Физиолого-биохимическая природа устойчивости:
Вторичные метаболиты и устойчивость растений

автор:

Растения, продуцирующие богатые энергетическими запасами семена (углеводы, липиды, белки), обычно аккумулируют в значительных количествах антипитательные вещества (АПВ). Это касается многих зерновых бобовых культур, которые наряду с большим содержанием белка содержат лектины, ингибиторы протеаз, свободные аминокислоты, алкалоиды, цианогенные гликозиды, сапонины, таннины, изофлаваноиды, олигосахариды и др. АПВ вырабатывались в процессе эволюции как вещества, защищающие растения от травоядных животных, микроорганизмов и вирусов.

Алкалоиды определяют основные антипитательные свойства многочисленных однолетних и многолетних видов Lupinus. Общая концентрация алкалоидов колеблется от 0,01 до 4% в зависимости от вида люпина и органа растения.

Алкалоиды синтезируются и образуются во всех частях растения — вегетативных и репродуктивных. Они оказались отпугивающим средством и летальными для многих насекомых, особенно тлей, личинок бабочек, пчел, цикадок, жуков, муравьев и позвоночных. Кроме того, алкалоиды ингибируют конкурирующие растения, вирусы, бактерии и грибы. В связи с этим селекционеры создают „сладкие“ сорта люпина с очень низким содержанием алкалоидов, которые страдают от травоядных (кролики, зайцы) и вышеперечисленных насекомых и болезней .

Однако, защитный эффект алкалоидов наблюдается при воздействии на неспециализированных паразитов. На специализированных паразитах защитный эффект алкалоидов не отмечен. К последним относятся грибы типа Collectotrichum aculatum и Pleiochaeta setosa, или такие насекомые, как тля (Macrosiphum albifrons) — в этом случае хищники могут страдать от наркоза, поедая тлей на алкалоидном люпине.

Бобовая муха (Delia platura) поражает горький люпин так же, как сладкий, несмотря на ее неспециализацию. Это объясняется тем, что она поражает корни при прорастании, когда содержание алкалоидов у горьких форм очень низкое. Таннины, сконцентрированные в кожуре, индуцируют токсичное воздействие на грибы, особенно Fusarium, однако выведены устойчивые сорта, не содержащие таннина.

В рамках Европейской программы CAMAR относительно яровых сортов кормовых бобов показано, что присутствие или отсутствие таннинов не влияет на листовые патогены, такие, как Ascochyta и Botrytis fabae. Jellis и Vaccie проделали гибридологический анализ зависимости наследования устойчивости к аскохитозу кормовых бобов от содержания в семенах таннина и других АПВ. Восприимчивость к болезням и присутствие АПВ, таких, как таннин, вицин и конвицин являются факторами, лимитирующими возделывание и утилизацию кормовых бобов как белковой культуры. Поэтому, гены, кодирующие низкое содержание АПВ, инкорпорируются в высокоурожайные сорта. Утвержденная в 1992 году научная программа Европейского Союза предусматривает создание сортов кормовых бобов, сочетающих высокую устойчивость к болезням с низким содержанием АПВ.

В рамках этой программы авторами был проведен следующий эксперимент. Были проведены реципрокные скрещивания между L29H, устойчивой к Ascochyta fabae и тремя генотипами с низким содержанием АПВ: сортом Toret и линией CN170, несущих разные рецессивные гены, контролирующие блокирование синтеза таннина (0-таннин) и линией ZVC1268 с рецессивным геном 0-вицин (не содержащая вицина). Семьи F3; выращенные в защищенных от насекомых-опылителей клетках, были разбиты на 2 класса — с высоким и низким содержанием АПВ. Затем отобранные потомства высевали в поле, где их оценивали на устойчивость к аскохитозу по 9-балльной шкале, по которой линии кормовых бобов с баллом 1—2 были отнесены к устойчивым. 0-таннин-линии не отличались заметно по устойчивости от таннин-содержащих линий, что указывает на отсутствие сцепления между генами, контролирующими эти два признака.

В отличие от этого, имеется заметный сдвиг в сторону увеличения восприимчивости к патогену у 0-вицин — линий по сравнению с вицин — содержащими линиями в потомствах F3 этого же гибрида.

Полученные данные приводят к следующим выводам:

1) предполагается наличие более, чем одного гена у линии 29Н, контролирующих устойчивость к аскохитозу;

2) подтверждается наличие сцепления между генами, контролирующими содержание вицина / конвицина и устойчивость к аскохитозу у кормовых бобов.

