УДК 581.1

Роль этилена и ауксина

во взаимодействии растений и нематод

Ó 2009 г. О. А. Гутиеррез*, М. Дж. Вуббен**, М. Хауард***, Б. Робертс****,

Е. Хэнлон*****, Дж. Р. Уилкинсон***

*
Кафедра биологии растений и почвоведения, Университет Миссисипи, штат Миссисипи, США
**
Сельскохозяйственная научно-исследовательская служба министерства сельского хозяйства США, Лаборатория исследования сельскохозяйственных культур, Отдел исследований в области генетики и сельского хозяйства, штат Миссисипи, США
***
Кафедра биохимии и молекулярной биологии, Университет Миссисипи, штат Миссисипи, США
****
Кафедра животноводства и молочной промышленности, Университет Миссисипи, штат Миссисипи, США
*****
Кафедра биологии, Университет Миссисипи, штат Миссисипи, США

Поступила в редакцию 17.12.2007 г.

Фитогормоны этилен и ауксин регулируют множество важнейших процессов, протекающих в растениях, включая дифференцировку и рост клеток растяжением, а также реакции на абиотические стрессы. Кроме того, эти гормоны выполняют важные функции при взаимодействии растений и различных патогенов, включая регуляцию защитной реакции и развития симптоматики. Паразитирующие на растениях нематоды, вызывающие формирование сложно организованного участка питания в корне растения, являются одними из самых вредоносных патогенных организмов. Образование нематодами участка питания приводят к резким изменениям клеточной морфологии и экспрессии генов растения. Возможно, что эти изменения, по крайней мере, частично опосредованы фитогормонами. В данной работе на основании имеющихся данных о роли этилена и ауксина рассматриваются два вопроса: специфичная роль фитогормонов в опосредованном воздействии на образование участка питания нематодами-паразитами растений и общая роль фитогормонов в способности нематод вызывать заболевания растений.

 

-----------------------------------

 

Адрес для корреспонденции

: Jeff Wilkinson. Dept. Biochemistry and Molecular Biology, Mississippi State University, Box 9650, Mississippi State, MS, USA 39762. Fax: 662-325-8664; e-mail: jwilkinson@bch.msstate.edu

 

Ключевые слова: взаимодействие растений и нематод – ауксин – этилен –молекулярная нематология.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Оседлые эндопаразитные нематоды, в том числе цистообразующие (Globodera sP. и Heterodera sP.) и галловые (Meloidogyne sP.), являются одними из самых вредоносных патогенов растений, частично из-за обширного круга пораженных ими земель и сельскохозяйственных культур. Цистообразующая нематода, поражающая злаки (Heterodera avenae), обнаружена более, чем в 50% областей Европы, являющихся основными производителями зерновых [1], и на обширной территории Австралии [2]. Ущерб, причиненный свекловичной цистообразующей нематодой (Heterodera schachtii), оценивается более, чем в 95 млн. долларов [3]. Картофельные цистообразующие нематоды (Globodera rostochiensis и G. pallida) распространены, по крайней мере, на 64% картофельных полей Англии [4] и наносят ежегодный ущерб в 80 млн. долларов [5]. Однако эти потери несравнимы с уроном, наносимым соевой цистообразующей нематодой (Heterodera glycines) – самым вредоносным паразитом как в Англии, так и в других странах. В 1998 г. ущерб, нанесенный H. glycines урожаю сои во всем мире, составил примерно 2 млрд. долларов [6, 7]. Тем не менее, несмотря на столь значительные экономические потери, агрономический контроль над оседлыми эндопаразитными нематодами по-прежнему представляет собой проблему.

Борьба с оседлыми эндопаразитными нематодами затруднена из-за различных факторов. Яйца цистообразующих нематод весьма устойчивы к изменениям окружающей среды и могут сохраняться в почве многие годы. Кроме того, обнаружилось, что бóльшая часть химикатов, ранее использовавшихся для борьбы с нематодами, представляют опасность для окружающей среды, и они перестали поступать в продажу, а наиболее эффективный алдикарб (темик) до сих пор используется в США, но в ЕС в 2007 г. его использование было запрещено [8]. Более того, нематоциды дороги и их применение экономически не оправдано при обработке культур, занимающих большие посевные площади – сои, хлопка и картофеля. Поэтому все большие усилия направляются на использование локусов естественной устойчивости, обнаруженных в этих культурах. Соя, картофель и томаты являются превосходными примерами успешного внедрения генетической устойчивости. Интродукция генов резистентности все еще является медленным и сложным процессом, так как в большинстве случаев устойчивость является полигенным признаком и на проведение скрининга затрачивается много усилий и времени. Селекция резистентности к этим патогенам дополнительно осложняется различиями жизненных циклов у разнообразных нематод.

