Tarchevsky I.A. Sistem sinyal sel tumbuhan

Efek obat elisitor disebabkan oleh adanya zat aktif biologis khusus dalam komposisinya. Menurut konsep modern, zat pemberi sinyal atau elisitor adalah senyawa aktif biologis dengan berbagai sifat, yang dalam dosis sangat rendah, diukur dalam mili, mikro, dan dalam beberapa kasus nanogram, menyebabkan rangkaian berbagai respons tanaman pada tingkat genetik, biokimia, dan fisiologis. tingkat. Dampaknya terhadap organisme fitopatogenik dilakukan dengan mempengaruhi peralatan genetik sel dan mengubah fisiologi tanaman itu sendiri, sehingga memberikan vitalitas dan ketahanan yang lebih besar terhadap berbagai faktor lingkungan negatif.

Hubungan tumbuhan dengan dunia luar, sebagai unsur sistem ekologi yang sangat terorganisir, dilakukan dengan mempersepsikan sinyal-sinyal fisika dan kimia yang datang dari luar dan mengoreksi seluruh proses aktivitas hidupnya melalui pengaruh pada struktur genetik, sistem kekebalan tubuh dan hormonal. Studi tentang sistem sinyal tanaman adalah salah satu bidang yang paling menjanjikan dalam biologi sel dan molekuler modern. Dalam beberapa dekade terakhir, para ilmuwan menaruh banyak perhatian pada studi tentang sistem sinyal yang bertanggung jawab atas resistensi tanaman terhadap fitopatogen.

Proses biokimia yang terjadi dalam sel tumbuhan dikoordinasikan secara ketat oleh integritas organisme, yang dilengkapi dengan reaksi yang memadai terhadap arus informasi yang terkait dengan berbagai pengaruh faktor biogenik dan teknogenik. Koordinasi ini dilakukan melalui kerja rantai sinyal (sistem), yang terjalin menjadi jaringan sinyal sel. Molekul pemberi sinyal mengaktifkan sebagian besar hormon, biasanya tidak dengan menembus ke dalam sel, tetapi dengan berinteraksi dengan molekul reseptor di membran sel luar. Molekul-molekul ini merupakan protein membran integral, rantai polipeptida yang menembus ketebalan membran. Berbagai molekul yang memulai sinyal transmembran mengaktifkan reseptor dalam konsentrasi nano (10-9-10-7 M). Reseptor yang diaktifkan mengirimkan sinyal ke target intraseluler - protein, enzim. Dalam hal ini, aktivitas katalitiknya atau konduktivitas saluran ion dimodulasi. Menanggapi hal ini, respons seluler tertentu terbentuk, yang biasanya terdiri dari serangkaian reaksi biokimia yang berurutan. Selain perantara protein, molekul pembawa pesan yang relatif kecil, yang secara fungsional bertindak sebagai perantara antara reseptor dan respons seluler, juga dapat berpartisipasi dalam transmisi sinyal. Contoh dari pembawa pesan intraseluler adalah asam salisilat, yang terlibat dalam induksi stres dan respon imun pada tanaman. Setelah sistem persinyalan dimatikan, pembawa pesan dengan cepat dipecah atau (dalam kasus kation Ca) dipompa keluar melalui saluran ion. Dengan demikian, protein membentuk semacam “mesin molekuler”, yang, di satu sisi, menerima sinyal eksternal, dan di sisi lain, memiliki aktivitas enzimatik atau aktivitas lain yang dimodelkan oleh sinyal ini.

Pada organisme tumbuhan multiseluler, transmisi sinyal terjadi melalui tingkat komunikasi sel. Sel “berbicara” dalam bahasa sinyal kimia, yang memungkinkan homeostasis tumbuhan secara keseluruhan sistem biologis. Sistem pensinyalan genom dan sel membentuk sistem pengorganisasian mandiri yang kompleks atau semacam “biokomputer”. Pembawa informasi keras di dalamnya adalah genom, dan sistem pensinyalan berperan sebagai pemroses molekuler yang menjalankan fungsi kontrol operasional. Saat ini, kami hanya memiliki informasi paling umum tentang prinsip pengoperasian formasi biologis yang sangat kompleks ini. Dalam banyak hal, mekanisme molekuler dari sistem pensinyalan masih belum jelas. Di antara solusi untuk banyak masalah, masih perlu menguraikan mekanisme yang menentukan sifat sementara (sementara) dari aktivasi sistem sinyal tertentu, dan pada saat yang sama, memori jangka panjang dari aktivasi mereka, yang dimanifestasikan, khususnya, dalam perolehan kekebalan sistemik yang berkepanjangan.

Ada hubungan dua arah antara sistem pensinyalan dan genom: di satu sisi, enzim dan protein sistem pensinyalan dikodekan dalam genom, di sisi lain, sistem pensinyalan dikendalikan oleh genom, mengekspresikan beberapa gen dan menekan gen lainnya. gen. Mekanisme ini meliputi penerimaan, transformasi, penggandaan dan transmisi sinyal ke daerah promotor gen, pemrograman ekspresi gen, perubahan spektrum protein yang disintesis dan respon fungsional sel, misalnya induksi kekebalan terhadap fitopatogen.

Berbagai senyawa ligan organik dan kompleksnya dapat bertindak sebagai molekul sinyal atau elisitor yang menunjukkan aktivitas induktif: asam amino, oligosakarida, poliamina, fenol, asam karboksilat dan ester dari asam lemak yang lebih tinggi (arachidonic, eicosapentaenoic, oleic, jasmonic, dll.), heterosiklik dan senyawa organoelemen, termasuk beberapa pestisida, dll.

Pemilih sekunder yang terbentuk dalam sel tumbuhan di bawah pengaruh stresor biogenik dan abiogenik dan termasuk dalam jaringan pensinyalan sel meliputi fitohormon: etilen, absisat, jasmonat, asam salisilat, dan

juga polipeptida sistemin dan beberapa senyawa lain yang menyebabkan ekspresi gen pelindung, sintesis protein yang sesuai, pembentukan fitoaleksin (zat spesifik yang memiliki efek antimikroba dan menyebabkan kematian organisme patogen dan sel tumbuhan yang terkena) dan, pada akhirnya, berkontribusi pada pembentukan resistensi sistemik pada tanaman terhadap faktor lingkungan negatif.

Saat ini, tujuh sistem pensinyalan sel yang paling banyak dipelajari: sikloadenilat, MAP-kinase (protein-kinase teraktivasi mitogen), asam fosfatidat, kalsium, lipoksigenase, NADPH oksidase (superoksida sintase), NO sintase. Para ilmuwan terus menemukan sistem sinyal baru dan partisipan biokimianya.

Tanaman, sebagai respons terhadap serangan patogen, dapat menggunakan jalur berbeda untuk membentuk resistensi sistemik, yang dipicu oleh molekul pemberi sinyal berbeda. Masing-masing elisitor, yang mempengaruhi aktivitas vital sel tumbuhan sepanjang jalur pensinyalan tertentu, melalui peralatan genetik, menyebabkan berbagai reaksi, baik yang bersifat protektif (imun) maupun hormonal, yang menyebabkan perubahan sifat-sifat tanaman. diri mereka sendiri, yang memungkinkan mereka untuk menahan berbagai macam faktor stres. Pada saat yang sama, pada tumbuhan terdapat interaksi penghambatan atau sinergis dari berbagai jalur pensinyalan yang terjalin menjadi jaringan pensinyalan.

Resistensi yang diinduksi serupa dalam manifestasinya dengan resistensi horizontal yang ditentukan secara genetik, dengan satu-satunya perbedaan adalah bahwa sifatnya ditentukan oleh perubahan fenotipik dalam genom. Namun, ia memiliki stabilitas tertentu dan berfungsi sebagai contoh imunokoreksi fenotipik jaringan tanaman, karena sebagai akibat dari pengobatan dengan zat dengan tindakan elisitor, bukan genom tanaman yang berubah, tetapi hanya fungsinya, terkait dengan tingkat aktivitas gen pelindung.

