Физиологические аспекты иммунитета пшеницы

12.07.2015

Возбудители наиболее распространенных болезней пшеницы (ржавчина, головня) относятся к облигатным паразитам, жизнь которых неразрывно связана с живым растением-хозяином и непременно с живыми его клетками. Неспособность облигатного паразита питаться органическими веществами отмерших тканей хотя бы и того же растения-хозяина ярко проявляется в процессе так называемой реакции сверхчувствительности, наблюдающейся при заражении пшеницы несовместимыми расами возбудителя.
Реакция сверхчувствительности заключается в том, что первые клетки или группы клеток, в которые проникли (иногда даже не проникли, а только приблизились) ростовые трубки гриба, например возбудителя ржавчины, чрезвычайно отрицательно реагируют на присутствие паразита и быстро отмирают. В результате гифы паразита оказываются внутри мертвых клеток, веществами которых они не могут питаться, и, в свою очередь, погибают или сильно задерживают рост. Правда, как показали В.Ф. Пересыпкин, Т.Г. Зражевская и М.П. Лесовой, развитие возбудителя полностью не прекращается, но болезнь захватывает лишь незначительные участки тканей хозяина, и сорт оказывается практически устойчивым к болезни.
Естественно, что такой тип реакции со стороны растения-хозяина «не устраивал» возбудителя болезни и эволюция облигатных паразитов шла в таком направлении, что они обычно оказывают на ткани растения-хозяина (восприимчивых сортов) более умеренное воздействие. Обмен веществ хозяина при этом хотя и нарушается, но не настолько, чтобы вести к его гибели, и паразит получает возможность длительного существования за счет живого растения (такие паразиты получили название сбалансированных) и полностью завершить свой жизненный цикл.
В отличие от облигатных паразитов, факультативные паразиты определенные стадии своего жизненного цикла проводят как сапрофиты, питаясь мертвыми органическими остатками. Часто такими мертвыми остатками оказываются ткани той же пшеницы, разрушенные в результате болезни (деструкция тканей; отсюда эта группа паразитов получила название деструктивных). Особенно легко паразиты поражают и убивают ослабленные неблагоприятными условиями или другими болезнями ткани растений.
Характер взаимоотношений между паразитом и растением пшеницы зависит от свойств того и другого организма и от условий, на фоне которых развивается инфекция. Однако свойства инфицированного растения нельзя рассматривать как простую сумму свойств двух организмов. Влияя друг на друга, приспосабливаясь друг к другу, они приобретают новые свойства, которых у них не было при раздельном существовании. Больное растение — качественно новый объект исследования, отличный от слагающих его компонентов. Такая точка зрения, развиваемая Б.А. Рубиным с сотрудниками, вытекает из эволюционного подхода к анализу явлений паразитизма, восприимчивости к болезням и иммунитета. Эволюционный подход означает признание того факта, что и свойства паразита, и свойства инфицируемого им растения, в той или иной мере причастные к развитию инфекции, сложились в результате взаимодействия между этими организмами в течение определенного исторического периода и не могут быть поняты изолированно.
Внедрение паразита в ткани пшеницы вызывает многочисленные изменения в физиологических функциях растения. Характер и степень этих изменений определяет развитие инфекции и в конечном счете размеры приносимого заболеванием ущерба.
Взаимодействие патогена и растения пшеницы имеет важное значение в развитии инфекции уже с первых стадий ее развития. Хотя споры многих паразитов содержат значительное количество пластических веществ и способны прорастать в капле воды без дополнительного притока веществ извне, вещества, выделяемые пшеницей, обычно оказывают стимулирующее влияние на прорастание спор. Эти вещества диффундируют в инфекционную каплю из поверхностных клеток растения, и их количество зависит в первую очередь от проницаемости протоплазмы эпидермальных клеток пшеницы. Зависимость между проницаемостью протоплазмы сортов пшеницы и устойчивостью их к ржавчине была показана исследованиями А.Я. Кокина.
Однако такая связь проявляется далеко не всегда. По-видимому, это связано с тем, что наряду с питательными веществами и веществами, стимулирующими прорастание спор, в инфекционную каплю могут диффундировать и вещества с антибиотическими свойствами. Кроме того, следует учитывать, что прорастание спор еще не означает обязательного развития болезни. Последнее зависит от дальнейших этапов взаимодействия возбудителя и растения.
Гифы проросшей споры должны проникнуть внутрь растения и осуществить собственно заражение. На этом этапе развития инфекции существенное значение имеют анатомо-морфологические особенности растений. Э.Э. Гешеле и Л.Т. Бабаянц, изучая сорта озимой пшеницы, различные по устойчивости к стеблевой ржавчине, показали, что у сортов, протоплазматически восприимчивых к этому возбудителю, практическая полевая устойчивость может быть различной в связи с особенностями анатомического строения стебля. Дело в том, что у взрослых растений развитие возбудителя протекает в тяжах хлорофиллоносной паренхимы (хлоренхимы), но не в одревесневшей склеренхиме. Если сорт имеет мощные, широкие тяжи хлоренхимы, то возбудитель развивается интенсивно, образуя крупные уредопустулы. При узких тяжах хлоренхимы возникает анатомический барьер развитию болезни: пустулы получаются мелкие, их споропродуктивность уменьшена, инкубационный период болезни растянут. Такие сорта отличаются высокой полевой устойчивостью даже будучи протоплазматически восприимчивыми к болезни.
Положительное влияние на устойчивость пшеницы к возбудителю мучнистой росы оказывает утолщение оболочек эпидермальных клеток, наблюдающееся у некоторых разновидностей пшеницы. Для устойчивости к линейной ржавчине определенное значение имеет прочность эпидермиса, количество устьиц. Однако переоценивать значение анатомических признаков не следует, поскольку проникновение возбудителя внутрь ткани растения далеко не всегда влечет за собой заболевание.

