения организмов в биотрофные патосистемы, претерпевает существенные изменения на разных фазах инфекционного процесса. В предгаусториальный этап взаимо-

г.

действия растения и патогенного гриба цигоз направлен на репарацию участка плазмалеммы в зоне контакта. К нему устремляются эндомембрапная система и ядро, в результате чего происходит сопряжение метаболических систем обоих клеток. В гаусториальный период экзоцитоз растения нарушается, и репарация инвагинированного участка плазмалеммы (экстрагаусториальной мембраны) происходит в основном за счёт цистерн эндоплазматического ретикулума, а не за счёт пузырьков аппарата Гольджи, как это характерно для здоровых клеток. Такой аномальный экзоцитоз становится возможным вследствие высокой всасывающей способности гаустория патогена, воздействия на экстрагаусториаль-ную мембрану секретируемых им фосфатаз, локализации кальция в узком пространстве между экстрагаусториальной мембраной и прилегающими тяжами эндоплазматического ретикулума, что вызывает слияние данных мембран.

В клетках ячменя при поражении возбудителем сетчатого гельминтоспо-риоза проявления цитоза кратковременны и продолжаются в течение прохождения некротрофом биотрофного этапа в его жизненном цикле, после чего эти проявления исчезают и происходит разрушение мембранной структуры плазма-леммы, диктиосом Гольджи, тонопласта и всех цитоплазматических оргакелл.

Изложенное даёт основание утверждать, что процессы цитоза играют определяющую роль во взаимораспознавании и интеграции растения-хозяина и патогенного гриба в патосистему, а также поддержании структурно-функционального гомеостаза клеток и тканей в фитопатогенезе [2,5,6,18].

5. Структурная основа устойчивости (биотрофности) ячменя, ржи и пшеницы к поражению возбудителями сетчатого гельминтоспориоза, мучнистой росы, стеблевой и листовой ржавчины практически идентична. Она проявляется в умеренном вогнутом плазмолизе, завершающемся образованием периплазма-тического пространства, в котором откладываются папиллярные вещества, в сосредоточении у этих участков клеточной поверхности мембранных систем эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи, мультивезикулярных тел и связанных с ними процессами цитоза, в сохранении целостности плазмалеммы и тонопласта, локальном повышении лизосомальной (фосфатазной) активности и сохранении её на протяжении всего взаимодействия. Распознавательный процесс направлен на сохранение жизнеспособности растительных клеток и одновременно на снижение степени вредоносности грибов без их уничтожения. Напротив, структурной основой сверхчувствительности является возникновение значительного локального плазмолиза, резкое повышение лизосомальной активности во всей цитоплазме, разрушение мембранных систем, что и приводит к быстрой некрогизации растительной ткани и гибели в ней патогена. Распознавательный процесс в данном случае направлен иа предотвращение развития начавшихся отношений между организмами [3,6,17].

6. Формирование биотрофных паразитических связей в фитопатосистеме происходит лишь тогда, когда ядра мезофильных клеток находятся в О;- стадии интерфазы, характеризующейся функционально активным состоянием генома и протеканием процессов трансляции [9,39,40].

7. В межклеточном пространстве ржи, в котором протекает эндофитный этап онтогенеза ржавчинных грибов, увеличивается активность фосфатазы, хи-тиназы, пероксидазы - общеизвестных факторов устойчивости. Происходящее при этом формирование гаусториев свидетельствует о способности реакции устойчивости к сопряжению жизненных функций обоих организмов, а также о возникновении у автотрофных мезофильных клеток хозяина признаков гетеротрофной активности. В результате межклеточное пространство поддерживает состояние физиологического гомеортаза у растения [4,6,16].

8. Разработана новая концепция о структурной организации интеграционных процессов в фитопатогенезе и выявлены механизмы, влияющие на эволюционную трансформацию конфликтных взаимоотношений организмов во взаимотерпимые. К ним следует отнести: увеличение удельного веса комплементарных отношений между поверхностями взаимодействующих видов по сравнению с химическими воздействиями; формирование структурных детерминант пато-генности; усиление у автотрофных растительных клеток признаков гетеротроф-ности; морфологическая дивергенция способов питания патогенов по био- или некротрофному пути; экзо- и эндоцитоз; сопряжённая функция устойчивости, создающая единую структурно-функциональную основу фитопатосистемы [2--61-

Список печатных работ автора по материалам диссертации Статьи в научных журналах и сборниках

1. Карпук В.В., Плотникова Ю.М., Андреев J1.П. Цитологическое исследование эктофитной стадии развития Puccinia graminis f. sp. secalis и P. graminis f. sp. tritici / / Облигатный паразитизм: цитофизиологические аспекты,- M.: Наука, 1991- С. 83-92.