Dalam beberapa hal, efek yang terjadi ketika tanaman diperlakukan dengan imunoinduser mirip dengan modifikasi genetik, berbeda dengan tidak adanya perubahan kuantitatif dan kualitatif pada kumpulan gen itu sendiri. Dengan induksi buatan dari reaksi imun, hanya manifestasi fenotipik yang diamati, ditandai dengan perubahan aktivitas gen yang diekspresikan dan sifat fungsinya. Namun, perubahan yang disebabkan oleh perlakuan tanaman dengan fitoaktivator memiliki tingkat ketekunan tertentu, yang dimanifestasikan dalam induksi kekebalan sistemik yang berkepanjangan, dipertahankan selama 2-3 bulan atau lebih, serta dalam pelestarian sifat-sifat yang diperoleh tanaman selama 1 -2 reproduksi berikutnya.

Sifat kerja elisitor tertentu dan efek yang dicapai sangat bergantung pada kekuatan sinyal yang dihasilkan atau dosis yang digunakan. Ketergantungan ini, sebagai suatu peraturan, tidak bersifat bujursangkar, tetapi bersifat sinusoidal, yang dapat menjadi bukti adanya peralihan jalur pensinyalan selama interaksi penghambatan atau sinergisnya. Juga telah diketahui bahwa dalam kondisi faktor stres, tanaman merespons secara positif terhadap dosis fitoaktivator yang lebih rendah, yang menunjukkan tingkat keparahan efek adaptogeniknya yang lebih tinggi. Sebaliknya, pengobatan dengan zat-zat ini dalam dosis besar, biasanya, menyebabkan proses desensitisasi pada tanaman, yang secara tajam menurunkan status kekebalan tanaman dan menyebabkan peningkatan kerentanan tanaman terhadap penyakit.

BBK 28.57 T22

Editor Eksekutif Anggota Koresponden dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia.I. orang Yunani

Peninjau:

Doktor Ilmu Biologi, Profesor L.Kh. Gordon Doktor Ilmu Biologi, Profesor L.P. Khokhlova

Tarchevsky I.A.

Sistem sinyal sel tumbuhan / I.A. Tarchevsky; [Jwb. ed. SEBUAH. orang Yunani]. -

M.: Nauka, 2002. - 294 hal.: sakit. ISBN 5-02-006411-4

Tautan dalam rantai informasi interaksi antara patogen dan tanaman dipertimbangkan, termasuk elisitor, reseptor elisitor, protein G, protein kinase dan protein fosfatase, faktor pengatur transkripsi, pemrograman ulang ekspresi gen, dan respons sel. Perhatian utama diberikan pada analisis fitur fungsi sistem pensinyalan sel tumbuhan individu - adenilat siklase, MAP kinase, fosfatidat, kalsium, lipoksigenase, NADPH oksidase, NO sintase dan proton, interaksi dan integrasinya ke dalam jaringan pensinyalan tunggal. Klasifikasi protein yang diinduksi patogen menurut karakteristik fungsionalnya telah diusulkan. Data disediakan mengenai tanaman transgenik dengan peningkatan resistensi terhadap patogen.

Untuk dokter spesialis di bidang fisiologi tumbuhan, ahli biokimia, ahli biofisika, ahli genetika, ahli patologi tumbuhan, ahli ekologi, ahli agrobiologi.

Melalui jaringan AK

Sistem Persinyalan Sel Tumbuhan /1.A. Tarchevsky; . - M.: Nauka, 2002. - 294 hal.; sakit. ISBN 5-02-006411-4

Buku ini membahas anggota rantai sinyal interaksi patogen dan inang tanaman, yaitu elisitor, reseptor, protein G, protein kinase dan protein fosfatase, faktor transkripsi, pemrograman ulang ekspresi gen, dan respons sel. Bagian utama buku ini dikhususkan untuk fungsi sistem sinyal sel yang terpisah: adenilat siklase, MAP kinase, fosfatidat, kalsium, lipoksi-genase, NADPH-oksidase, NO-sintase, sistem proton. Konsep interkoneksi sistem sinyal sel dan integrasinya ke jaringan sinyal sel umum sedang berkembang. Penulis telah mengajukan klasifikasi protein terkait patogen menurut sifat fungsinya. Data mengenai tanaman transgenik dengan peningkatan resistensi terhadap patogen disajikan.

Untuk ahli fisiologi, ahli biokimia, ahli biofisika, ahli genetika, ahli fitopatologi, ahli ekologi, dan ahli agrobiologi

ISBN 5-02-006411-4

(desain seni), 2002

Dalam beberapa tahun terakhir, penelitian tentang mekanisme molekuler dalam regulasi ekspresi gen di bawah pengaruh perubahan kondisi kehidupan telah berkembang pesat. Dalam sel tumbuhan, ditemukan adanya rantai pensinyalan yang, dengan bantuan protein reseptor khusus, dalam banyak kasus terletak di plasmalemma, merasakan impuls sinyal, mengubah, memperkuat dan mengirimkannya ke genom sel, menyebabkan pemrograman ulang ekspresi gen dan perubahan metabolisme (termasuk yang utama), terkait dengan masuknya gen yang sebelumnya “diam” dan dimatikannya beberapa gen aktif. Pentingnya sistem sinyal sel ditunjukkan dengan mempelajari mekanisme kerja fitohormon. Peran penting sistem persinyalan dalam pembentukan sindrom adaptasi (stres) yang disebabkan oleh aksi stresor abiotik dan biotik pada tanaman juga ditunjukkan.

Kurangnya penelitian yang menganalisis semua hubungan dari berbagai sistem pensinyalan, dimulai dengan karakteristik sinyal yang dirasakan dan reseptornya, transformasi impuls sinyal dan transmisinya ke nukleus, dan diakhiri dengan perubahan dramatis dalam metabolisme sel dan strukturnya. , memaksa penulis untuk mencoba mengisi kesenjangan ini dengan bantuan buku yang ditawarkan kepada pembaca. Harus diingat bahwa studi bidang informasi sel masih sangat jauh dari selesai dan banyak detail struktur dan fungsinya masih kurang tercakup. Semua ini menarik para peneliti baru, yang mana ringkasan publikasi tentang sistem sinyal sel tumbuhan akan sangat berguna. Sayangnya, tidak semua ulasan

artikel-artikel yang bersifat eksperimental dimasukkan dalam daftar pustaka, yang sampai batas tertentu bergantung pada terbatasnya volume buku dan waktu penyusunannya. Penulis meminta maaf kepada rekan-rekan yang penelitiannya tidak dimuat dalam buku ini.

Penulis mengucapkan terima kasih kepada rekan-rekannya yang telah mengambil bagian dalam studi bersama sistem sinyal sel tumbuhan. Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Profesor F.G. Karimova, Kandidat Ilmu Biologi V.G. Yakovleva dan E.V. Asafova, A.R. Mukha-metshin dan profesor madya T.M. Nikolaeva atas bantuannya dalam mempersiapkan naskah untuk diterbitkan.

Pekerjaan ini dilakukan dengan dukungan keuangan dari Yayasan Sekolah Ilmiah Terkemuka Federasi Rusia (hibah 96-15-97940 dan 15-00-97904) dan Yayasan Penelitian Dasar Rusia (hibah 01-04-48-785 ).

PERKENALAN

Satu dari masalah yang paling penting biologi modern adalah menguraikan mekanisme respon organisme prokariotik dan eukariotik terhadap perubahan kondisi keberadaannya, terutama terhadap aksi faktor ekstrim (faktor stres, atau stressor) yang menyebabkan keadaan stres pada sel.

Dalam proses evolusi, sel telah mengembangkan adaptasi yang memungkinkan mereka untuk memahami, mengubah, dan memperkuat sinyal-sinyal yang bersifat kimia dan fisik yang berasal dari lingkungan dan, dengan bantuan peralatan genetik, meresponsnya, tidak hanya beradaptasi dengan perubahan kondisi. , membangun kembali metabolisme dan strukturnya, tetapi juga melepaskan berbagai senyawa yang mudah menguap dan tidak mudah menguap ke dalam ruang ekstraseluler. Beberapa di antaranya bertindak sebagai zat pelindung terhadap patogen, sementara yang lain dapat dianggap sebagai molekul pemberi sinyal yang memicu respons dari sel lain yang terletak sangat jauh dari lokasi sinyal utama pada tanaman.

