2.3.2. Биохимические средства нападения грибов на растения

Эти средства очень разнообразны. Можно выделить следующие: 1) фитотоксины; 2) гормоны роста; 3) ферменты; 4) закупоривающие сосуды вещества; 5) воздействие на накопление первичных метаболитов у растения. Многие биохимические средства грибов имеют аналоги в мире бактерий, среди которых также немало патогенов растений.

Фитотоксины. Сравнительно хорошо изучены патотоксииы гриба, который вошел во многие обзоры по экологии как классический пример интродуцента, вызвавшего в местных экосистемах катастрофические последствия. Это гриб цератоцистис вязовый (Сеrаtostomella) Ceratocystis nimi (подкласс эуаскомицетов). Азиатский штамм этого гриба, попав в США, вызвал почти полную гибель вязов на огромных территориях. С 1934 по 1940 г. область, охваченная заболеванием, возросла с 6250 до 97 500 км². Гриб переносится насекомыми, и один из основных переносчиков - короед струйчатый заболонник Scolylus multistrialus. Популяции вяза в Северной Америке не проходили совместную эволюцию (коэволюцию) с цератоцистисом вязовым и не обладали эффективной биохимической защитой против него. Гриб выделяет несколько патотоксинов, губительных для вяза, в которые входит смесь гликопротеинов и низкомолекулярные фенольные вещества.

Характерно, что и цератоцистис, и многие патогены вырабатывают сразу целый набор патотоксинов, в который могут входить вещества, резко отличные друг от друга по химической природе.

Среди патотоксинов грибов некоторые представляются весьма интересными ввиду их специфичности. Так, недавно получены новые данные о высокой специфичности токсинов гриба Alternaria citri [Gardner et al., 1985]. Среди шести токсинов наиболее активен так называемый Токсин I (ЕД₅₀ = 30 нг/мл), проявлявший токсичность (измеряемую по ингибированию включения 14С-пролина в ткани) только для трех из десяти испытанных сортов цитрусовых. Токсин I представляет собой 19-углеродный полиалкоголь с α-дигидропироновым кольцом.

Изучение подобных специфических токсинов весьма интересно ввиду желательности разработки высокоспецифичных гербицидов для сельского хозяйства.

Среди тех токсинов грибов, которые привлекают внимание как прообразы гербицидов,-светоактивируемые токсины, в том числе так называемый церкоспорин. При освещении церкоспорин образует синглетный кислород и супероксид и повреждает растения в результате переокисления их мембранных липидов [Rawls, 1986].

Обзор свойств некоторых фитотоксинов грибов дан в ряде работ (например, [Мирчинк, 1986; Беккер, 1988]).

Гормоны роста. Эти вещества вырабатываются некоторыми грибами; они изменяют метаболизм и стимулируют быстрый рост травянистых растений в длину. Стебли вытягиваются и под тяжестью собственного веса сгибаются или полегают. Растение ослабевает и становится более уязвимым и доступным для сапрофитных грибов. Типичный продуцент - патоген риса гриб гибберелла-Gibberella (подкласс эуаскомицеты). Гиббереллины, получившие свое название от этого гриба, образуются и другими видами грибов, например Taphrina из аскомицетов.

Один из активных продуцентов гиббереллипов - гриб Fusarium moniliforme, который является конидиальной стадией Gibberella fujikuroi. Экологическое значение может иметь то, что гиббереллины адсорбируются почвой и могут сохраняться в ней в адсорбированном виде [Мирчинк, 1976].

Ферменты, ингибиторы ферментов, их биотехнологическое значение. Ферментами грибов и их ингибиторам посвящено огромное число работ (например, [Мирчинк, 1976; Безбородов, 1986; Glanser, Ban, 1983; Williams et al., 1986; и др.]). Среди ферментов грибов, разрушающих клеточные оболочки растений, можно выделить следующие группы ферментов (в произвольном порядке).

1. Ферменты пектиназы. освобождающие микрофибриллы целлюлозы от связи с матриксом клеточной стенки и разрушающие пектин. Сюда входят пропектиназа, пектинэстеразы, полигалактуроназы.

2. Комплекс ферментов, разрушающих фибриллы целлюлозы.

3. Ферменты, гидроксилирующие другие полисахариды (например, ксилан, галактоманнан, арабиногалактап и др.).

4. Ферменты, разрушающие лигнин.

Кроме того, у ряда штаммов грибов встречаются ферменты, модифицирующие и разрушающие те химические вещества, с помощью которых растение защищается от грибов. Их разнообразие очень велико.

Немаловажную роль во взаимодействии растения и гриба играют вырабатываемые патогеном протеиназы, фосфатазы, дегидрогеназы, экзоцеллюляриая пероксидаза и другие ферменты.

Ферменты грибов имеют огромное экологическое значение и помимо их патогенной роли для растений. Именно благодаря мощному ферментному аппарату грибы выполняют свою биосферную роль редуцентов, разрушителей органического вещества. Только эти ферменты (наряду с ферментами бактерий) обеспечивают распад в экосистемах устойчивых полимеров.

Эти ферменты (особенно целлюлазного комплекса, а также разрушающие лигнин) приобретают сейчас весьма большое значение для разработки биотехнологических приемов утилизации отходов сельского и лесного хозяйства, для экологизации этих отраслей экономики, а также энергетики и некоторых видов промышленности.