Жизненные циклы различных оседлых эндопаразитных нематод во многом схожи. Вообще, инфективные ювенильные особи второй стадии развития Ю2 выводятся из отложенных в почву яиц и немедленно пускаются на поиски корней хозяев. Проникновение через эпидермис корня происходит, благодаря механическим усилиям, т.е. перфорации клеток стилетом нематоды и ферментами, выделяемыми нематодой, которые разрушают клеточную стенку [9–11]. Внедрившись в корень, Ю2 цистообразующей нематоды мигрирует внутри клеток сосудистой ткани, пока не инициирует вблизи от ткани стелы первую питающую клетку [12]. Галловые нематоды, наоборот, перемещаются между клеток корня. Участки питания цистообразующих нематод – синцитии – образуются путем слияния протопластов, в результате которого формируется гипертрофированный многоядерный клеточный комплекс [13]. Отличительной чертой участков питания галловых нематод является образование дискретных многоядерных клеток, называемых гигантскими клетками [14, 15]. Оба эти образования – синцитий и гигантская клетка – обеспечивают оседлых эндопаразитов питательными веществами на протяжении всех последующих жизненных циклов до тех пор, пока те не станут взрослыми репродуктивными особями.

Образование и сохранение участков питания нематод находится в зависимости от сигналов этилена и ауксина в растении-хозяине. С точки зрения влияния на взаимодействие между растениями и нематодами, этилен и ауксин – лучше всего изученные фитогормоны. Основой успешного паразитирования цистообразующих нематод является контроль над реакцией хозяина на фитогормоны этилен и ауксин. Для обнаружения соответствующих путей передачи сигналов этилена и ауксина, необходимых для паразитирования нематод, были использованы мутанты и ингибиторы биосинтеза гормонов. Понимание роли фитогормонов в образовании и сохранении участков питания, чрезвычайно важно для разработки и внедрения генетической устойчивости. По мнению Akhkha с соавт. [16], два основных вопроса, на которые следует найти ответы, таковы: 1) каков вклад фитогормонов в формирование участков питания нематод и 2) как фитогормоны воздействуют на самих нематод, позволяя им внедряться в растения и успешно преодолевать их защитную реакцию. В данном мини-обзоре рассматриваются наиболее важные из недавних исследований, посвященные этим проблемам.

 

 

Измененная чувствительность ГОРМОНАЛЬНЫХ мутантов растений

 

Фитогормон этилен отвечает за широкий спектр важнейших процессов, происходящих в растениях, в том числе старение, сбрасывание листьев и созревание плодов. Кроме того, этилен связывают с устойчивостью либо чувствительностью к патогенам [17, 18]. У нечувствительных к этилену мутантов ein2 модельного растения Arabidopsis thaliana наблюдали повышенную устойчивость к бактериальной инфекции [19]. Сходную реакцию на бактериальные болезни наблюдали в нечувствительных к этилену мутантах томата, табака и сои [20–25]. Такие же реакции на нематоды наблюдали в исследованиях, проведенных Wubben с соавт. [26]: пять нечувствительных к этилену мутантов A. thalianaetr1-1, ein2-1, ein3-1, eir1-1 и axr2 – были менее поражаемы нематодой H. schachtii, чем растения дикого типа. У растений дикого типа A. thaliana, в которых синтез этилена подавлялся ингибиторами, поражаемость H. schachtii была снижена, тогда как мутанты A. thaliana, продуцировавшие избыточное количество этилена (eto-1, eto-2 и eto-3), оказались существенно более чувствительны к H. schachtii. Кроме того, растения дикого типа, обработанные предшественником этилена – 1-аминоциклопропан-1-карбоновой кислотой (АЦК) – показали более высокую чувствительность, чем необработанные растения. Wubben с соавт. [26] также обнаружили аллель, названный rhd1-4 (root hair defective), отвечающий за чувствительность мутанта Δrhd1 A. thaliana к H. schachtii. Все мутантные аллели rhd1 оказались более чувствительны к H. schachtii. Снабжение rhd1-4 мутантов АЦК приводило к увеличению длины корневых волосков, уменьшению размеров корней и повышению поражаемости нематодой H. schachtii. По-видимому, на фенотип rhd1-4 влияет специфичное для корней изменение в образовании этилена или чувствительности к нему. Wubben с соавт. [26] делают вывод, что у A. thaliana этилен является позитивным регулятором роста корневых волосков и чувствительности к H. schachtii.