2. Карпук В.В. Экзо- и эндоцитоз в развитии структурно-функциональных взаимоотношений между растением и грибным патогеном / / Физиология растений- 1996,- Т. 43, № 5 - С. 753-764.

3. Серова З.Я., Гесь Д.К., Афанасенко О С., Карпук В.В. Развитие систем патогенности у разных по типу паразитизма грибов / / Проблемы экспериментальной ботаники: К 100-летию со дня рождения В.Ф. Купревича- Минск: Белорусская наука, 1997 - С. 185-199.

4. Карпук В.В., Серова З.Я. Структурные взаимодействия в фитопатосисте-мах / / Проблемы экспериментальной ботаники: К 100-летию со дня рождения В.Ф. Купревича- Минск: Белорусская наука, 1997 - С. 245-267.

5. Карпук В В. Структурные механизмы сопряжённости взаимоотношений организмов в развитии фитопатосистем / / Becui Нацыянальнай акадэми навук Беларуси Сер. йял. навук - 2000 - № 4- С. 117-125.

6. Карпук В.В. Роль апопласта и вакуолярно-лизосомальной системы тканей листа в патогенезе злаков, вызванном грибами / / Весщ Нацыянальнай ака-дэмн навук Беларусь Сер. б1ял. навук-2000-№4-С. 126-135.

7. Карпук В В., Плотникова Ю.М., Андреев J1.H. Локализация липидов и липаз в клетках гриба Puccinia graminis Pers. в эктофитной стадии / / Микология и фитопатология - 1986 - Т. 20, № 2,- С. 94-98.

8. Карпук В.В. Изменения в ультраструктуре клеток ржи и пшеницы, поражённых стеблевой ржавчиной / / Ботаники - 40-летию Главного ботанического сада АН СССР,- М.: Изд-во ГБС АН СССР, 1990,- С. 58-65.

9. Серова З.Я., Карпук В.В. Структурно-функциональные особенности взаимодействия организмов в фитопатосистеме / / Becui АН Беларусь Сер. б1ял. навук,- 1991.-№4 - С. 70-75.

10. Карпук В.В. Методологические основы исследования иммунитета у растений / / Проблемы ботаники, ч. 2: Матер. VI делегат, съезда БРБО- Минск,

1993,- С. 465-467.

11. Подчуфарова Г.М., Серова З.Я., Карпук В.В. Пектолитические ферменты гриба Helminthosporium teres Sacc. / / Becui АН Беларусь Сер. 6\яя. навук.-

1994,-№ 1.-С. 15-18.

12. Карпук В.В. Грыбы (Mycota) / / Беларуская энцыклапедыя. - Мшск: Бе-ларуская энцыклапедыя, 1997 -Т. 5. - С. 471-472.

13. Карпук В.В. Грыбныя хваробы раслш (мкозы) ( ! Беларуская энцыклапедыя. - Мшск: Беларуская энцыклапедыя, 1997-Т. 5. - С. 471.

14. К. ар пук В.В., Серова З.Я. Влияние мучнистой росы на структурное состояние эпидермиса ржи / / "Modern problems of Mycology, Algology and Phytopathology": Proceedings of the International Conference devoted to 80-th Anniversary of Mycology and Algology Department of Moscow State University: Moscow, April, 1998/Ред. M.IO. Дьяков - M.: МГУ-ИД "Муравей", 1998,-С. 47-49.

15. Карпук В.В., Серова З.Я., Гесь Д.К., Волковская Н.Г. Вакуолярно-лизосомальная система и её роль в развитии болезнеустойчивости у злаков / / Роль адаптивной интенсификации земледелия в повышении эффективности аграрного производства: В 2 т.- Жодино: БелНИИЗК, 1998.- Т. 2,- С. 145-146.

16. Серова З.Я., Гесь Д.К., Волковская Н.Г., Карпук В.В. Межклеточное пространство инфицированной клетки - как среда возникновения адаптационных реакций к воздействию грибных патогенов / / Роль адаптивной интенсификации земледелия в повышении эффективности аграрного производства: В 2 т,-Жодино: БелНИИЗК, 1998,-Т. 2,-С. 147-148.