Физиологические аспекты иммунитета пшеницы

Дальнейшее развитие инфекции вызывает ряд изменений физиолого-биохимических свойств растения, характер которых, как указывают Б.А. Рубин и Е.В. Арциховская, зависит от ряда причин, и в первую очередь от биологических особенностей возбудителя болезни, от особенностей обмена веществ и степени устойчивости растения-хозяина, от интенсивности инфекции, фазы развития заболевания и от условий среды.
Прежде всего при заболевании изменяются физикохимические свойства протоплазмы. А.Я. Кокин показал, что вымываемость органических веществ у растений пшеницы, больных ржавчиной, повышается до 500%, что означает резкое увеличение проницаемости протоплазмы. Это, в свою очередь, понижает устойчивость растений к неблагоприятным факторам среды, в частности к засухе, благодаря повышению интенсивности транспирации. Последнее наблюдается также и в результате повреждений покровных тканей и изменения характера устьичных движений.
Фотосинтетическая активность листьев пшеницы, пораженных ржавчиной и другими облигатными паразитами, при слабой степени заболевания может повышаться, но при значительных поражениях интенсивность фотосинтеза падает иногда в очень сильной степени (рис. 40). У больных растений пшеницы, как правило, понижено содержание углеводов, что связано с рядом причин: падением интенсивности фотосинтеза, потреблением части углеводов паразитом и ускоренным их расходованием в связи с усилением окислительных процессов в растении при заболевании. Снижение содержания углеводов идет обычно за счет дисахаров и моносахаров, потребляемых на питание и дыхание паразита и самого растения (табл. 42).
Физиологические аспекты иммунитета пшеницы

Изменения, вызываемые инфекцией в обмене азотистых веществ пшеницы, сильно варьируют. В одних случаях наблюдается снижение содержания белка, по-видимому, в связи с нарушением его синтеза, и накопление небелкового азота. Образующийся при усилении процессов распада органических соединений азота аммиак связывается в форме амидов, о чем можно судить по значительному повышению содержания последних у больных растений. Однако во многих случаях наблюдается иная картина изменений содержания азотистых веществ. Так, В.П. Нилова и Н.Г. Степанова наблюдали понижение содержания растворимых форм азота у пшеницы, пораженной ржавчиной, что, возможно, связано с интенсивным потреблением их паразитом. Наконец, при поражении ржавчиной восприимчивого сорта может увеличиться содержание всех форм азота, что, вероятно, объясняется бурным протеканием защитных реакций организма против возбудителя болезни.
Начиная с момента заражения, как правило, наблюдается значительное повышение интенсивности дыхания пораженных тканей. В дальнейшем уровень дыхания изменяется в зависимости от степени поражения и устойчивости сорта. У восприимчивых сортов по мере развития болезни интенсивность дыхания снижается, и при сильном поражении тканей, ведущем к их постепенному отмиранию, может практически дойти до нуля. У устойчивых же сортов дыхание длительное время остается повышенным и во всяком случае не падает ниже уровня его у здоровых растений. Например, в опытах Л.А. Дубинского различные по устойчивости к твердой головне сорта яровой пшеницы высевали семенами, зараженными спорами возбудителя с максимальной нагрузкой. В фазе кущения определяли интенсивность дыхания третьего листа растений. Выявилась достаточно четкая разница в интенсивности дыхания сортов различной устойчивости (табл. 43).
Физиологические аспекты иммунитета пшеницы