Ауксин (ИУК) является важным гормоном растений, контролирующим множество процессов, связанных с созреванием. Они включают в себя регуляцию транскрипции посредством деградации транскрипционных факторов, эмбриогенез, конфигурацию подземных и надземных органов, ветвление и органогенез, а также специфичные ростовые реакции [27]. В начале 1960-х годов считали, что ауксин участвует в инициации и образовании участка питания нематод [28, 29]. Как и при изучении этилена, нечувствительные к ауксину мутанты растений помогли объяснить роль фитогормона во взаимодействии растений и нематод. Нечувствительный к ауксину мутант томата dgt (diageotropica) оказался устойчив к галловой нематоде M. incognita [30]. Позднее тот же мутант томата и нечувствительные к ауксину мутанты Arabidopsis (arx2 и eir1) продемонстрировали устойчивость к картофельной цистообразующей нематоде G. rostochiensis [31]. Устойчивость выражалась в полном подавлении развития синцития, уменьшении гипертрофии и формирования боковых корней в месте формирования участка питания.

 

гормон-Регулируемые гены, участвующие в процессе образования участка питания

 

В процессе образования синцития наблюдался рост концентрации ауксина, вызванный воздействием нематоды [31]. Кроме того, при изучении морфологии питающих клеток было отмечено взаимодействие между ауксином и этиленом. Позже на A. thaliana и сое, с помощью глюкуронидазной репортерной системы было показано, что экспрессия ауксин-индуцируемых генов Gm17.1 и At17.1 изменяется и при нематодной инвазии. Вероятно, эти гены играют некую роль в паразитизме нематод [32, 33]. С использованием искусственного ауксин-регулируемого промотора, было выявлено, что при поражении сои цистообразующей и галловой нематодами на первом этапе образования участка питания локально накапливается ауксин [34]. Был сделан вывод, что ауксин, возможно, является важным показателем индукции питающих клеток оседлыми эндопаразитами. Кроме того, наблюдалось, что фермент, участвующий в синтезе этилена – АЦК-синтаза – также активируется ауксином [35]. Однако непосредственных измерений уровня ауксина в участке питания не проводилось. Рост активности ауксин-регулируемых промоторов может означать интенсификацию синтеза ауксина, замедление распада ауксина либо повышение чувствительности к существующему количеству ауксина. Для прояснения этого вопроса требуются дальнейшие исследования.

У A. thaliana белок RHD1 кодируется геном, являющимся представителем семейства УДФ-глюкоза-4-эпимераз [36]. RHD1 был в центре внимания исследования, проведенного Wubben с соавт. [35], в котором было показано, что инактивация этого гена приводит к увеличению чувствительности к этилену и ауксину в корнях. Кроме того, экспрессия RHD1 подавлялась при внедрении H. schachtii, поэтому был сделан вывод, что функцией RHD1, вероятно, является корне-специфичная негативная регуляция этиленового сигнала, и что с утратой функций RHD1 увеличивается чувствительность корневых тканей к этилену и ауксину.