17. Карпук В.В., Серова З.Я., Гесь Д.К. Особенности гомеостатической системы инфицированных злаков и её роль в формировании болезнеустойчивости / / Молекулярная генетика и биотехнология (Molecular Genetics and Biotechnology): Материалы Международной Конференции, 6-8 апреля 1998г.- Минск, 1998,-С. 39-41.

18. Карпук В.В., Серова З.Я. Субклеточная локализация кальция в тканях ржи, поражённых ржавчиной, и его роль в развитии биотрофных фитопатоси-стем / / Регуляция роста, развития и продуктивности растений: Материалы межд. конф.: Минск, 9- 11 ноября 1999г. - Минск, 1999 - С. 188-189.

19. Карпук В.В., Серова З.Я., Гесь Д.К. Экстрацеллюлярный аппарат фито-патогенных грибов как фактор регуляции трофности во взаимоотношениях с хозяином / / Регуляция роста, развития и продуктивности растений: Материалы межд. науч. конф.: Минск, 9- 11 ноября 1999г. - Минск, 1999-С. 189-190.

Тезисы докладов на международных конференциях

20. Карпук В.В., Плотникова Ю. М. Электронномикроскопическое исследование липидов и липазы гриба Puccínia graminis / / Грибы и лишайники в экосистеме: X симпоз. микологов и лихенологов Прибалтийских республик и Белоруссии,-Рига, 1985-С. 70-72.

21. Карпук В.В. Электронно-гистохимическое исследование пограничной зоны между клетками мезофилла ржи и возбудителя стеблевой ржавчины: реакция на кислую фосфатазу / / Применение электронной микроскопии в науке и технике: Тез. докл. Второй респ. научно-технической конф- Минск: БелНИ-ИНТИ, 1988,-С. 117.

22. Карпук В.В. Ультраструктура гриба Puccinia dispersa, паразитирующею в тканях ржи / / Применение электронной микроскопии в науке и технике: Тез. докл. Второй респ. научно-технич. конф - Минск: БелНИИНТИ, 1988.- С. 135.

23. Карпук В.В. Электронномикроскопическое исследование экстрагаусто-

риального матрикса возбудителя листовой ржавчины ржи / / Улы растру кгура растений - Киев, 1988 - С. 206.

24. Карпук В.В., Плотникова Ю.М. Локализация активности липазы в межклеточном мицелии и гаусториях возбудителя стеблевой ржавчины ржи и пшеницы / / Ультраструктура растений - Киев, 1988 - С. 207.

25. Карпук В.В., Плотникова Ю.М., Андреев Л.Н. Исследование локализации кислой фосфатазы в клетках возбудителя стеблевой ржавчины и ржи при их взаимодействии I I Физиолого-биохимические основы иммунитета растений к грибным болезням для целей прикладной селекции - Уфа, 1988,- С. 44-45.

26. Карпук В В. Изучение эктофитной стадии развития возбудителя стеблевой ржавчины / /Защита растений и охрана природы - Вильнюс, 1989,- С.38-39.

27. Карпук В.В. Взаимодействие ростковых трубок стеблевой ржавчины с тканями ржи / / Физиолого-биохимические и генетико-селекционные основы иммунитета сельхоз. растений к грибным болезням - Уфа, 1990,- С. 14.

28. Карпук В.В. Ультраструктура гриба Pyrenophora teres in vivo и in vitro / / Электронная микроскопия и современная технология - Кишинев, 1990- С. 63.

29. Плотникова Ю.М., Карпук В.В. Электронномикроскопическое исследование инфекционных структур Puccinia graminis f. sp. secalis и f. sp. tritici / / Электронная микроскопия и современная технология - Кишинев,1990.-С.95-96.

30. Карпук В.В. Окаймленные пузырьки в пораженных бурой ржавчиной тканях ржи / / Применение электронной микроскопии в науке и технике: Тез. докл. Третьей респ. научно-технич. конф.- Минск: БелНИИНТИ, 1991- С. 113.

31. Карпук В.В. Индуцирование стеблевой ржавчиной ржи образования электронно-плотного вещества в ядрах пшеницы и его перемещение в гаустории / / Применение электронной микроскопии в науке и технике: Тез. докл. Третьей респ. научно-технической конф - Минск: БелНИИНТИ, 1991.- С. 114.

32. Масный М.Н., Карпук В.В. Ультраструктура восприимчивого и устойчивого сортов ячменя при поражении сетчатой пятнистостью / / Применение электронной микроскопии в науке и технике: Тез. докл. Третьей респ. Научно-технической конф,- Минск: БелНИИНТИ, 1991,- С. 112.

