Введение к работе
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 Шан 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 фитоиммунологи включали в круг исследований выяснение структуры и макромолекулярного состава восприимчивых и устойчивых сортов как критериев для отторжения инфекции /Рубин и др.,!975;Неап\1982; Неіїеш55,1982;Дьяков,1983;Метлицкик,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,Сниридонова, 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 НАН 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; 1998-2002 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 Henn., Blumeria graminis (D.C.) Speer f.sp. secalis Mar-chal 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 новизна 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 биотрофов (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 гельминтоспорноза) 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 биотрофов 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 эндоцнтоза в участках контакта грибных и растительных клеток,
нахождении ядер клеток мезофилла в G:-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:
-
Общность и отличия структуры и ультраструктуры фитопатогенных іри-бов в связи с дивергенцией у них трофности и эволюцией разных форм паразитических отношений.
-
Особенности изменений мембранных структур инфицированной растительной клетки при установлении между взаимодействующими организмами совместимых и несовместимых отношений.
-
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 3-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. Банковской - за участие в выполнении некоторых экспериментов. Не менее признателен директору Центрального ботанического сада НАН академику НАН В.Н. Решетникову и сотрудникам М.Н. Масному и Т.И. Фоменко, заведующему лабораторией ИГЦ НАН П.А. Орлову, руководителю Центра электронной микроскопии НАН Б.А. Долгорукову за предоставленную возможность в проведении ряда исследо-
вашій, связанных с использованием электронного микроскопа и каллусиых культур. Искренне благодарен также члеи-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 П 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; II 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 продуктивЕЮсти 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).
(і
Принятые сокращения: ДГ - диктиосомы Гольджи, ИС - инфекционная структура, МГ - межклеточная гифа, МКГ - материнская клетка гаустория, H1V - плазмалемма, РТ- ростковая трубка, ЭГМа - экстрагаусториальный матрикс ЭГМе - экстрагаусториальная мембрана, ЭР - эндоплазматический ретикулум.