Kita dapat berasumsi bahwa semua peristiwa adaptif ini terjadi sebagai akibat dari perubahan bidang informasi sel. Sinyal primer melalui berbagai sistem pensinyalan menyebabkan respons dari genom sel, yang diwujudkan dalam pemrograman ulang ekspresi gen. Faktanya, sistem pensinyalan mengatur pengoperasian tempat penyimpanan informasi utama - molekul DNA. Di sisi lain, mereka sendiri berada di bawah kendali genom.

Untuk pertama kalinya di negara kita, E.S. mulai mempelajari sistem sinyal sel dengan sengaja. Severin [Severin, Kochetkova, 1991] tentang objek binatang dan O.N. Kulaeva [Kulaeva dkk., 1989; Kulaeva, 1990; Kulaeva dkk., 1992; Kulaeva, 1995;

Burkhanova dkk., 1999] - tentang tumbuhan.

Monograf yang disajikan kepada pembaca berisi rangkuman hasil kajian pengaruh stresor biotik terhadap fungsi sistem sinyal sel tumbuhan. Saat ini, MAP kinase, adenilat siklase, fosfatidat, kalsium, lipoksigenase, NADPH oksidase, NO sintase dan sistem pensinyalan proton serta perannya dalam perkembangan intogenetik tanaman dan dalam pembentukan respons terhadap perubahan kondisi kehidupan, terutama pengaruh berbagai abiotik dan stresor biotik. Penulis memutuskan untuk fokus hanya pada aspek terakhir dari masalah ini - pada mekanisme molekuler respon tanaman terhadap aksi patogen, terutama karena sejumlah fitohormon terlibat dalam respon ini dan penjelasan ciri-ciri interaksi sinyal sel tanaman sistem dengan mereka menarik banyak perhatian dari para peneliti.

Paparan terhadap stresor biotik menghasilkan respons tanaman yang secara umum mirip dengan respons terhadap stresor abiotik. Hal ini ditandai dengan serangkaian reaksi nonspesifik, yang memungkinkan untuk menyebutnya sindrom adaptasi, atau stres. Secara alami, ciri-ciri spesifik dari respons juga dapat dideteksi, tergantung pada jenis pemicu stres, namun, seiring dengan meningkatnya tingkat dampaknya, perubahan nonspesifik mulai semakin terlihat [Meyerson, 1986; Tarchevsky, 1993]. Perhatian terbesar diberikan kepada N.S. Vvedensky (gagasan tentang parabiosis), D.S. Nasonov dan V.Ya. Alexandrov (gagasan tentang paranekrosis), G. Selye - dalam karya yang ditujukan untuk stres pada hewan, V.Ya. Aleksandrov - dalam penelitian tentang dasar molekuler stres.

Perubahan nonspesifik yang paling signifikan selama stres biotik adalah sebagai berikut:

1. Fase dalam perjalanan waktu respons terhadap aksi suatu patogen.

2. Peningkatan katabolisme lipid dan biopolimer.

3. Peningkatan kandungan radikal bebas dalam jaringan.

4. Pengasaman sitosol diikuti dengan aktivasi pompa proton, yang mengembalikan pH ke nilai aslinya.

5. Peningkatan kandungan ion kalsium dalam sitosol dengan aktivasi selanjutnya kalsium ATPase.

6. Pelepasan ion kalium dan klorin dari sel.

7. Penurunan potensial membran (pada plasmalemma).

8. Penurunan intensitas sintesis biopolimer secara keseluruhan dan

9. Menghentikan sintesis protein tertentu.

10. Peningkatan sintesis atau sintesis protein pelindung yang diinduksi patogen (kitinase,(3-1,3-glukanase, inhibitor proteinase, dll.).

11. Intensifikasi sintesis komponen penguat dinding sel - lignin, suberin, cutin, callose, protein kaya hidroksiprolin.

12. Sintesis senyawa non-volatil antipatogenik -

fitoaleksin.

13. Sintesis dan isolasi senyawa bakterisida dan fungisida yang mudah menguap (heksenal, nonenal, terpen dan

Dr->- 14. Memperkuat sintesis dan meningkatkan konten (atau menurut

fenomena) fitohormon stres - absisat, jasmonat, asam salisilat, etilen, hormon peptida systemin.

15. Penghambatan fotosintesis.

16. Redistribusi karbon dari |4 CO2, yang diasimilasi selama fotosintesis, di antara berbagai senyawa - penurunan pencantuman label pada senyawa polimer tinggi (protein, pati) dan sukrosa dan peningkatan (lebih sering relatif - sebagai persentase karbon yang diasimilasi) - dalam alanin, malat, aspartat [Tarchevsky, 1964].

17. Peningkatan pernapasan diikuti dengan penghambatan. Aktivasi oksidase alternatif yang mengubah arah transpor elektron di mitokondria.

18. Gangguan ultrastruktural - perubahan struktur granular halus nukleus, penurunan jumlah polisom dan diktiosom, pembengkakan mitokondria dan kloroplas, penurunan jumlah tilakoid dalam kloroplas, restrukturisasi sito-

kerangka

19. Apoptosis (kematian terprogram) sel yang terpapar patogen dan sel di sekitarnya.

20. Kemunculannya disebut sistemik nonspesifik

resistensi yang tinggi terhadap patogen di daerah yang jauh dari lokasi paparan patogen (misalnya organ metamerik) tanaman.

Banyak dari perubahan yang disebutkan di atas merupakan konsekuensi dari “dinyalakannya” sejumlah kecil sistem sinyal nonspesifik oleh pemicu stres.

Dengan meningkatnya studi tentang mekanisme respon tanaman terhadap patogen, respon nonspesifik baru dari sel tanaman mulai ditemukan. Ini termasuk jalur persinyalan yang sebelumnya tidak diketahui.

Ketika menjelaskan ciri-ciri fungsi sistem pensinyalan, perlu diingat bahwa masalah ini adalah bagian dari masalah yang lebih umum dalam pengaturan fungsi genom. Perlu dicatat bahwa universalitas struktur pembawa informasi utama sel berbagai organisme- DNA dan gen - menentukan penyatuan mekanisme yang melayani implementasi informasi ini [Grechkin, Tarchevsky, 2000]. Hal ini menyangkut replikasi dan transkripsi DNA, struktur dan mekanisme kerja ribosom, serta mekanisme pengaturan ekspresi gen dengan mengubah kondisi keberadaan sel menggunakan serangkaian sistem pensinyalan yang sebagian besar bersifat universal. Tautan sistem persinyalan juga pada dasarnya bersatu (alam, setelah menemukan solusi struktural dan fungsional yang optimal untuk masalah biokimia atau informasi, melestarikan dan mereplikasinya dalam proses evolusi). Dalam kebanyakan kasus, berbagai macam sinyal kimia yang berasal dari lingkungan ditangkap oleh sel menggunakan “antena” khusus - molekul protein reseptor yang menembus membran sel dan menonjol di atas permukaan luar dan dalam.