Многолетними исследованиями Б.А. Рубина с сотрудниками показано, что взаимодействие растения с паразитом ведет и к более глубоким перестройкам окислительных процессов (активация одних окислительных ферментов и ингибирование других, смена путей окисления дыхательного субстрата и др.). Эти перестройки играют важную роль в механизмах устойчивости растений к заболеваниям.
В начале раздела уже отмечалось, что характер взаимоотношений между растением-хозяином и паразитом во многом определяется внешними условиями, на фоне которых развивается инфекция. Н.И. Вавилов отмечал, что поражаемость пшеницы ржавчиной связана с рядом факторов, причем характер их воздействия зависит как от сорта пшеницы, так и от расы ржавчины.
Среди природных факторов важнейшее значение имеет температурный режим. Например, проростки пшеницы особенно сильно поражаются снежной плесенью в интервале температур 25—30°С и значительно слабее — при низких температурах, тогда как проростки кукурузы, напротив, обнаруживают максимальную устойчивость при повышенных и минимальную — при пониженных температурах.
Необходимо иметь в виду, что возбудитель болезни и растение-хозяин по-разному реагируют на одну и ту же температуру. При этом, с одной стороны, изменяется вирулентность возбудителя, с другой — устойчивость растения, и конечный результат этих изменений не всегда можно предвидеть. Несомненно, устойчивость растения максимальна в том случае, когда температурный режим полностью соответствует филогенетической приспособленности данного вида, сорта.
Показательны в этом отношении данные Н.А. Наумова о том, что поражаемость ряда сортов яровой пшеницы бурой ржавчиной сильно зависит от температуры, при которой растения выращивались в начале вегетации. Растения, находившиеся в фазе кущения при температуре 8,7°С, в фазе колошения оказывались более устойчивыми к заражению, чем растения, находившиеся в фазе кущения при температурах 13,1—16,9°С. По-видимому, всякие отклонения от оптимального сочетания условий (а оптимально то, что соответствует исторически обусловленным потребностям растения) изменяют обмен веществ, снижают сопротивляемость растений, которая также формируется в филогенезе и тесно связана со всеми другими свойствами организма. В свою очередь, возбудитель ржавчины по-разному реагирует на температуру в зависимости от стадии его развития: прорастание спор и образование апрессорий гриба лучше проходят при 15—23°С, а после образования апрессорий гриб лучше развивается при высоких температурах (28,4°С).
Среди других, не поддающихся пока регулированию, внешних факторов, на поражаемость пшеницы болезнями влияет длина светового дня, интенсивность солнечного освещения и др. Так, многими исследователями отмечался факт повышения поражаемости пшеницы при интенсивном освещении. Причина этого явления еще недостаточно ясна. Есть предположение, основанное на косвенных экспериментальных доказательствах, что для развития ржавчины необходимы нестойкие промежуточные продукты ассимиляции CO2, образуемые на свету.
Особо следует сказать о значении водообеспеченности растений. Общеизвестно, что массовые эпифитотии ржавчины и ряда других болезней пшеницы наблюдаются лишь при хорошей влагообеспеченности растений. Это связано с тем, что споры большинства микроорганизмов могут прорастать лишь при наличии на листьях и стеблях растений капель влаги или в атмосфере, насыщенной влагой.
Имеются сведения об отрицательном влиянии на устойчивость пшеницы к ржавчине и недостатка влаги, в частности суховея.
Это вполне объяснимо, если учесть, что и воздушная, и почвенная засухи повышают проницаемость протоплазмы клетки растения, нарушают синтетические процессы (в том числе синтез белков) и вызывают ряд других изменений в физиолого-биохимических процессах, приводящих к снижению сопротивляемости растений к любым неблагоприятным факторам, включая инфекцию.
Особого внимания заслуживает изучение роли корневого питания пшеницы в ее устойчивости к болезням. Можно считать твердо установленным отрицательное влияние одностороннего азотного питания и ранних азотных подкормок на устойчивость пшеницы к ржавчине, тогда как калийные удобрения, напротив, повышают устойчивость пшеницы.
Так, в опытах Н.А. Наумова иммунный к бурой ржавчине гибрид пшеницы на фоне азотного удобрения имел 31% некротических пятен, на неудобренном фоне — 6%, а при внесении калия — доли процента. Неодинаковой была сортовая реакция на внесение калия (в отношении повышения устойчивости к ржавчине): сорта Тулун 3A-31 и Лютесценс 62 реагировали положительно и сильно на нормальную дозировку калия, а сорт Гарнет положительно реагировал лишь на тройную дозу.
Для теории иммунитета и развития селекции на устойчивость пшеницы к болезням основное значение имеет изучение факторов устойчивости пшеницы к инфекциям, связанных со свойствами самого растения, его видовыми и сортовыми особенностями.
Наряду с отмечавшимися уже анатомо-морфологическими особенностями важное значение для устойчивости растений имеет их химический состав. Один из признаков облигатных паразитов заключается в отсутствии у них некоторых ферментов и неспособности, таким образом, самостоятельно образовывать ряд жизненно важных органических соединений. Развитие паразита в связи с этим прямо зависит от наличия этих соединений в клетках растения-хозяина или от способности паразита изменять обмен веществ хозяина таким образом, чтобы это обеспечивало снабжение паразита необходимыми ему соединениями.
Выше уже отмечалась связь развития ржавчинной инфекции с наличием промежуточных продуктов фотосинтеза пшеницы. Есть основания полагать, что такими продуктами могут быть богатые энергией фосфорные эфиры сахаров, образующиеся в процессе фотосинтеза. Исследования показали, что облигатные паразиты не могут синтезировать фосфорные эфиры из сахаров и неорганического фосфора. Таким образом, облигатный паразит нуждается в конкретных промежуточных продуктах углеводного обмена пшеницы. Развитие же факультативных паразитов больше связано с общим содержанием углеводов и белков, которые они легко используют, обладая соответствующими ферментами.
Приспособленность обмена веществ облигатных паразитов к обмену веществ пшеницы приводит к тому, что возбудитель нуждается в совершенно определенных специфических белках хозяина или даже определенных частях белковых молекул. Как считает П. Аллен, восприимчивость, например, к мучнистой росе и ржавчине, обусловлена присутствием специфических белков, необходимых для питания паразитов, невосприимчивость к болезни — отсутствием этих белков.
Однако и особенности химического состава не могут объяснить всех сложных явлений иммунитета. Как считает Б.А. Рубин, в большом числе случаев основная роль в защите растения от инфекции принадлежит свойствам, которые проявляются только как ответная реакция на заражение и не обнаруживаются в здоровом растении.
Между внедрившейся в клетку инфекционной гифой и протоплазмой клетки устанавливается взаимодействие, которое может проявляться очень различно. У невбсприимчивых сортов может наблюдаться бурно протекающая реакция сверхчувствительности, описанная выше. У восприимчивых сортов, как правило, реакция между возбудителем и пшеницей развивается очень медленно, и инфицированные клетки длительное время остаются живыми.
Важнейшую роль в реакции на инфекцию у иммунных и неиммунных форм пшеницы, как и у других растений, имеют особенности их окислительных систем. Роль окислительных процессов в иммунохимических реакциях впервые была подчеркнута основоположником отечественной биохимии А.Н. Бахом. При этом наряду с уже отмеченной общей активизацией интенсивности дыхания пораженных тканей, играющей, видимо, важную роль в защитных реакциях и репарационных процессах, имеет значение также устойчивость отдельных окислительных ферментов и смена путей окисления у больных растений по сравнению со здоровыми.
При изучении методом меченых атомов путей окисления глюкозы у пшеницы, пораженной мучнистой росой или ржавчиной, в ряде исследований было обнаружено повышение роли пентозофосфатного пути. Согласно точке зрения Б.А. Рубина, значение этого факта состоит в том, что с функционированием пентозофосфатного пути сопряжен синтез ароматического кольца, лежащего в основе фенольных соединений, которым, в соответствии с концепцией А.Н. Баха, придается важная роль в защите от инфекции.
Физиологические аспекты иммунитета пшеницы

