🌿 Що дізнаємось у цьому уроці
- Як заражена клітина стійкого сорту перебудовує синтез білків для захисту
- Що таке ізоферменти й чому в стійкого сорту зʼявляються нові
- Чому стійка клітина нарощує вироблення енергії, а сприйнятлива її марнує
- Чому патоген і рослина впливають одне на одного, а не діють в один бік
- Як усе це використовують у селекції на стійкість
📖 Словничок
- Ізоферменти це різні молекулярні форми одного й того самого ферменту
- Індукований синтез це новоутворення захисних білків у відповідь на інфекцію
- Імунологічно специфічний ізозим це новий фермент, що зʼявляється в зараженій тканині стійкого сорту
- Полірибосоми це найефективніша частина рибосом для синтезу білка
- Мітохондрії це органоїди, що виробляють енергію (АТФ)
- Спряження окислення й фосфорилювання це злагоджена робота дихання, за якої енергія йде в АТФ
- Дихальний контроль це показник ефективності енергообміну клітини
У попередньому уроці ми сказали, що імунітет це властивість системи. Тепер зазирнемо всередину зараженої клітини й побачимо, що саме там відбувається. Виявляється, стійкий сорт відрізняється від нестійкого не тим, що має, а тим, як швидко він перебудовує власне виробництво білків і енергії.
Куди б’є інфекція
Багаторічні досліди кафедри фізіології рослин Московського університету показали головне: інфекція цілиться у два життєво важливі центри клітини. Перший центр це білоксинтезуючі системи, другий центр це системи регуляторів енергообміну. При цьому патоген не «ламає» ферменти власними руками: він порушує тонку молекулярну організацію протопласта й мембран, а вже через це збивається вся біохімія. У сприйнятливих форм структура протопласта лабільна й легко піддається дезорганізації метаболітами паразита, а в імунних форм вона стійка, тож рослина навіть після зараження підтримує нормальний обмін і ще й активує процеси, потрібні для боротьби.
Білки як зброя
Між стійкими й сприйнятливими сортами є чіткі відмінності на рівні білків. Захисну роль відіграють різні білки: одні будують барʼєри, інші блокують ферменти патогена (наприклад, білок, що інгібує екзополігалактуроназу грибів, тобто саме той фермент, яким гриби руйнують клітинні стінки). Проти вірусів клітина стійкого сорту виробляє інтерфероноподібні білки, а у сприйнятливого їх немає.
Дослідниця М. Є. Ладигіна вивчала мембранні білки мітохондрій тютюну. У імунного виду Nicotiana glutinosa білки здорових листків виходять при розділенні одним піком. А через 48 годин після зараження вірусом тютюнової мозаїки зʼявляється новий білок (пік II), якого немає ні в здоровій тканині, ні в зараженій до початку відмирання клітин. Його молекулярна вага близько 26 000, і саме він гальмує некрози на 50 – 60 відсотків. У сприйнятливого виду Nicotiana tabacum антивірусних білків немає.
Нові ізоферменти стійкого сорту
Один фермент може існувати в кількох молекулярних формах, це ізоферменти. Головна відмінність стійкого сорту в тому, що у відповідь на зараження він запускає індукований синтез нових захисних ізоферментів. Показовий приклад: сам гриб сірої гнилі Botrytis cinerea не має ферменту пероксидази, але в зараженій тканині стійкого сорту капусти її активність різко зростає, бо клітина будує фермент заново. У стійкого сорту навіть зʼявляється зовсім новий ізозим, якого немає ні в здоровій тканині, ні у сприйнятливого сорту.
Це не здогад, а вимірювання. Капусту «годували» міченим по вуглецю лейцином, щоб бачити швидкість синтезу білка. У стійкого сорту Амагер вбудовування лейцину в пероксидазу після зараження різко зростало, а інгібітор білкового синтезу цей приріст знімав. У нестійкого сорту Номер Перший активність пероксидази й включення мітки, навпаки, падали: нового білка не будувалося взагалі.
Швидкість синтезу захисного білка після зараження, % до здорової тканини
Причина в рибосомах: у стійкого сорту після зараження зʼявляється пік полірибосом, найефективнішої машини синтезу білка, а у сприйнятливого його немає.
Такий самий розрив видно й на інших культурах. В огірків при зараженні борошнистою росою швидкість синтезу білка у стійкого сорту зростала на 50 – 60 відсотків, а у сприйнятливого навіть падала вдвічі. На кукурудзі й збуднику пухирчастої сажки Ustilago zeae у стійкішої лінії ВІР-40 інфекція підвищувала активність ферменту у два-три рази проти сприйнятливої лінії ВІР-44 і додавала нові ізозими. Саме тому поява нових форм ферментів стала критерієм у селекції кукурудзи на стійкість.
Стійка клітина нарощує енергію
Будувати захисні білки коштує енергії, і тут стійкі сорти теж мають перевагу. Інфекція спонукає клітину нарощувати мітохондрії. Але важлива не лише їх кількість, а якість:
Нові мітохондрії активні: окислення й фосфорилювання спряжені, енергія йде в АТФ (високий дихальний контроль). Цей надлишок енергії витрачається на захисні біосинтези, зокрема антибіотичних речовин.