sisinya. Beberapa jenis struktur reseptor ini disatukan dalam sel tumbuhan dan hewan. Interaksi non-kovalen dari wilayah luar reseptor dengan molekul pemberi sinyal tertentu yang berasal dari lingkungan sekitar sel menyebabkan perubahan konformasi protein reseptor, yang ditransmisikan ke wilayah sitoplasma internal. Di sebagian besar sistem pensinyalan, protein G perantara bersentuhan dengannya - unit lain dari sistem pensinyalan yang bersatu (dalam struktur dan fungsinya). G-protein menjalankan fungsi transduser sinyal, mentransmisikan impuls konformasi sinyal ke enzim awal yang spesifik untuk sistem pensinyalan tertentu. Enzim awal dari jenis sistem pensinyalan yang sama pada objek yang berbeda juga bersifat universal dan memiliki wilayah yang diperluas dengan urutan asam amino yang sama. Salah satu mata rantai terpadu terpenting dalam sistem pensinyalan adalah protein kinase (enzim yang mentransfer residu terminal asam ortofosfat dari ATP ke protein tertentu), yang diaktifkan oleh produk reaksi pensinyalan awal atau turunannya. Protein yang difosforilasi oleh protein kinase adalah mata rantai berikutnya dalam rantai sinyal. Tautan terpadu lainnya dalam sistem pensinyalan sel adalah faktor pengatur transkripsi protein, yang merupakan salah satu substrat reaksi protein kinase. Struktur protein ini juga sebagian besar bersatu, dan modifikasi struktur menentukan afiliasi faktor pengatur transkripsi pada sistem pensinyalan tertentu. Fosforilasi faktor pengatur transkripsi menyebabkan perubahan konformasi protein ini, aktivasinya dan interaksi selanjutnya dengan daerah promotor gen tertentu, yang menyebabkan perubahan intensitas ekspresinya (induksi atau represi), dan dalam kasus ekstrim , hingga “menghidupkan” atau “mematikan” beberapa gen diam. Pemrograman ulang ekspresi sekumpulan gen dalam genom menyebabkan perubahan rasio protein dalam sel, yang menjadi dasar respons fungsionalnya. Dalam beberapa kasus, sinyal kimia dari lingkungan luar dapat berinteraksi dengan reseptor yang terletak di dalam sel - di sitosol atau

Beras. 1. Skema interaksi sinyal eksternal dengan reseptor sel

1, 5, 6 - reseptor yang terletak di plasmalemma; 2,4 - reseptor yang terletak di sitosol; 3 - enzim awal dari sistem pensinyalan, terlokalisasi di plasmalemma; 5 - reseptor diaktifkan di bawah pengaruh perubahan nonspesifik pada struktur komponen lipid plasmalemma; SIB - protein yang diinduksi sinyal; PTF - faktor pengatur transkripsi protein; saya|/ - perubahan potensial membran

inti yang sama (Gbr. 1). Pada sel hewan, sinyal tersebut misalnya hormon steroid. Jalur informasi ini memiliki jumlah zat antara yang lebih sedikit, sehingga memiliki lebih sedikit peluang untuk diatur oleh sel.

Metlitsky dkk., 1984; Metlitsky, Ozeretsky, 1985; Kursano-va, 1988; Ilyinskaya dkk., 1991; Ozeretskovskaya dkk., 1993; Korableva, Platonova, 1995; Chernov dkk., 1996; Tarchevsky, Chernov, 2000].

Dalam beberapa tahun terakhir Perhatian khusus berfokus pada mekanisme molekuler fitimunitas. Hal itu telah terbukti

Ketika tanaman terinfeksi, berbagai sistem sinyal diaktifkan yang merasakan, memperbanyak, dan mengirimkan sinyal dari patogen ke peralatan genetik sel, tempat ekspresi gen pelindung terjadi, memungkinkan tanaman mengatur perlindungan struktural dan kimia dari patogen. Kemajuan di bidang ini terkait dengan kloning gen dan penguraiannya struktur primer(termasuk daerah promotor), struktur protein yang dikodekannya, penggunaan aktivator dan inhibitor masing-masing bagian sistem pensinyalan, serta mutan dan tanaman transgenik dengan gen yang diperkenalkan yang bertanggung jawab untuk sintesis peserta dalam penerimaan, transmisi dan amplifikasi sinyal. Dalam studi sistem persinyalan sel tumbuhan, peran penting dimainkan oleh pembangunan tanaman transgenik dengan promotor gen protein yang berpartisipasi dalam sistem persinyalan.

Saat ini, sistem sinyal sel tumbuhan di bawah tekanan biotik dipelajari paling intensif di Institut Biokimia. SEBUAH. Bach RAS, Institut Biokimia dan Biofisika RAS Kazan, Institut Fisiologi Tumbuhan RAS, Institut Kimia Bioorganik RAS cabang Pushchino, Pusat Bioteknologi RAS, Universitas Negeri Moskow dan St. Petersburg, Institut Penelitian Bioteknologi Pertanian Seluruh Rusia Rusia Akademi Ilmu Pertanian, Institut Penelitian Fitopatologi Seluruh Rusia dari Akademi Ilmu Pertanian Rusia, dll.

"Patologi Tumbuhan Fisiologis dan Molekuler", "Interaksi Tumbuhan Molekuler - Mikroba", "Tinjauan Tahunan Fisiologi dan Patologi Tumbuhan"). Pada saat yang sama, dalam literatur dalam negeri tidak ada generalisasi karya yang ditujukan untuk sistem sinyal sel, yang menyebabkan penulis perlu menulis monografi yang ditawarkan kepada pembaca.

PATOGEN DAN ELISITOR

mikroorganisme mirip mikoplasma; jamur (lebih rendah:

Plasmodiophoromycetes, Chitridomycetes, Oomycetes: lebih tinggi: Ascomycetes, Basidiomycetes, Deuteromycetes).

sintesis enzim pelindung: fenilalanin amonia lyase

Dan anion peroksidase. Bentuk-bentuk tak bersayap yang termasuk dalam subkelas ini muncul sebagai akibat hilangnya organ-organ ini selama evolusi bentuk-bentuk bersayap. Subkelas tersebut mencakup 20 ordo serangga, di antaranya terdapat polifag yang tidak memiliki kekhususan dalam kaitannya dengan tanaman, oligofag dan monofag, yang di dalamnya kekhususan interaksi antara patogen dan tanaman inang dinyatakan dengan jelas. Beberapa serangga memakan daun (seluruh helai daun atau membuat kerangka daun), yang lain memakan batang (termasuk menggerogoti batang dari dalam), ovarium bunga, buah, dan akar. Kutu daun dan jangkrik menghisap getah dari pembuluh darah menggunakan belalai atau stilet.

Meskipun upaya-upaya telah diambil untuk memberantas serangga, masalah mendesak dalam mengurangi dampak buruk yang ditimbulkannya masih tetap ada. Saat ini, lebih dari 12% hasil panen pertanian di dunia hilang akibat serangan mikroorganisme patogen,

nematoda dan serangga.

Kerusakan sel menyebabkan degradasi isinya, misalnya senyawa polimer tinggi, dan munculnya molekul pemberi sinyal oligomer. “Bangkai kapal” ini [Tarchevsky, 1993] mencapai sel-sel di sekitarnya dan menyebabkan reaksi perlindungan di dalamnya, termasuk perubahan ekspresi gen dan pembentukan protein pelindung yang dikodekannya. Sering kerusakan mekanis Infeksi tanaman disertai dengan infeksinya, karena permukaan luka terbuka tempat patogen menembus tanaman. Selain itu, mikroorganisme fitopatogen dapat hidup di mulut serangga. Misalnya, diketahui bahwa pembawa infeksi mikoplasma adalah jangkrik, di mana bentuk dewasa dan larva memakan sari pembuluh saringan tanaman, menusuk daun dengan belalainya dan

Beras. 2. Skema interaksi antara sel patogen dan tanaman inang / - cutinase; 2 - produk degradasi komponen kutikula (mungkin

memiliki sifat sinyal); 3 - (3-glukanase dan glikosilase lain yang diekskresikan oleh patogen; 4 - elisitor - fragmen dinding sel inang (CW); 5 - kitinase dan glikosilase lain yang bertindak merusak pada CS patogen; 6 - elisitor - fragmen CS patogen CS; 7 - fitoaleksin - penghambat proteinase, kutinase, glikosilase dan enzim patogen lainnya; 8 - zat beracun patogen; 9 - penguatan CS inang karena aktivasi peroksidase dan peningkatan sintesis lignin, pengendapan protein hidroksiprolin dan lektin; 10 - penginduksi hipersensitivitas dan nekrosis sel tetangga; // - produk degradasi kutin yang bekerja pada sel patogen

batang muda. Wereng roseate, tidak seperti anggota wereng lainnya, menghisap isi selnya. Jangkrik menyebabkan lebih sedikit kerusakan pada jaringan tanaman dibandingkan serangga pemakan daun, namun tanaman dapat bereaksi dengan cara yang sama seperti terhadap infeksi tanaman terkait.