Искусственно введенный ауксин индуцирует изменения экспрессии многих генов растений. В некоторых случаях процесс протекает очень быстро и синтез белков не всегда является необходимым [37]. Кроме того, ауксин индуцирует расщепление белков, подавляющих транскрипцию и называемых Aux/IAA белками. Эти белки регулируют транскрипционную реакцию на ауксин посредством ингибирования ауксин-зависимых транскрипционных факторов (ARF). Ауксин обеспечивает расщепление Aux/IAA белков путем индуцирования их контакта с E3 убиквитин-лигазным комплексом SCF (Skp1/cullin/F-бокс) типа, состоящим из CUL1 (AtCULLIN1) и TIR1 (от transport inhibitor resistant 1). Не вполне понятно, как ауксин индуцирует взаимодействие SCF(TIR1) и Aux/IAA [38].

Известно, что ауксиновый сигнал обеспечивает химическую модификацию комплекса SCF(TIR1) посредством субстрата Aux/IAA или иного до сих пор неизвестного белка [38]. Было обнаружено, что для взаимодействия SCF(TIR1) и Aux/IAA не нужны специфичные белки мембраны или ауксин-связывающий белок 1 (ABP1) [39]. Также было установлено, что удаление АТФ и ингибирование киназ или фосфатаз не нарушает этого взаимодействия. При сочетании химического и генетического подходов был найден новый компонент ауксинового сигналинга SIR1 (от sirtinol-resistant 1), действующий на те же остатки пролина в белках Aux/IAA [40]. Обнаружено, что сиртинол обладает активностью сходной с активностью ауксина. В результате мутации гена SIR1 растения приобрели устойчивость к сиртинолу и его воздействию на подавление роста. Этот ген также содержит участок, имеющий сходство с Е1 убиквитин-активирующими ферментами. Более того, некоторые ауксин-устойчивые мутанты устойчивы и к сиртинолу. Кроме того, специфичность экспрессии ауксин-индуцируемых генов может обеспечиваться на уровне распада Aux/IAA белка или же посредством специфичных комбинаций Aux/IAA и ARF. Возможно также, что комплексы SCF устроены так, что взаимодействуют только со специфичными субстратами белков Aux/IAA или, как в случае с A. thaliana, клетки могут содержать индивидуальный набор белков Aux/IAA и ARF, и эти белки могут быть в разной степени подвержены расщеплению после того, как их идентифицирует общий SCF комплекс [38].