Мітохондрії енергетично неповноцінні: окислення йде вхолосту, без утворення АТФ. Дихання ніби працює, але корисної енергії на захист майже не дає.
Механізм тонший, ніж просто «більше мітохондрій». Стійка форма піднімає ефективність ще й тим, що посилює спряження окислення й фосфорилювання у вже наявних мітохондріях. Це видно по зростанню дихального контролю й коефіцієнта Р/О (він же АДФ/О), тобто скільки АТФ припадає на спожитий кисень. Пастка для сприйнятливих форм така: швидкість окислення в них теж зростає, дихання ніби кипить, але воно не звʼязане з фосфорилюванням. Такі мітохондрії окислюють субстрат «по вільному шляху», не мають дихального контролю й дають низький Р/О, тож уся енергія розсіюється як тепло.
⚡ Цікавий факт
Нові ізоферменти можна зробити паспортом стійкості. Оскільки в зараженій тканині стійкого сорту зʼявляються імунологічно специфічні ізоферменти, яких немає у сприйнятливого, їх використовують як біохімічний критерій у селекції. Так, на кукурудзі поява нових ізозимів у відповідь на збудника сажки допомагає відбирати стійкі лінії ще до польових випробувань. Клітина сама підказує селекціонеру, хто з насаджень готовий боронитися.
Це вулиця з двостороннім рухом
Досі ми дивилися лише в один бік: як патоген діє на рослину. Але впливають обидва партнери, тобто працює принцип прямого й зворотного звʼязку. Рослина-хазяїн теж змінює фізіологію збудника.
Гриб фузаріум вирощували на штучному середовищі, а потім на 6 годин переносили на витяжку з тканин бавовнику. У вірулентного штаму № 15 витяжка різко активувала фізіологію: зростав рівень окислювальних процесів і, найважливіше, зʼявлялися нові компоненти в ізозимному спектрі малатдегідрогенази. У авірулентного штаму № 61 навпаки: включення мітки зменшувалося, нові ізозими не утворювалися. Тобто «спілкування» з рослиною теж запускає індукований синтез, але вже в патогена, і тільки в того, хто вміє нею скористатися.
Ці відмінності мають енергетичне підґрунтя. У вірулентного штаму рівень відновленості нуклеотидної системи у 1,5 – 2,5 раза вищий, ніж у авірулентного, а це означає більший запас енергії для агресії. Порівняй показники енергосистем двох штамів гриба:
| Показник (ізольовані мітохондрії) | Авірулентний штам | Вірулентний штам |
| Сума нуклеотидів, мкМ на 1 г свіжої маси | 2,92 | 3,08 |
| Рівень відновленості (віднов. до окисл.) | 0,90 | 1,50 |
| Загальний енергозаряд | 0,57 | 0,79 |
Вірулентний штам скрізь енергетично «заряджений» сильніше. Такі показники беруть за орієнтир вірулентності й застосовують при доборі штамів для провокаційних фонів у селекції.
📌 Підсумок уроку
Інфекція б’є у два центри клітини: білоксинтезуючі системи й регулятори енергообміну. Стійкий сорт швидко запускає індукований синтез захисних білків, зокрема нових ізоферментів, яких немає ні в здоровій тканині, ні у сприйнятливого сорту (пероксидаза проти сірої гнилі, новий білок тютюну вагою близько 26 000 проти вірусу); швидкість синтезу у нього в 2 – 3 рази вища, бо зʼявляється пік полірибосом. Водночас стійка клітина будує повноцінні мітохондрії зі спряженим окисленням і фосфорилюванням та високим дихальним контролем, тож дає багато АТФ на захист; у сприйнятливого окислення йде вхолосту, з низьким Р/О. Але це взаємодія: рослина теж міняє патоген, і сам вірулентний штам заряджений сильніше за авірулентний. Нові імунологічно специфічні ізоферменти й показники енергообміну використовують як критерії в селекції на стійкість.
🤔 Подумай
- Чому кажуть, що стійкий сорт відрізняється не тим, що він має, а тим, як він реагує на зараження?
- Чому у сприйнятливого сорту дихання посилюється, а користі із цього для захисту майже немає?
- Що означає, що рослина й патоген впливають одне на одного, а не діють лише в один бік?
У лабораторії порівняли дві форми винограду після штучного зараження. У першої різко зросла активність захисних ферментів і зʼявився новий ізозим, у другої дихання посилилося, але нових ферментів не додалося. Яка форма стійкіша і чому?
Прочитати відповідь
Стійкіша перша форма. Різке зростання активності захисних ферментів і поява нового, імунологічно специфічного ізозиму означають, що клітина запустила індукований синтез захисних білків, тобто активно перебудувала своє виробництво під оборону. У другої форми дихання начебто посилилося, але без новоутворення захисних ферментів це радше ознака неповноцінного енергообміну: окислення йде вхолосту, а корисної енергії й захисних білків клітина не дає. Тому саме появу нових захисних ізоферментів варто брати за критерій стійкості, а не саме лише посилення дихання.