Setelah kontak dengan tanaman, sel patogen melepaskan berbagai senyawa yang memastikan penetrasi, nutrisi, dan perkembangannya ke dalam tanaman (Gbr. 2). Beberapa senyawa ini merupakan racun yang dikeluarkan patogen untuk melemahkan daya tahan inang. Saat ini, lebih dari 20 racun spesifik inang yang dihasilkan oleh jamur patogen telah dideskripsikan.

Beras. 3. Senyawa fitotoksik dari Cochlio-bolus carbonum

Bakteri dan jamur juga menghasilkan racun non-selektif, khususnya fusicoccin, erichosetene, coronatine, fase-olotoxin, syringomycin, tabtoxin.

Salah satu racun spesifik inang yang disekresikan

Pyrenophora triticirepentis adalah protein 13,2 kDa, yang lain adalah produk metabolisme sekunder dengan berbagai struktur - ini adalah poliketida, terpenoid, sakarida, peptida siklik, dll.

Biasanya, yang terakhir termasuk peptida yang sintesisnya terjadi di luar ribosom dan mengandung residu asam D-amino. Misalnya, toksin spesifik inang dari Cochliobolus carbonum memiliki struktur siklik tetrapeptida (D-npo-L-ana-D-ana-L-A3JJ), dengan singkatan terakhir adalah 2-amino-9,10-epoxy- Asam 8-okso-de -kanoat (Gbr. 3). Toksin diproduksi dalam sel patogen menggunakan toksin sintase. Resistensi terhadap senyawa ini pada jagung bergantung pada gen yang mengkode karbonil reduktase yang bergantung pada NADPH, yang mereduksi gugus karbonil, sehingga menghasilkan

penonaktifan toksin. Ternyata pada tanaman inang, toksin tersebut menyebabkan penghambatan deasetilase histon dan, sebagai konsekuensinya, asetilasi histon yang berlebihan. Hal ini menekan respon pertahanan tanaman yang disebabkan oleh infeksi patogen.

Jenis senyawa lain yang disekresikan oleh patogen disebut elicitors (dari bahasa Inggris elicit - untuk mengidentifikasi, menyebabkan). Istilah kolektif “elicitor” pertama kali diusulkan pada tahun 1972 untuk menunjukkan sinyal kimia yang muncul di lokasi infeksi tanaman oleh mikroorganisme patogen, dan telah menyebar luas.

Elicitor memainkan peran sinyal primer dan mengaktifkan jaringan kompleks proses induksi dan regulasi fitoimunitas. Hal ini diwujudkan dalam sintesis protein pelindung, antibiotik tanaman yang tidak mudah menguap - fitoaleksin, dalam pelepasan senyawa volatil antipatogen, dll. Saat ini, struktur banyak elisitor alami telah dikarakterisasi. Beberapa di antaranya diproduksi oleh mikroorganisme, yang lain (pemilih sekunder) terbentuk selama pemecahan enzimatik senyawa polimer tinggi kutikula dan polisakarida dinding sel tanaman dan mikroorganisme, yang lain adalah fitohormon stres, yang sintesisnya pada tanaman adalah disebabkan oleh patogen dan stresor abiogenik. Penghasil yang paling penting termasuk senyawa protein yang diekskresikan oleh bakteri dan jamur patogen, serta protein selubung virus. Elicitor protein yang paling banyak dipelajari dapat dianggap elicitin kecil (10 kDa), konservatif, hidrofilik, diperkaya sistein, yang disekresikan oleh semua spesies yang diteliti.

Phytophthora dan Pythium. Ini termasuk, misalnya, cryptogein.

Elisitin menyebabkan hipersensitivitas dan kematian sel yang terinfeksi, terutama pada tanaman dari genus Nicotiana. Pembentukan elicitin yang paling intensif oleh penyakit busuk daun terjadi selama pertumbuhan mikro-

Ditemukan bahwa elicitin mampu mengangkut sterol melintasi membran, karena mereka memiliki situs pengikatan sterol. Banyak jamur patogen sendiri tidak dapat mensintesis sterol, sehingga memperjelas peran elisitasi tidak hanya dalam nutrisi mikroorganisme, tetapi juga dalam menginduksi respons perlindungan pada tanaman. Elicitor glikoprotein 42 kDa diisolasi dari penyakit busuk daun. Aktivitas dan pengikatannya pada reseptor protein membran plasma, yang bentuk monomernya adalah protein 100 kDa, disediakan oleh fragmen oligopeptida dari 13 residu asam amino. Peptida elisitor khusus ras yang terdiri dari 28 residu asam amino dengan tiga gugus disulfida diperoleh dari jamur fitopatogenik Cladosporium fulvum, dan peptida tersebut dibentuk dari prekursor yang mengandung 63 asam amino. Faktor avirulensi ini menunjukkan homologi struktural dengan sejumlah peptida kecil, seperti inhibitor karboksipeptidase dan penghambat saluran ion, dan terikat oleh protein reseptor plasmalemma, yang tampaknya menyebabkan modulasi, dimerisasi, dan transmisi impuls sinyal ke sistem sinyal. Dari pra-protein Cladosporium fulvum yang lebih besar, yang terdiri dari 135 asam amino, pemrosesan pasca-translasi menghasilkan protein elisitor 106 asam amino. Protein elisitor yang dihasilkan oleh jamur karat Uromyces vignae adalah dua polipeptida kecil, 5,6 dan 5,8 kDa, dengan sifat yang tidak seperti elicitin lainnya. Di antara penghasil protein bakteri, harpin adalah yang paling banyak dipelajari

Banyak bakteri fitopatogenik menghasilkan oligopeptida elisitor (dibuat dari senyawa sintetiknya

Analog Cina), sesuai dengan wilayah protein yang paling dilestarikan - flagelin,

yang merupakan faktor virulensi penting bagi bakteri ini. Protein elisitor baru telah diisolasi dari Erwinia amylovora, wilayah C yang homolog dengan enzim pektat lyase, yang dapat menyebabkan munculnya fragmen oligomer elitor - produk degradasi pektin. Bakteri patogen Erwinia carotovora mengeluarkan protein elisitor harpin dan enzim pektat lyase, selulase, poligalakturonase, dan protease, yang menghidrolisis komponen polimer dinding sel tanaman inang (lihat Gambar 2), menghasilkan pembentukan molekul elicitor oligomer. . Menariknya, pektat lyase, yang disekresikan oleh Erwinia chrysanthemi,

aktivitas yang diperoleh sebagai hasil pemrosesan ekstraseluler. Beberapa lipid dan turunannya juga diklasifikasikan sebagai

elisitor, khususnya asam lemak tak jenuh ganda 20 karbon dari beberapa patogen - asam arakidonat dan asam eicosapentaenoic [Ilyinskaya et al., 1991; Ozerets-kovskaya dkk., 1993; Ozeretskovskaya, 1994; Gilyazetdinov dkk., 1995; Ilyinskaya dkk., 1996a, b; Ilyinskaya, Ozeretskovskaya, 1998], dan turunan oksigennya. Karya tinjauan [Ilyinskaya et al., 1991] merangkum data tentang efek elisitor lipid (lipoprotein) yang dihasilkan oleh jamur patogen pada tanaman. Ternyata bukan bagian protein dari lipoprotein yang mempunyai efek elisitor, melainkan bagian lipidnya, yaitu asam arakidonat (eicosatetraenoic) dan eicosopentaenoic, yang bukan merupakan ciri tumbuhan tingkat tinggi. Mereka menyebabkan pembentukan fitoaleksin, nekrosis jaringan dan resistensi tanaman sistemik terhadap berbagai patogen. Produk konversi lipoksigenase dalam jaringan tanaman asam lemak C20 (hidroperoksi-, hidroksi-, okso-, turunan siklik, leukotrien), dibentuk dalam sel tanaman inang dengan bantuan enzim kompleks lipoksigenase (substratnya dapat berupa baik asam lemak poliena C,8 dan C20) memiliki pengaruh yang kuat terhadap respons perlindungan tanaman. Hal ini tampaknya disebabkan oleh fakta bahwa tidak ada oksigen pada tanaman yang tidak terinfeksi.

turunan asam lemak 20 karbon, dan kemunculannya sebagai akibat infeksi menyebabkan hasil yang dramatis, seperti pembentukan nekrosis di sekitar sel yang terinfeksi, yang menciptakan penghalang bagi penyebaran patogen ke seluruh tanaman.