Для биотехнологии и охраны среды от загрязнения лигнинсодержащими отходами представляют интерес многие виды грибов, способные к ферментативному разрушению лигнина, в том числе дрожжи Trichosporon fermentans, Т. penicillatnm [Glanser, Ban, 1983]; гриб Phanerochaete chrysosporium или Polyporus tulipiferae, Fusarium sp. и некоторые съедобные грибы [William et al., 1986]. Обзор данных о способности многих почвенных грибов разрушать лигнинсодержащий растительный опад сделала Мирчинк [1976].

Биотехнологическое и экономическое значение имеет также способность ряда грибов и бактерий разрушать таннины. Танназа (ЕС 3.1.1.20) была выделена из Aspergillus spp., Penicillium spp.t Candida sp. [William et al., 1986].

Наряду с продуцированием высокоактивных ферментов грибы синтезируют ингибиторы ферментов (см, например, [Безбородов, 1986]), которые могут нести функцию регуляции этих ферментов и защиты от них самих клеток продуцентов. Набор найденных ингибиторов ферментов грибов (а также бактерий) весьма широк.

Одновременно необходимо отметить, что ингибиторы ферментов могут служить грибам и в роли химического оружия для защиты от других грибов, для агрессии против растений (тогда трудно провести грань между патотоксинами грибов и ингибиторами ферментов), для более эффективной конкуренции с грибами-антагонистами за среду обитания.

Последнюю функцию - оружия в конкурентной борьбе - могут нести и ферменты грибов. Так, виды Trichoderma spp. (в том числе Trichoderma harzianum) могут служить средством биологической борьбы против патогена Rhizoctonia solani, так как трихо- дерма продуцирует ферменты - хитиназу и β-1,3-глюконазу, которые разрушают клеточные стенки патогенных грибов [Lynch, Ebben, 1986].

Вещества, закупоривающие сосуды. Один из эффективных способов ослабить растение при грибной инфекции - закупорка сосудов, проводящих воду. Закупорка происходит вследствие того, что грибы вырабатывают полисахаридные клеи или другие вещества. Некоторые из этих веществ охарактеризованы и получили свои названия. Так, гриб фузариум - Fusarium oxyspornm (класс несовершенные грибы, подкласс гифомицеты) вырабатывает наряду с патотоксинами вещество вазинфускарин, которое закупоривает проводящие сосуды растения. При бактериозах (поражении растений бактериальными патогенами) также нередко наблюдается закупорка сосудов слизистыми массами бактерий.

Воздействие на накопление у растений первичных метаболитов. Гриб может интоксицировать растение даже без выработки специальных патотоксинов. В некоторых случаях гриб воздействует на нормальный метаболизм растительной клетки таким образом, что она начинает накапливать необычно большие количества одного из первичных метаболитов. Так, плесневый гриб ризопус Rhizopus (класс зигомицеты, сем. Mucoraceae) может вызывать у растения накопление фумаровой кислоты. Далее растение само окисляет ее с образованием токсичного эпоксисукцината. Затем эпоксисукцинат превращается в мезовинную кислоту, которая, в свою очередь, окисляется в щавелевоуксусную кислоту, участвующую в цикле Кребса. Однако появление существенных концентраций эпоксисукцината достаточно для интоксикации растения.

Экологическое и прикладное сельскохозяйственное и биотехнологическое значение биохимических средств агрессии грибов.

Значение этих веществ выходит за рамки фитопатологии. Поскольку растения не могут физически передвигаться (подобно тому как животные убегают от хищников) и не способны механически уничтожать грибы, то исход поединка между грибами и постоянно доступными для них растениями решает соотношение между эффективностью биохимических средств нападения грибов и эффективностью биохимических средств защиты растений. В свою очередь исход этой борьбы определяет принципиально важный параметр экосистемы: какая доля первичной продукции поступит в детритный канал потребления (в трофическую цепь: растение → сапрофиты и т. д.), а какая доля - в пастбищную цепь. Поэтому все рассмотренные химические вещества с точки зрения экосистемы, где они действуют, являются хеморегуляторами. С определенным основанием их можно назвать химическими ценозорегуляторами.

Конечно, огромное значение имеют химические средства агрессии грибов для понимания фитопатологического процесса. Данному вопросу посвящена огромная литература.

Сельскохозяйственное значение могут иметь фитотоксины гри- оов как прообраз гербицидов. Интересна в этом случае специфичность действия ряда фитотоксинов грибов на высшие растения.

Еще один аспект селькохозяйственного значения грибов - роль их токсинов и продуктов активности их ферментов в токсикозе почв, почвоутомлении и аллелопатии (например, [Мирчинк, 1976, Гродзинский и др., 1987]; см. также гл. 3 данной книги).

Рассмотренные в данном разделе вещества относятся к весьма эффективно действующим БАВ, которые могут быть получены при культивировании соответствующих грибов как биотехнологических объектов.

Ферменты грибов (а также некоторых прокариот) и ферментативные реакции в среде их культивирования могут использоваться для микробиологической трансформации веществ с целью получения соединений, применяемых в промышленности и медицине.

Высокоэффективный и многофункциональный аппарат ферментов грибов, их быстрая биохимическая адаптация к новым субстратам порождают еще одну серьезную экологическую и экономическую проблему - биоповреждение материалов и изделий.