33. Карпук В.В. Патологическое действие гриба Helminthosporium teres на ультраструктуру клеток ячменя / / Тез. докл. Второго съезда ВОФР, ч. 2,- М.: Наука, 1992,- С. 92.

34. Карпук В.В. Исследование взаимодействия между клетками изолированных растительных тканей и ростковыми трубками ржавчинного гриба / / Тез. докл. Второго съезда ВОФР, ч. 2,- М.: Наука, 1992- С. 92.

35. Шуканов В.П., Бабейко В.А., Карпук В.В. Влияние фитостерина на ультраструктуру гриба Helminthosporium teres Sacc. / / Тез. докл. Второго съезда ВОФР, ч. 2 - М.: Наука, 1992,- С. 240.

36. Karpuk V.V. Ontogenetic structural peculiarities and divergence of necro-and biotrophic phytoparasitism in Ascomycctes / / Fungi and lichens in the Baltic region. The 12-th International Conference on Mycology and Lichenology / Abstracts-Vilnius, 1993,- P. 77.

37. Карпук B.B. Локализация и возможная роль кальция в регуляции патологических отношений при поражении ржи ржавчиной / / Матер. Iii съезда Российского общества физиологов растений - СПб, 1993.- С. 604.

38. Серова З.Я., Гесь Д.К., Карпук В.В. О регуляторной роли РНКаз в патогенезе сетчатой пятнистости ячменя / / Матер. Ill съезда Российского общества физиологов растений-СПб., 1993 -С. 726.

39. Серова З.Я., Карпук В.В. Вовлечение ядер во взаимодействие с ржавчинным патогеном: структурное исследование / / Второй съезд Бел. общества физиологов растений: Тез. докл.- Минск, 1995-С. 17-18.

40. Серова З.Я., Гесь Д.К., Карпук В.В. Состояние ядерного цикла у поражённых ржавчиной клеток ржи / / Второй съезд Бел. общества физиологов растений: Тез. докл.-Минск, 1995,- С. 16-17.

41. Karpuk V.V., Plotnikova J.M. Improved quick evaluation of stem rust ure-dospores viability after storage / У Eur. J. Plant Pathology. Xlll International Plant Protection Congress, The Hague, The Netherlands, 2-7 July 1995 / Abstracts. Kluvver Academic Publishers - 1995 - № 1360.

42. Plotnikova J.M., Karpuk V.V. Rust fungi nuclear division and control of their ectophytic development / / Eur. J. Plant Pathology. XIII International Plant Protection Congress, the Hague, the Netherlands, 2-7 July 1995 / Abstracts. Kluwer Academic Publishers.- 1995,- № 166.

43. Shukanov V.P., Manzelesova N., Karpuk V.V. Fungicide activity of a-tomatin and use of it for crop protection / / Eur. J. Plant Pathology. XIII Internationa! Plant Protection Congress, the Hague, the Netherlands, 2-7 July 1995 / Abstracts. Kluwer Academic Publishers.- 1995.-№ 1298.

44. Serova Z.J., Ges D.K., Podchufarova G.M., Karpuk V.V. Macromolecular changes of cereal proteins and their connection with the development of response reaction to fungal infection / / Eur. J. Plant Pathology. Х1И International Plant Protection Congress, the Hague, the Netherlands, 2-7 July 1995 / Abstracts. Kluwer Academic Publishers.- 1995.-№ 1887.

45. Серова З.Я., Карпук B.B. Механизмы адгезии в формировании облигат-ных отношений в фитопатосистемах / / Эколого-экономические основы усовершенствования интегрир. систем защиты растений от вредителей, болезней и сорняков-Минск: ПКФ "Экаунт", 1996.-Ч. 2.-С. 46-47.

46. Карпук В.В., Серова З.Я. Тонкая структура гиф и гаусториев возбудителя мучнистой росы ржи / / Актуальные проблемы фитовирусологии и защиты растений - Минск: ПКФ "Экаунт", 1997.- С. 72-74.

47. Серова З.Я., Карпук В.В. Ультраструктура эпидермиса ржи при поражении мучнистой росой / / Актуальные проблемы фитовирусологии и защиты растений,- Минск: ПКФ "Экаунт", 1997- С. 70-72.

4S. Серова З.Я., Гесь Д.К., Волковская Н.Г., Карпук В.В. Физиолого-биохимические аспекты протопатологического процесса у растений / / Актуальные проблемы фитовирусологии и защиты растений,- Минск: ПКФ "Экаунт", 1997.-С. 144-145.