Terdapat bukti bahwa induksi patogen terhadap aktivitas lipoksigenase menyebabkan pembentukan respons tanaman bahkan ketika elisitor tidak mengandung asam lemak C20 dan substrat aktivitas lipoksigenase hanya dapat berupa asam lemak poliena C18 sendiri, dan produknya adalah octadecanoids, bukan eicosanoids. Syringolides [L et al., 1998] dan cerebrosides, senyawa sphingolipid, juga memiliki sifat elisitor. Cerebrosides A dan C yang diisolasi dari Magnaporthe grisea merupakan elisitor paling aktif pada tanaman padi. Produk degradasi serebrosida (metil ester asam lemak, basa sphingoid, basa glikosil-sphingoid) tidak menunjukkan aktivitas elisitor.

Beberapa elisitor terbentuk sebagai akibat dari aksi hidrolase yang disekresikan oleh patogen pada jaringan tanaman. Tujuan hidrolase ada dua. Di satu sisi, mereka menyediakan nutrisi bagi patogen yang diperlukan untuk perkembangan dan reproduksinya, di sisi lain, mereka melonggarkan hambatan mekanis yang menghalangi patogen memasuki habitatnya di dalam tanaman.

Salah satu penghalang tersebut adalah kutikula, yang terutama terdiri dari heteropolimer cutin yang tertanam dalam lilin. Lebih dari 20 monomer penyusun cutin telah ditemukan

Ini adalah asam lemak jenuh dan tak jenuh serta alkohol dengan berbagai panjang, termasuk asam dikarboksilat rantai panjang terhidroksilasi dan epoksidasi, dll. Dalam cutin, sebagian besar gugus alkohol primer berpartisipasi dalam pembentukan ikatan ester, serta beberapa gugus alkohol sekunder yang menyediakan ikatan silang antara rantai dan titik cabang dalam polimer. Bagian dari polimer “penghalang” lainnya, suberin, memiliki komposisi yang mirip dengan cutin. Perbedaan utamanya adalah asam lemak bebas merupakan komponen utama lilin suberik, sedangkan pada cutin jumlahnya sangat sedikit. Apalagi di Suberina

Sebagian besar terdapat alkohol lemak C22 dan C24, sedangkan cutin mengandung C26 dan C28. Untuk mengatasi penghalang mekanis permukaan tanaman, banyak jamur patogen mengeluarkan enzim yang menghidrolisis kutin dan sebagian komponen suberin. Produk dari reaksi kutinase adalah berbagai asam lemak dan alkohol teroksigenasi, terutama asam 10,16-dihidroksi-Sk- dan 9,10,18-trihidroksi-C|8-, yang merupakan molekul sinyal yang menginduksi pembentukan dan pelepasan asam tambahan. sejumlah cutinase, “merusak” cutin dan memfasilitasi penetrasi jamur ke dalam tanaman. Ditemukan bahwa periode jeda munculnya mRNA cutinase pada jamur setelah permulaan pembentukan asam di- dan trihidroksi tersebut di atas hanya 15 menit, dan periode jeda untuk pelepasan cutinase tambahan adalah dua kali lipat. panjang. Kerusakan gen cutinase pada Fusarium solani sangat mengurangi virulensi jamur ini. Menghambat cutinase menggunakan bahan kimia atau antibodi mencegah infeksi tanaman. Asumsi bahwa produk degradasi cutin teroksigenasi dapat bertindak tidak hanya sebagai penginduksi pembentukan cutinase pada patogen, tetapi juga sebagai pemicu reaksi pertahanan pada tanaman inang [Tarchevsky, 1993] kemudian dikonfirmasi.

Setelah mikroorganisme patogen menembus kutikula, sebagian dari mereka berpindah ke ikatan pembuluh darah tanaman dan memanfaatkan yang ada di sana untuk perkembangannya. nutrisi, sementara yang lain diangkut ke dalam sel inang hidup. Bagaimanapun, patogen menghadapi penghalang mekanis lain - dinding sel, yang terdiri dari berbagai polisakarida dan protein dan dalam banyak kasus diperkuat dengan polimer keras - lignin [Tarchevsky, Marchenko, 1987; Tarchevsky, Marchenko, 1991]. Seperti disebutkan di atas, untuk mengatasi hambatan ini dan memastikan perkembangannya dengan nutrisi karbohidrat dan nitrogen, patogen mengeluarkan enzim yang menghidrolisis polisakarida dan protein dinding sel.

Penelitian khusus menunjukkan bahwa selama interaksi bakteri dan jaringan tanaman inang, enzim

degradasi tidak muncul secara bersamaan. Misalnya, pektilmetilesterase juga terdapat pada Erwinia carotovora subsp yang tidak diinokulasi. atroseptia pada jaringan umbi kentang, sedangkan aktivitas poligalakturonase, pektat lyase, selulase, protease dan xilanase muncul masing-masing 10, 14, 16, 19 dan 22 jam setelah inokulasi.

Ternyata produk degradasi oligosakarida polisakarida dinding sel tumbuhan mempunyai sifat elisitor. Namun oligosakarida aktif juga dapat dibentuk oleh polisakarida yang merupakan bagian dari dinding sel patogen. Diketahui bahwa salah satu cara untuk melindungi tanaman dari mikroorganisme patogen adalah dengan pembentukan setelah infeksi dan pelepasan enzim di luar plasmalemma - kitinase dan β-1,3-glukanase, yang menghidrolisis polisakarida kitin dan β-1,3- poliglukan pada dinding sel patogen, yang menyebabkan penekanan pertumbuhan dan perkembangannya. Ditemukan bahwa produk oligosakarida dari hidrolisis tersebut juga merupakan pemicu aktif reaksi pertahanan tanaman. Akibat aksi oligosakarida, ketahanan tanaman terhadap infeksi bakteri, jamur atau virus meningkat.

Sejumlah artikel ulasan dikhususkan untuk elisitor oligosakarida, struktur, aktivitas, reseptornya, “pengaktifan” sistem sinyal sel, induksi ekspresi gen pelindung, sintesis fitoaleksin, reaksi hipersensitivitas, dan respons tanaman lainnya.

Di laboratorium Elbersheim, dan kemudian di sejumlah laboratorium lain, ditunjukkan bahwa oligoglikosida yang terbentuk sebagai hasil degradasi endoglikosidase hemiselulosa dan zat pektin tanaman, kitin dan kitosan jamur yang diinduksi patogen, dapat berperan sebagai zat aktif biologis. . Bahkan telah diusulkan agar mereka dianggap sebagai kelas hormon baru ("oligosakarin", sebagai lawan oligosakarida, yang tidak memiliki aktivitas). Pembentukan oligosakarida sebagai hasil hidrolisis polisakarida, dan bukan selama sintesis dari monosakarida, ditunjukkan melalui contoh

AB11 dan AB12 memainkan peran penting dalam induksi ABA

jalur sinyal kamar mandi. Aktivasi yang bergantung pada pH dan bergantung pada Mg2+ diamati.

vasi ABU.

Target utama protein fosfatase MP2C adalah MAPKKK, yang diaktifkan di bawah pengaruh berbagai stresor. Kekhususan ini menjadi dapat dimengerti jika kita menganggap bahwa beberapa protein fosfatase memiliki situs pengikatan dengan protein kinase yang sesuai

Memberi isyarat kepada peserta

sistem sel akhir. Hal ini memungkinkan untuk memastikan keberadaan kompleks protein kinase-protein fosfatase dan secara tepat waktu dan efektif memblokir transformasi dan transmisi impuls sinyal ke dalam genom. Prinsip pengoperasian mekanisme ini cukup sederhana: akumulasi protein kinase tertentu - perantara rantai sinyal - mengaktifkan fosfoprotein fosfatase dan menyebabkan defosforilasi (inaktivasi) protein kinase. Misalnya, aktivasi protein kinase tertentu dapat menyebabkan fosforilasi dan aktivasi protein fosfatase yang sesuai. Saat mempelajari fungsi protein fosfatase, inhibitor spesifik sering digunakan, misalnya asam okadaat dan calyculin.

