Растителният имунитет – същност и възможности. Част Първа

Разработването на продукти и технологии на базата на естествения растителен имунитет е приоритет и в основата на дейността на Научно-изследователски и технологичен център Плантис – гр. Разград още от неговото създаване. Имунотехнологиите се оформят постепенно като необходим и задължителен фактор за ефективната и рентабилна растителна защита с широкообхватното си въздействие и синергизъм с конвенционалната химична защита. Спрямо тях патогените и фитофагите много трудно и продължително изработват устойчивост, тъй като имунната защита атакува ключови, консервативни процеси в техния метаболизъм. В някои случаи изработването на резистентност от патогена е невъзможно. Имунотехнологиите се разработват от Практическата растителна имунология, чиято основна цел е да превърне достиженията на теоретичната растителна имунология в продукти и технологии за приложение в промишленото растениевъдство. Оформя се едно съвсем ново направление в растителното здраве – Имунната растителна защита (ИРЗ), която може самостоятелно или в комбинация с химичната растителна защита (ХРЗ) да осигури устойчиво развитие на растенията и реализация на пълния им потенциал. Отделянето на терминологията при ИРЗ от тази на химичната растителна защита ХРЗ се налага поради принципните разлики в механизма на действие и противодействието срещу нападателя. При ХРЗ имаме екзогенен фактор на противодействие – абиогенно химично вещество получено чрез изкуствен синтез. При ИРЗ механизма на противодействие се дължи изцяло на сложни, каскадни процеси, заложени в генома на растенията- идентификация на нападателя, сигнализация към генома, експресия на гените на имунния отговор и синтез на факторите на имунния отговор неутрализиращи нападателя. Последните имат изцяло биогенен произход и се синтезират от самата клетка. Затова трябва да правим разлика и в терминологията на двата клона на растителното здраве и да въведем за ИРЗ вместо фунгициден и инсектициден ефект следните термини , отразяващи най-пълно същността на противодействието:
Антипатоген и антипатогенен ефект – включва противодействие на фитопатогени от всякакъв тип – гъби, бактерии, фитоплазми и вируси.
Антиинсект и антиинсектен ефект – противодействие на насекомни вредители – гризещи и смучещи насекоми, включително акари и нематоди.
Докато ХРЗ има тотален ефект върху нападателите чрез контактно или системно действие, то ИРЗ има изцяло системно, но локално в началото действие, което постепенно обхваща цялото растение. За разлика от химичната растителна защита ИРЗ атакува чрез многопластови механизми нападения от всякакъв характер. Тя е в състояние да блокира и да лекува заболявания, с които ХРЗ не може да се справи. Често се наблюдава следната зависимост: заболяване, което не може да се контролира с ХРЗ, може да се контролира с ИРЗ.
Възможна ли е комплексна борба срещу фитопатогени, насекомни вредители, нематоди и дори вируси чрез естествения растителен имунитет? Какво представлява той и какви са неговите възможности?
В природата растенията са принудени да съществуват съвместно с огромен брой организми, като много от тях са патогени или фитофаги. За да се опази от въздействието им те трябва своевременно да разпознаят атакуващия организъм и да му противодействат с ефективен защитен механизъм или система от реакции. Именно съвкупността от такава единна система за противодействие се определя като фитоимунитет. Първият и най-важен фактор във фитоимунитета е вродената способност за разпознаване на нападателя по характерни за него молекулярни структури, контактуващи със специални рецептори по клетъчната мембрана на растителната клетка. Този механизъм на разпознаване е характерен за всички многоклетъчни организми. В резултат на разпознаването се задейства каскада от биохимични реакции целящи елиминиране на нападателя и ограничаване на пораженията. Това е неспецифичния, вроден имунитет, който генерира Факторите на имунния отговор (ФИО): синтез на Активни форми на кислорода- пероксиди (АФК), защитни и PR-протеини (pathogenesis related proteins), фитоалексини, фитоантисипини, структуроизграждащи полизахариди и др.
Активните форми на кислорода се синтезират при Реакцията на свръхчувствителност (РСЧ), която се задейства в първите етапи след разпознаването на нападателя и стартиране на имунния отговор. РСЧ е първата и най-скоростна бариера срещу инвазията. След разпознаването следва сигнализация към ядрото и експресия на гените отговорни за синтез на хормоните на имунитета – салицилова, жасмонова киселина, етилен и др., които от своя страна предизвикват отключване на различните механизми на имунен отговор, като първата бариера е именно РСЧ. При нея синтезираните активни форми на кислорода, като силни окислители, унищожават растителната клетка заедно с патогена. Защитните и PR-протеини присъстват в малки концентрации преди нападението, но след разпознаване на нападателя и задействане на имунния отговор започва бурен синтез на такива протеини. Те са нискомолекулни, с малък обем и често комбинирани с метален йон и представляват специфично оръжие срещу много от групите нападатели.Фитоалексините са небелтъчни метаболити с вторичен произход, които не присъстват в клетката до нападението. Синтеза им се активира със задействане на имунния отговор. Фитоантисипините присъстват постоянно в клетката и са част от постоянната бойна готовност на растенията. По произход те също са вторични метаболити с небелтъчна природа и с висока токсичност за фитофаги и патогени: сапонини, алкалоиди, сърдечни и цианогенни гликозиди и др.