РЕЗЮМЕ

Карпук Василий Васильевич

СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПАТОГЕНЕЗА ЗЛАКОВ, ВЫЗЫВАЕМОГО ГРИБНОЙ ИНФЕКЦИЕЙ

Аппрессорий, гаусторий, диктиосомы Гольджи, инфекционный пузырёк, кальций, некро- и биотрофы, паразитизм, плазмапемма, устойчивость, фосфата-за, экзоцитоз, экстрагаусториальная мембрана, эндоплазматический ретикулум.

Объектом исследования являлись растения ржи и ячменя, поражённые возбудителями ржавчины, мучнистой росы и сетчатого гельминтоспориоза, предметом исследования - структурные взаимодействия организмов в фитопатоси-стемах. Цель работы заключалась в познании структурных закономерностей, определяющих сопряжённое развитие злаковых растений и грибов, различающихся типом паразитизма. Использовали световую и электронную микроскопию, методы гисто- и цитохимии, определения активности ферментов. Обоснована концепция о структурных механизмах интеграции растений и патогенных грибов в относительно равновесные фитопатосистемы, компоненты которых в ходе совместной эволюции взаимоадаптировались и обеспечили выживание видов. Впервые показано, что дивергенция способов питания патогенов по био-или некротрофному пути начинается с образования инфекционного пузырька; развиваются представления о возрастании у биотрофов комплементарных межклеточных взаимодействий с растением и о переходе от диффузных химических факторов патогенности (ферменты, токсины) к структурными детерминантам (гаустории); рассматривается интегрирующая роль болезнеустойчивости, направленная на возникновение в фитопатосистеме между организмами биотроф-ных отношений. Они формируются в результате локализации процессов экзо- и эндоцитоза в участках контакта грибных и растительных клеток, наполнения межклеточного пространства мезофилла рядом ферментов, регулирующих возникновение структурно-функционального гомеостаза - необходимого условия для поддержания жизненных функций обоих организмов фитопатосистемы. Продемонстрировано изменение эндомембранной и лизосомально-вакуолярной систем растительных клеток и описан механизм, приводящий к инициированию таких отношений, которые определяются нами как аномальный экзоцитоз. Суть его заключается в исключении из взаимодействия диктиосом Гольджи, происходящего под влиянием фосфатазы биотрофного патогена и ионов Са2+, что обусловливает уникальность репарации участков плазмалеммы вокруг гаустория (экстрагаусториальной мембраны) за счёт встраивания в неё мембранных компонентов прилегающего эндоплазматического ретикулума. Практическое значение проведенной работы заключается в использовании её положений как фундаментальной основы для разработки новой адаптивной стратегии фитоза-щиты и написания учебников о фитопатогенезе.

РЭЗЮМЭ

Карпук Васшй Васшьев1ч

СТРУКТУРНАЯ АРГАН13АЦЫЯ ПАТАГЕНЭЗУ ЗЛАКАУ, ЯК1 ВЫОПКАЕ

ГРЫБНАЯ 1НФЕКЦЫЯ

Апрэсорый, гаусторый, ¡нфекцыйны пух1рок, дыктыяосомы Гольджы, кальций, некра-1 б1ятрофы, паразпызм, алазмалема, устошивасць, фасфатаза, экза-1 эндацытоз, экстрагаустарыяльная мембрана, эндаплазматычцы рэтыкулум.