FAKTOR PERATURAN TRANSKRIPSI

Sintesis RNA kurir dikatalisis oleh RNA polimerase yang bergantung pada DNA, yang merupakan salah satu kompleks protein terbesar, terdiri dari dua subunit besar dan 5-13 subunit kecil, yang ditentukan oleh kompleksitas dan pentingnya fungsinya. urutan asam amino, sebagian besar atau pada tingkat lebih rendah umum terjadi pada hewan dan tumbuhan, aktivitas iRNA polimerase dan pengenalan gen yang ditranskripsi diatur oleh beberapa jenis protein. Faktor pengatur transkripsi mendapat perhatian paling besar." Protein ini mampu berinteraksi dengan protein lain, termasuk protein identik, mengubah konformasi ketika memfosforilasi beberapa asam amino penyusunnya, [mengenali urutan pengaturan nukleotida di daerah promotor gen, yang menyebabkan perubahan intensitas ekspresi mereka. : Ini adalah faktor pengatur transkripsi yang mengarahkan RNA -polimerase ke titik inisiasi transkripsi dari gen (atau kumpulan gen) yang sesuai, tanpa berpartisipasi langsung dalam tindakan katalitik sintesis mRNA.

Pada organisme hewan, ciri struktural lebih dari 1.000 faktor regulasi transkripsi telah ditentukan. Mengkloning gen mereka berkontribusi untuk memperoleh informasi yang memungkinkan klasifikasi protein ini.

Semua faktor regulasi transkripsi mengandung tiga domain utama. Yang paling dilestarikan adalah domain pengikatan DNA. Urutan asam amino di dalamnya menentukan pengenalan urutan nukleotida tertentu pada promotor gen.

Bergantung pada homologi struktur primer dan sekunder dari domain pengikat DNA, faktor pengatur transkripsi dibagi menjadi empat superkelas: 1) dengan domain yang diperkaya dengan asam amino basa; 2) dengan domain pengikat DNA yang mengoordinasikan ion seng - “jari seng”; 3) dengan domain tipe helix-turn-helix; 4) dengan domain tipe |3-scaffold, membentuk kontak dengan alur kecil DNA [Patrushev, 2000]. Setiap superclass dibagi lagi menjadi kelas, keluarga dan subfamili. Yang menonjol di superkelas 1 adalah faktor pengatur transkripsi dengan domain ritsleting leusin, yaitu os-heliks di mana setiap asam amino ketujuh adalah leusin yang menonjol dari satu sisi heliks. Interaksi hidrofobik residu leusin dari satu molekul dengan heliks serupa dari molekul lain memberikan dimerisasi (dengan analogi petir) faktor pengatur transkripsi yang diperlukan untuk interaksi dengan DNA.

Pada superkelas 2, zinc finger merupakan rangkaian asam amino yang mengandung empat residu sistein yang mempunyai efek koordinasi pada ion zinc. Jari seng berinteraksi dengan alur utama DNA. Di kelas lain dari superkelas ini, struktur “jari seng” disediakan oleh dua residu sistein dan dua residu histidin (Gbr. 5), di kelas lain, koordinasi dua ion seng dalam satu “jari” dilakukan oleh enam residu sistein. Ujung jari seng bersentuhan dengan alur utama DNA.

Studi tentang struktur faktor pengatur transkripsi pada tumbuhan memungkinkan untuk menetapkan homologi dengan protein jenis ini, yang merupakan karakteristik objek hewan. Faktor pengatur transkripsi yang khas mengandung tiga elemen struktural utama berikut: pengikatan DNA, oligomerisasi, dan domain pengatur. Bentuk faktor transkripsi monomer tidak aktif, tidak seperti bentuk dimer (oligomer). Pembentukan bentuk oligomer didahului dengan fosforilasi bentuk monomer di sitosol, kemudian terjadi asosiasi dan kemudian dimasukkan ke dalam nukleus atau menggunakan

Beras. 5. Struktur faktor pengatur transkripsi “jari seng”.

G - residu histidin; C-S - residu sistein

protein transpor khusus atau karena interaksi dengan protein reseptor di pori-pori membran inti, setelah itu diangkut ke dalam nukleus dan berinteraksi dengan daerah promotor

gen yang sesuai. “Faktor pengatur transkripsi dikodekan oleh keluarga multigen, dan sintesisnya dapat diinduksi oleh patogen dan elisitor, dan aktivitasnya diubah sebagai akibat dari modifikasi pasca-translasi (terutama fosforilasi atau defosforilasi).

Saat ini, database yang terus berkembang telah dibuat mengenai struktur berbagai faktor pengatur transkripsi dan gennya pada tanaman. Telah ditunjukkan bahwa spesifisitas pengikatan DNA ditentukan oleh urutan asam amino dari zona batang dan loop dalam ritsleting leusin yang telah disebutkan, yang mewakili salah satu kelompok faktor pengatur transkripsi eukariotik yang paling banyak dan terpelihara. Faktor pengatur transkripsi sering diklasifikasikan menurut struktur domain pengikat DNA, yang mungkin mencakup rangkaian asam amino heliks, "jari seng" - daerah dengan dua residu sistein dan dua histidin atau dengan banyak residu sistein, dll. Pada tumbuhan, satu hingga empat "jari seng" ditemukan di domain pengikatan DNA pada faktor pengatur transkripsi.

Mekanisme interaksi faktor pengatur transkripsi dengan RNA polimerase yang bergantung pada DNA dan daerah promotor gen tetap menjadi salah satu masalah utama dan masih kurang dipelajari dalam fungsi genom sel. Informasi mengenai objek tumbuhan sangat langka.

Mutasi pada gen yang mengkode faktor pengatur transkripsi pada hewan dapat menyebabkan penyakit tertentu.

Anggota keluarga gen yang mengkode faktor pengatur transkripsi ritsleting leusin telah dijelaskan pada tanaman. Telah terbukti bahwa faktor transkripsi jenis ini bertanggung jawab atas pembentukan protein antipatogenik pelindung yang diinduksi salisilat dan bahwa mutasi pada gen ini menyebabkan hilangnya kemampuan untuk mensintesis protein ini.

PROMOTOR GEN UNTUK SISTEM SINYAL PROTEIN DAN PROTEIN PELINDUNG

Saat ini, struktur daerah promotor gen yang bertanggung jawab untuk memperoleh kekebalan terhadap berbagai patogen sedang dipelajari secara intensif. Fakta mengenai sintesis sejumlah protein yang dapat diinduksi patogen secara hampir bersamaan telah lama menarik perhatian: Hal ini dapat disebabkan oleh perbedaan jalur pensinyalan dalam satu sistem pensinyalan, yang menyebabkan aktivasi beberapa jenis faktor pengatur transkripsi, atau oleh “pengaktifan” beberapa sistem pensinyalan oleh satu atau beberapa elisitor, yang berfungsi secara paralel, mengaktifkan beberapa jenis faktor pengatur transkripsi dan, sebagai hasilnya, menginduksi ekspresi beberapa jenis protein pelindung. Ada kemungkinan juga bahwa promotor gen dari beberapa protein individu memiliki struktur elemen pengatur yang sama, yang mengarah pada ekspresi simultan mereka bahkan dalam kasus aktivasi sinyal dari satu perwakilan faktor pengatur transkripsi.1

Pilihan terakhir terjadi ketika tanaman terkena stres fitohormon etilen, ketika faktor pengatur transkripsi berinteraksi dengan kotak GCC dari daerah promotor beberapa gen yang diinduksi etilen, yang memastikan pembentukan seluruh kelompok gen yang diinduksi etilen secara kurang lebih simultan. protein. Prinsip sintesis batch protein pelindung ini diterapkan ketika sel merespons berbagai pemicu stres atau pemicu (fitohormon stres juga dapat diklasifikasikan sebagai pemicu sekunder). Misalnya, di bawah pengaruh suhu tinggi, transkripsi sekelompok gen yang mengandung regulasi umum di wilayah promotornya diinduksi.

elemen tor HSE (elemen kejutan panas), tidak ada pada gen lain. Pola ini dikonfirmasi dengan menggunakan teknik pembuatan gen hibrida dengan promotor gen heat shock yang digabungkan dengan gen lain yang biasanya tidak mengubah intensitas ekspresi saat terkena suhu tinggi. Dalam kasus tanaman transgenik, ekspresi ini dimulai. Dalam sel eukariotik, daerah promotor dengan urutan nukleotida serupa juga ditemukan di berbagai gen yang diinduksi oleh sistem pensinyalan perantara (pembawa pesan kedua) yang sama, misalnya, AMP siklik. Dalam kasus terakhir, urutan sinyal nukleotida di wilayah promotor disebut CRE (elemen respons AMP siklik).