 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Во-первых, во всех экспериментах, направленных на изучение роли ауксина в индукции участков питания нематод, использовались различные репортерные гены, поставленные под контроль ауксин-регулируемых промоторов; поэтому эти результаты не позволяют сказать, что же именно происходит в участках питания нематод: увеличение концентрации ауксина или повышение чувствительности к нему. Эта проблема может быть решена путем проведения локальных измерений уровня ауксина в участках питания цистообразующих и галловых нематод. Во-вторых, как ауксин, так и этилен необходимы для правильного формирования участка питания. Однако остается неясным, в каком порядке действуют эти гормоны. Мы можем сделать вывод, что ауксин и этилен играют очень важную роль во взаимодействии растений с патогенами, и что их сигнальные пути модулируются нематодами с целью создания подходящей микросреды.
Исследование поддержано Экспериментальной станцией сельского хозяйства и лесоводства Миссисипи.
 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Subbotin S.A., Sturhan D., Rumpenhorst H.J., Moens M. Molecular and Morphological Characterization of the Heterodera avenae Species Complex (Tylenchida: Heteroderidae) // Nematology. 2003. V. 5. P. 515–538.
2. Rivoal R., Cook R. Nematode Pests of Cereals // Plant Parasitic Nematodes in Temperate Agriculture / Eds Evans K., Trudgill D.L., Webster J.M. Oxford: CAB International, 1993. P. 259–303.
3. Müller J. The Economic Importance of Heterodera schachtii in Europe // Helminthologia. 1999. V. 36. P. 205–213.
4. Minnis S.T., Haydock P.P.J., Ibrahim S.K., Grove I.G., Evans K., Russell M.D. Potato Cyst Nematodes in England and Wales  Occurrence and Distribution // Ann. Appl. Biol. 2002. V. 140. P. 187–195.
5. Haydock P.P.J., Evans K. Management of Potato Cyst Nematodes in the UK: An Integrated Approach // Outlook Agr. 1998. V. 27. P. 253–260.
6. Wrather J.A., Anderson T.R., Arsyad D.M., Tan Y., Ploper L.D., Porta-Puglia A., Ram H.H., Yorinori J.T. Soybean Disease Loss Estimates for the United States from 1996 to 1998 // Can. J. Plant Path. 2001. V. 23. P. 115–121.
7. Wrather J.A., Stienstra W.C., Koening S.R. Soybean Disease Loss Estimates for the United States from 1996 to 1998 // Can. J. Plant Path. 2001. V. 23. P. 122–131.
8. Lilley C.J., Atkinson H.J., Urwin P.E. Molecular Aspects of Cyst Nematodes // Mol. Plant Pathol. 2004. V. 6. P. 577-578.
9. Wyss U., Grundler F.M.W., Münch A. The Parasitic Behavior of Second-Stage Juveniles of Meloidogyne incognita in Roots of Arabidopsis thaliana // Nematologica. 1992. V. 38. P. 98–111.
10. Smant G., Stokkermans J.P.W.G., Yan Y., de Boer J.M., Baum T.J., Wang X., Hussey R.S., Gommers F.J., Henrissat B., Davis E.L., Helder J., Schots A., Bakker J. Endogenous Cellulases in Animals: Isolation of ß-1,4-Endoglucanase Genes from Two Species of Plant-Parasitic Cyst Nematodes // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998. V. 95. P. 4906–4911.
11. Wang X., Meyers D., Yan Y., Baum T., Smant G., Hussey R., Davis E. In Planta Localization of a ß-1,4-Endoglucanase Secreted by Heterodera glycines // Mol. Plant-Microbe Interact. 1999. V. 12. P. 64–67.
12. Wyss U. Observations on the Feeding Behavior of Heterodera schachtii Throughout Development, Including Events during Molting // Fund. Appl. Nematol. 1992. V. 15. P. 75–89.
13. Jones M.G.K. The Development and Function of Plant Cells Modified by Endoparasitic Nematodes // Plant Parasitic Nematodes. V. III / Eds Zuckerman B.M., Rohde R.A. New York: Academic, 1981. P. 255–279.
14. Bird D.M., Koltai H. Plant Parasitic Nematodes: Habitats, Hormones and Horizontally-Acquired Genes // J. Plant Growth Regul. 2000. V. 19. P. 183-194.
15. Williamson V.M., Hussey R.S. Nematode Pathogenesis and Resistance in Plants // Plant Cell. 1996. V. 8. P. 1735–1745.
16. Akhkha A., Kusel J., Kennedy M., Curtis R. Effects of Phytohormones on the Surfaces of Plant-Parasitic Nematodes // Parasitology. 2002. V. 125. P. 165–175.
17. Boller T. Ethylene in Pathogenesis and Disease Resistance // The Plant Hormone Ethylene // Eds Matoo A.K., Suttle J.C. Boca Raton: CRC Press, 1991. P. 293–314.
18. Feys B.J., Parker J.E. Interplay of Signaling Pathways in Plant Disease Resistance // Trends Genet. 2000. V. 16. P. 449–455.