Еволюцията на патогените винаги е спрегната с тази на растенията – коеволюция. Те са изработили начини за заобикаляне или неутрализиране на разпознаването им заложено във вродения, неспецифичен имунитет. Това заобикаляне и неутрализиране се осъществява от протеини-ефектори (елиситори), които се доставят директно в цитоплазмата на растителната клетка без да контактуват с рецепторите по клетъчната мембрана. Така патогените заобикалят базовата защита и осъществяват инфектирането на клатката. В процеса на противодействие на тези механизми на инфектиране, растенията са намерили противодействие. Появяват се вътреклетъчни, цитоплазматични рецептори на ефекторните белтъци, които разпознават нападателя и задействат второ ниво на защита – специфичния или индуцируем растителен имунитет. Всеки ефекторен белтък на патогена се кодира от ген на вирулентност. Срещу него растението също синтезира протеин кодиран от специален ген – ген на устойчивост. Ако в растението липсва ген на устойчивост срещу гена на вирулентност на патогена, настъпва инфектиране на клетката.
Защитните протеини или инхибиторите с протеинова природа са най.мощното и ефективно оръжие на растенията за противодействие на нападения от различни по тип нападатели. Те блокират жизнено важни ензими и ензимни системи, като с това причиняват бърза смърт на нападатели като: гъби, бактерии насекоми и нематоди. Оформят се три линии на противодействие чрез три ясно разграничени механизма:
1. Синтез на инхибитори на енергосинтеза при гъбни и бактериални патогени. Чрез ниско молекулни протеини, комбинирани с метален йон се постига инхибиране на АТФ-синтетазата в клетъчните мембрани на бактерии и гъби, с което патогена се лишава от енергия за осъществяване на инвазията и за блокиране на сигнално-защитните системи в растителната клетка. Това е най-често използвания и най- ефективен механизъм за защита при така наречения "Стражеви режим", когато растителната клетка поддържа "постоянна бойна готовност" и неутрализира на мига всички опити за проникване дори в междуклетъчните пространства на патогени или техни органи за инвазия.
2. Синтез на инхибитори на хитин синтетазата. Засяга всички фитофаги образуващи хитин - бактерии, гъби и насекоми. Блокирането на ензима хитинсинтетаза води до невъзможност изграждането на клетъчната стена при микроорганизмите и на външния скелет при ларвите и възрастните форми на насекомите-фитофаги. Механизма на действие е подобен на химичния агент Диметоат - активно вещество на широко прилагания инсектицид Би-58. Той засяга най-вече активно хранещи се ларвни стадии.
3. Синтез на ензимни инхибитори: на стомашните протеази, алфа амилазата и пектиназата. Засяга основно насекоми, включително акари и нематоди. Протеазите са ензими разграждащи протеините в храната. Инхибирането им води до блокиране на стомашно-чревния тракт на насекомите и нематодите и до тяхната смърт. Алфа амилазата е важен ензим за разграждане на растителната скорбяла, а пектиназата е ензима разграждащ пектина в растителната клетъчна стена. Досега в растенията са открити 10-13 разновидности на инхибитори на стомашните протеази в насекомите. Най-добре изучени са протеиназите при житните и бобовите култури. При житните те са комбинирани и инхибират както трипсина, така и алфа-амилазата в насекомите. Това прави невъзможно разграждането на протеините. При пшеницата е установено комбинирано инхибиране, при което инхибиторите на протеиназите са свързани с инхибитори на синтеза на хитин. Получава се комплексен и по-ефективен отговор срещу насекомните вредители. Ензимите на насекомите са специфични само за тях и се различават от тези на гръбначните животни. Те са един от факторите за разпознаване на нападателя и определяне на типа на имунния отговор. Най-интересното е, че отделните типове инхибитори могат да се акумулират в семената и да превентират новопоникналите растения. Нещо повече, многократните въздействие чрез имуномодулация върху многогодишни растения в присъствие на нападател, водят до траен отпечатък в имунната памет и реализиране на имунен отговор години след прекратяване на имуномодулацията. Този факт беше установен в наши изследвания върху развитието на имунния отговор на чемшира срещу китайския молец при въздействие с имуномодулатора Акрамет Ултра. Това е прекрасен пример за реакция на имунитета при нападение от външен за нашата ентомофауна фитофаг, с който растенията до този момент не са имали никакъв досег.Случая ще разгледаме по-нататък.
Способността на растенията да атакуват гъби и бактерии се използва и в борбата им срещу насекомните вредители. Много от последните са в симбионтни отношения с определени микроорганизми, обитаващи стомашно-чревния им тракт. Тези симбионти са способни да разграждат вторичните метаболити, продукт на растителния имунитет - растителни токсини, както и химични инсектициди. Те имат основна роля в изработването на устойчовст у насекомите към много от активните вещества в продуктите за растителна защита.
Всеки вредител има свой собствен почерк (пръстов отпечатък) и растенията са в състояние да го разпознаят и да задействат специфичен за вредителя имунен отговор. Този почерк обикновено е молекулен образ на вещества съдържащи се в слюнката, чревното съдържание или вещества съпровождащи полагането на яйцата. Растенията много ясно различават повредите причинени от биотични фактори - патогени и фитофаги, от повредите причинени от абиотични фактори - вятър, температура, валежи, градушка и включват или имунен отговор или репаративни процеси за възстановяване на тъканите. Имунният отговор може да бъде комплексен, на различни нива и с различни средства. При него основна роля играе скоростта на сигнализацията, мобилизацията на генома и метаболизма. Колкото по-висока е скоростта на реакциите, толкова по-мощен и изпреварващ е и имунния отговор - по-бързия печели. Помощта от страна на човека за растенията, на които дължи своята прехрана и благоденствие, е използването на имуномодулаторите и цялостните технологии свързани с тях. Чрез тях се дава важно преимущество на растенията да се справят с инвазия от всякакъв тип и се отнема до голяма степен способността на патогени и вредители да заобиколят защитните им механизми.
В следващата част на статията ще разгледаме механизма на действие на имуномодулаторите Акрамет, действието срещу различните групи патогени и фитофаги и изграждането на индуцирана устойчивост срещу патогени и фитофаги.