Окисленные фенолы обладают разносторонней физиологической активностью. В частности, они имеют тесное отношение к обмену ароматических аминокислот и к метаболизму индолилуксусной кислоты. Б.А. Рубин указывает на способность окислительных фенолов ингибировать действие дегидрогеназ. Образующиеся в результате искаженного обмена веществ в инфицированной клетке метаболиты образуют своеобразные химические барьеры. Кроме того, окисленные фенолы относятся к числу агентов, разобщающих дыхание и фосфорилирование и нарушающих, таким образом, энергетический обмен клетки. В итоге действие фенолов приводит к образованию некрозов — участков отмерших тканей, играющих роль барьеров, сдерживающих распространение инфекции.
В ряде исследований подтвердилась связь устойчивости сортов пшеницы к ржавчине с содержанием фенолов (рис. 41), причем выяснилось, что физиологическая активность отдельных фенолов различна.
Как известно, основные средства борьбы с болезнями пшеницы — использование устойчивых сортов и протравливание семян. Эффективность обоих этих путей снижается тем, что паразит обладает колоссальной приспособляемостью. Имеющиеся факты показывают, что длительное применение гранозана и других протравителей обусловливает возникновение фунгицидоустойчивых рас паразитов, что может привести к потере значимости существующих химических средств. Точно так же устойчивые к ржавчине и другим болезням сорта пшеницы теряют свою устойчивость через 8—10, а часто и через 4—5 лет. Видимо, основной путь борьбы с болезнями — выведение иммунных сортов и их постоянное обновление: эволюции паразита должна быть противопоставлена управляемая человеком и достаточно быстрая эволюция культурных растений.