19. Bent A., Innes R., Ecker J., Staskawicz B. Disease Development in Ethylene-Insensitive Arabidopsis thaliana Infected with Virulent and Avirulent Pseudomonas and Xanthomonas Pathogens // Mol. Plant Microbe Interact. 1992. V. 5. P. 372–378.
20. Block A., Schmelz E., O’Donnell P.J., Jones J.B., Klee H.J. Systemic Acquired Tolerance to Virulent Bacterial Pathogens in Tomato // Plant Physiol. 2005. V. 138. P. 1481–1490.
21. Hirsch J., Deslandes L., Feng D.X., Balague C., Marco Y. Delayed Symptom Development in ein2–1, an Arabidopsis Ethylene Insensitive Mutant, in Response to Bacterial Wilt Caused by Ralstonia solanacearum // Phytopathology. 2002, V. 92, P. 1142–1148.
22. Hoffman T., Schmidt J.S., Zheng X., Bent A.F. Isolation of Ethylene Insensitive Soybean Mutants That Are Altered in Pathogen Susceptibility and Gene-for-Gene Disease Resistance // Plant Physiol. 1999. V. 119. P. 935–949.
23. Knoester M., van Loon L.C., van den Heuvel J., Hennig J., Bol J.F., Linthorst H.J.M. Ethylene-Insensitive Tobacco Lacks Nonhost Resistance against Soil-Borne Fungi // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998. V. 95. P. 1933–1937.
24. Lund S.T., Stall R.E., Klee H.J. Ethylene Regulates the Susceptible Response to Pathogen Infection in Tomato // Plant Cell. 1998. V. 10. P. 371–382.
25. O’Donnell P.J., Schmelz E., Block A., Miersch O., Wasternack C., Jones J.B., Klee H.J. Multiple Hormones Act Sequentially to Mediate a Susceptible Tomato Pathogen Defense Response // Plant Physiol. 2003. V. 133. P. 1181–1189.
26. Wubben M.J.E., II., Su H., Rodermel S.R., Baum T.J. Susceptibility to the Sugar Beet Cyst Nematode Is Modulated by Ethylene Signal Transduction in Arabidopsis thaliana // Mol. Plant–Microbe Interact. 2001. V. 14. P. 1206–1212.
27. Friml J. Auxin Transport-Shaping the Plant // Curr. Opin. Plant Biol. 2003. V. 6. P. 7–12.
28. Balasubramanian M., Rangaswami G. Presence of Indole Compound in Nematode Galls // Nature. 1962. V. 194. P. 774–775.
29. Viglierchio D.R., Yu P.K. Plant Parasitic Nematodes: A New Mechanism for Injury of Hosts // Science. 1965. V. 147. P. 1301–1303.
30. Richardson L., Price N.S. Observations on the Biology of Meloidogyne incognita and the Diageotropica Tomato Mutant // Rev. Nématol. 1984. V. 7. P. 97–99.
31. Goverse A., Overmars H., Engelbertink J., Schots A., Bakker J., Helder J. Both Induction and Morphogenesis of Cyst Nematode Feeding Cells Are Mediated by Auxin // Mol. Plant–Microbe Interact. 2000. V. 13. P. 1121–1129.
32. Mazarei M., Lennon K.A., Puthoff D.P., Rodermel S.R., Baum T.J. Expression of an Arabidopsis Phosphoglycerate Mutase Homologue Is Localized to Apical Meristems, Regulated by Hormones, and Induced by Sedentary Plant-Parasitic Nematodes // Plant Mol. Biol. 2003. V. 53. P. 513–530.
33. Mazarei M., Lennon K.A., Puthoff D.P., Rodermel S.R., Baum T.J. Homologous Soybean and Arabidopsis Genes Share Responsiveness to Cyst Nematode Infection // Mol. Plant Pathol. 2004. V. 5. P. 409–423.
34. Karczmarek A., Overmars H., Helder J., Goverse A. Feeding Cell Development by Cyst and Root-Knot Nematodes Involves a Similar Early, Local and Transient Activation of a Specific Auxin-Inducible Promoter Element // Mol. Plant Pathol. 2004. V. 5. P. 343–346.
35. Wubben M.J.E., II, Rodermel S.R., Baum T.J. Mutation of a UDP-Glucose-4-Epimerase Alters Nematode Susceptibility and Ethylene Responses in Arabidopsis Roots // Plant J. 2004. V. 40. P. 712–724.
36. Seifert G.J., Barber C., Wells B., Dolan L., Roberts K. Galactose Biosynthesis in Arabidopsis: Genetic Evidence for Substrate Channeling from UDP-D-Galactose into Cell Wall Polymers // Curr. Biol. 2002. V. 12. P. 1840–1845.
37. Abel S., Oeller P.W., Theologis A. Early Auxin-Induced Genes Encode Short-Lived Nuclear Proteins // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1994. V. 91. P. 326–330.
38. Weijers D., Jurgens G. Funneling Auxin Action: Specificity in Signal Transduction // Curr. Opin. Plant Biol. 2004. V. 7. P. 687–693.
39. Dharmasiri N., Dharmasiri S., Jones A.M., Estelle M. Auxin Action in a Cell-Free System // Curr. Biol. 2003. V. 13. P. 1418–1422.
40. Zhao Y., Dai X., Blackwell H.E., Schreiber S.L., Chory J. SIR1, an Upstream Component in Auxin Signaling Identified by Chemical Genetics // Science. 2003. V. 301. P. 1107–1110.