По устойчивости к насекомым вредителям не отмечено серьезных различий между таннин-содержащими и свободными от таннина кормовыми бобами. В одном исследовании (Desroches et al., 1995) установлено, что вицин, содержащийся в семядолях кормовых бобов, влияет на выживаемость определенного вида зерновки (Callobruchus maculatus F.) и не эффективен по отношению к С. chinensis L. Bruchus rufimanus меньше повреждал кормовые бобы с темными семенами и больше белосемянные формы. С. maculatus хуже проникал в семена с высоким содержанием таннина и имел меньшую выживаемость личинок в семенах с высоким содержанием вицина и конвицина, хотя это находится в противоречии с улучшением кормовых достоинств .

В соответствии с результатами серии полевых опытов, выполненных в течении нескольких лет во Франции можно утверждать, что не наблюдается различий между линиями гороха с низким и высоким содержанием ингибиторов протеаз (трипсина и хемотрипсина) по поражаемости насекомыми во всех фазах развития растений .

Свободные (небелковые) аминокислоты (900 структур), структурно аналогичные белковым аминокислотам, в изобилии содержатся у некоторых бобовых (Vicieae, Phaseoleae, Mimosoideae), являются токсичными и выполняют функцию азот-запасающего компонента. Свободные аминокислоты (САК) могут: принимать участие в биосинтезе рибосомального белка, приводя к образованию дефектного белка; ингибировать синтез аминоацил-tРНК-синтетазы или другие пути биосинтеза белка. Свободные аминокислоты вызывают у растений, микроорганизмов и насекомых уменьшение роста и даже гибель; у позвоночных — эмбриональное уродство, нейротоксичные нарушения, паралич, цирроз печени, аритмию и др.

Цианогенные гликозиды (60 структур) широко распространены среди растений, в т.ч. среди видовLeguminosae: Phaseolus, несколько видов Vicia и Lathyrus. В некоторых случаях, когда растение повреждается травоядными, клеточная перегородка нарушается и цианогенные гликозиды приходят в контакт с (3-глюкозидазой, которая затем гидролизуется до 2-гидроксинитрила. Далее она распадается на соответствующий альдегид или кетон и синильную кислоту (HCN) — последняя представляет из себя сильнейший яд для животных и микроорганизмов.

Семена зерновых бобовых культур богаты олигосахаридами (до 20%), такими, как тетрасахарид стахиоза и трисахарид раффиноза, которые накапливаются как источник углерода в процессе прорастания. У животных олигосахариды вызывают метеоризм (скопление газов). Изофлавины защищают сою и некоторые другие зерновые бобовые культуры от поражения грибковыми патогенами. Сапонины — гликозиды, ядовитые вещества, которые защищают сою, люпин и другие бобовые от животных, растений, грибов и даже бактерий, внося тем самым весомый вклад в устойчивость растения-хозяина.

Могут ли АПВ быть полезными?

При современном проникновении в функции алкалоидов селекция безалкалоидного люпина вызывает сомнения и не является лучшим решением. Для люпина предлагается два альтернативных направления селекции:

1. Отбирать мутанты, которые не накапливают алкалоиды в семенах, но накапливают их в вегетативных органах. В этом случае у растений сохраняется химическая устойчивость при одновременном образовании безалкалоидных сладких семян.

2. Выращивать растения, богатые алкалоидами, но перерабатывать семена и одновременно производить чистый белок, липиды, аминокислоты и диетические волокна (fibres). Оставшийся алкалоидный продукт будет использован или в медицине, или в сельском хозяйстве как естественный протектор растений. Поскольку алкалоиды будут производится, как побочный продукт, они будут значительно дешевле химических пестицидов. Впоследствии генетическая инженерия приведет к другому выбору. Если передать гены, кодирующие биосинтез, транспорт и накопление люпиновых алкалоидов другим растениям, например, хлопчатнику — последний получит новую устойчивость к насекомым .

Все АПВ несут определенные биологические функции. Многие из них являются запасными соединениями азота и углерода для проростков, одновременно выполняя и функции протектора от паразитов. Из-за наличия АПВ семена бобовых мало пригодны для непосредственного потребления и перед употреблением в пищу или корм обычно варятся для инактивации лектинов, ингибиторов протеаз и низкомолекулярных веществ, которые выщелачиваются и вымываются. Многие АПВ разлагаются при прорастании или ферментации. Проращивание семян бобовых или ферментирование продуктов для потребления является эффективным способом уменьшения концентрации АПВ.

Таким образом, вторичные метаболиты бобовых играют большую роль в приспособлении к окружающей среде и устойчивости к насекомым и микроорганизмам. Поэтому, содержание этих веществ следует поддерживать или даже увеличивать в сортах, используемых для питания. При переработке отделяются чистые питательные вещества; остающиеся фракции, содержащие АПВ не нуждаются в ликвидации — некоторые из них являются полезными для фармацевтической промышленности, другие могут быть использованы в сельском хозяйстве, как биологические пестициды.

Ситуация иная в случае, когда зерновые бобовые культуры просто измельчаются перед употреблением в корм или пищу. Для этого требуются сорта с низким содержанием антипитательных веществ.