Аб'ектам даследавання был! раслшы жыта 1 ячменю, пашкоджаныя узбуджалынкам) ¡ржы, мучшсгай расы 1 сеткавага гельмйггаспарыёзу, прадме-там даследавання - структурныя узаемадзеянш аргашзмау у фгапатасютэмах. Мэтай працы з'яулялася пазнанне структурных заканамернасцяу, што вызнача-юць спалучанае развщцё злакавых растил з грыбам1, яюя адрозтваюцца тыпам паразитизму. Выкарыстоувал! светлавую 1 электронную мнфаскаиио, метады пета- > цытах^ми, вызначэння актыунасщ ферментау. Абгрунтавана канцэпцыя аб структурных мехат'змах штэграцьн раслш I патагенных грыбоу у адносна рау-наважныя фiтaцaтacicтэмы, кампаненты яих у ходзе сумеснай эвалюцьм узаемаадаптавалюя \ забяспечьш выживание вщау. Упершыню паказана, што дывергенцыя спосабау жыулення патагенау па 61'я- щ некратрофным ктрунку пачынаецца з утварэння шфекцыйнага пух1рка; разв1ваюцца уяуленш пра узрастанне у б(ятрофау камплементарных М1жклеткавых узаемадзеянняу з рас-лшай 1 пра пераход ад дыфузных х\м1чных фактарау патагеннасщ (ферменты, такешы) да структурных дэтэрмшантау (гаусторьп); разглядаецца штэграваль-ная роля хваробаустойл1васш, наюраваная на узшкненне у ф!тапатасютэме пам1ж аргашзмам! б1ятрофных: адносш. Яны фармуюцца у вышку лакал1зацьн працэсау экза-1 эндацытозу у месцах кантакгу грыбных 1 раслшных клетак, на-паунення М1жклетачнай прасторы мезафшу шэрагам ферментау, яюя рэгулюць узшкненне структурна-функцыянальнага гамеастазу - неабходнай умовы для падтрымання жыццёвых функцый або1х аргашзмау фгсапатаастэмы. Прадэман-стравана змяненне эндамембраннай i л!засамальна-вакуалярнай сктэм рас-лшных клетак! ашеаны мехашзм, што прыводзщь да ннцыявання тагах адносш, яюя вызначаюцца нам1 як анамальны экзацытоз. Сутнасць яго з'яуляецца у вы-ключэнш з узаемадзеяння дыкгыясом Гольджы, што адбываецца пад уплывам фасфатазы б1Ятрофнаго патагена 11ёнау Са2+} абумо$швае ушкальнасць рэпара-цьн участкау плазмалемы вакол гаусторыя (экстрагаустарыальнай мембраны) за кошт убудоування у яе мембранных кампанентау прылеглага эндаплазматыннз-га рэтыкулума. Пракгычнае значэнне праведзенай работы заключаецца у выка-рыстант яе палажэнняу як фундаментальнай асновы для распрацоую новай адаптыунай стратэгп абароны раслш \ нашеання падручшкау па фггапатагепэзу.

SUMMARY

iCarpuk Vasiliy Vasiliyevicli

STRUCTURAL ORGANIZATION PATHOGENESIS OF CEREALS, WHICH CAUSED WITH FUNGAL INFECTION

Appressorium, Iiaustorium, Golgi dictiosomes, infection vesicle, calcium, necro-and biotrophs, parasitism, plasvnalevnvna, resistance, phosphatase, exo- and endocyto-sis, exlrahaustorial membrane, endoplasmic reticulum.

The plants of rye and barley infected with causal agents of rusts, powdery mildew and net spot blotch were objects of research and structural interactions of organisms in the developing phytopathosystems were investigated. Detection of structural conformity to natural laws which determine connected development of cereal plants with pathogenic to them fungi having two different types of parasitism was the goal of the work. Light and electron microscopy, methods of histo- and cytochemistry, and determination of enzymes activity were used in the investigations. The conception of structural mechanisms of integration of plants and pathogenic fungi into relatively equilibrium phytopathosystems, the components of which were adapted to each other in the course of their coevolution and ensured the survival of the species was grounded. For the first time it was shown that the means of nutrition of the phytopathogens diverge into bio- or necrotrophic way from the stage of infection vesicle; the idea of the increase of the complement intercellular interactions of biotrophs with plants and of the transaction from diffuse chemical pathogenic factors (enzymes, toxins) to structural determinants (haustoria) was further advanced; the integrative function of illnesresis-tance directed towards creation of biotrophic interrelations between organisms in phytopathosystems was considered. The interrelations result from localization of the processes of exo- and endocytosis in the sites of contact of fungal and plant cells and from filling of intercellular space of mesophyll with some enzymes regulating the creation of structural and functional homeostasis as a condition needed for the support of life fiinctions of both phytopathosystem organisms. The changes of endomembrane and lysosomal-vacuolar systems of plant cell are demonstrated and the mechanism leading to initiation of relations named as anomalous exocytosis is described. It consists in exclusion of Golgi dictyosomes from interactions induced by the actions of phosphatase of biotrophic pathogen and Ca2+, which determine the unique character of the process of plasmalemma reparation around haustorium by insertion in it some membrane components of endoplasmic reticulum adjoining the extrahaustorial membrane. The practical sense of the work consists in applying its conclusions as the fundamental basis for the development of new adaptive strategy of plant protection against infections and for writing textbooks on phytopathogenesis.

Информация о работе

Карпук, Василий Васильевич
доктора биологических наук
Минск, 2000
ВАК 03.00.12

Автореферат

Похожие работы