Di Arabidopsis, sistem glukokortikoid untuk mengaktifkan faktor pengatur transkripsi ditemukan, penyertaannya menyebabkan ekspresi gen pelindung yang diinduksi patogen [N. Kang dkk., 1999]. Urutan nukleotida umum dalam proses G-box

motornya adalah CCACGTGG, dan di C-box - TGACGTCA.

Virus mosaik tembakau dan asam salisilat menyebabkan induksi dua gen faktor pengatur transkripsi kelas WRKY pada tanaman tembakau, mengenali urutan nukleotida tertentu di daerah promotor gen pelindung - TTGAC (W-box). Aktivasi faktor pengatur transkripsi ini dicapai melalui fosforilasinya oleh protein kinase. Semua protein kelas WRKY, tidak seperti kelas faktor transkripsi lainnya (seperti bZIP dan myb), memiliki domain terkonservasi yang mengandung enzim heptamerik.

id WRKYGQK .

(Salah satu domain faktor pengatur transkripsi yang bertanggung jawab atas transformasi sinyal jasmonat mengaktifkan wilayah pengatur promotor beberapa gen yang mengkode protein yang diinduksi jasmonat dan elisitor, khususnya strikosidin sintase. Ternyata N-terminal domain asam dari faktor pengatur transkripsi memiliki efek pengaktifan, dan domain terminal-C -I yang diperkaya dengan residu serin bersifat penghambatan.

Telah terbukti bahwa promotor gen fenilalanin amonia lyase (enzim awal terpenting dari proses metabolisme bercabang sintesis senyawa yang memainkan peran protektif - salisilat, asam fenolik, fitoaleksin fenilpropanoid, dan lignin) mengandung dua salinan daerah yang diperkaya. dengan pengulangan AC.

Ketika mempelajari promotor gen untuk enzim lain yang mensintesis fitoaleksin - chalcone synthase, dalam kultur sel kacang-kacangan, tembakau dan beras, ditemukan bahwa G-box (CACGTG) di wilayah -74 hingga -69 pasangan nukleotida dan H -kotak (CCTAC) mengambil bagian dalam aktivasi promotor ) di wilayah dari -61 hingga -56 dan dari -126 hingga -121 pasangan nukleotida.

Dalam percobaan lain, ditemukan bahwa di bawah pengaruh elicitor, ekspresi gen chalcone synthase pada tanaman kacang polong bergantung pada daerah promotor dari -242 hingga -182 pasangan nukleotida, di mana dua daerah tersebut mengandung urutan AT yang identik -TAAAAATAST-, dengan salah satunya terletak di wilayah -242 hingga -226, diperlukan untuk ekspresi aktivitas gen yang maksimal.

Promotor gen strikosidin sintase, salah satu enzim kunci yang diinduksi elisitor dalam sintesis fitoaleksin terpenoid, memiliki wilayah yang diaktifkan oleh faktor pengatur transkripsi dari -339 hingga -145 pasangan nukleotida. G-box yang terletak di dekat pasangan nukleotida -105 tidak mempengaruhi aktivitas promotor.

Saat mempelajari aktivitas gen |3-1,3-glukanase pada tanaman tembakau, ditemukan bahwa aktivitas tersebut bergantung pada daerah promotor dari -250 hingga -217 pasangan nukleotida, yang mengandung urutan -GGCGGC-, karakteristik promotor gen yang mengkode alkali yang diinduksi patogen

tidak ada protein.

Apa yang disebut kotak PR dari daerah promotor banyak protein yang diinduksi patogen mengandung urutan (5"-AGCCGCC-3"), yang mengikat faktor pengatur transkripsi yang sesuai, yang mengarah pada ekspresi gen protein ini. , khususnya endochitinase dan P-1,3-glukanase pada tanaman tomat.

Banyak gen protein yang diinduksi patogen mengandung apa yang disebut elemen ocs dalam promotornya, yang berinteraksi dengan faktor pengatur transkripsi yang memiliki ritsleting leusin dalam strukturnya. Pada tanaman Arabidopsis, faktor pengatur transkripsi yang bertanggung jawab untuk mentransduksi sinyal etilen berikatan dengan kotak GCC dan elemen ocs dari promotor, yang mengarah pada ekspresi sejumlah protein pelindung.

Sebuah studi pada tanaman tembakau transgenik dengan promotor alkaline chitinase dan gen reporter GUS mengungkapkan bahwa daerah promotor yang diaktifkan oleh sinyal etilen terletak antara -503 dan -358 pasangan nukleotida, di mana terdapat dua salinan kotak GCC (5"- TAAGAGCCGCC-3"), yang ditandai dengan -

ren untuk promotor banyak protein yang dapat diinduksi etilen. Analisis lebih lanjut menunjukkan bahwa wilayah promotor yang bertanggung jawab atas respons terhadap etilen dengan dua salinan kotak GCC terletak di antara -480 dan -410 pasangan nukleotida.

Ketika mempelajari respon tanaman tembakau terhadap pengobatan dengan etilen dan infeksi virus mosaik, ditemukan bahwa aktivitas promotor gen (3-1,3-glukanase) bergantung pada wilayah yang terletak antara -1452 dan -1193 pasangan nukleotida, dimana terdapat dua salinan heptanukleotida

5-AGCCGCC-3". Ditemukan dan tambahan

daerah aktif yang penting untuk pengaturan aktivitas promotor.

Elicitor, reseptor elisitor, protein G, protein kinase, protein fosfatase, faktor pengatur transkripsi, dan daerah promotor gen terkait yang dibahas di atas mengambil bagian dalam berfungsinya sejumlah sistem pensinyalan sel, yang menjadi tempat respons mereka terhadap sinyal yang sifatnya berbeda. dan intensitasnya tergantung: adenilat siklase, MAPkinase, fosfatidat, kalsium, lipoksigenase, NADPH oksidase, NO sintase dan proton.

SISTEM SINYAL SIKLASI ADENILAT

Sistem pensinyalan ini mendapatkan namanya dari enzim adenylate cyclase, pertama kali dikarakterisasi oleh Sutherland, yang mengkatalisis pembentukan perantara pensinyalan utama sistem ini - cyclic adenosine monophosphate (cAMP). Skema sistem adenilat siklase adalah sebagai berikut: sinyal kimia eksternal, misalnya hormon atau elisitor, berinteraksi dengan reseptor protein plasmalemma, yang mengarah pada aktivasi protein G (pengikatan GTP) dan transmisi impuls sinyal ke enzim adenilat siklase (AC), yang mengkatalisis sintesis cAMP dari ATP (Gbr. .6).

Dalam sistem adenilat siklase, perbedaan dibuat antara protein Gs, yang merangsang adenilat siklase, dan (5, protein, yang menghambat aktivitas enzim. Perbedaan antara kedua jenis protein ini ditentukan terutama oleh karakteristik oc -subunit, dan bukan subunit (3- dan y. Massa molekul ocs - subunit protein G adalah 41-46 kDa, subunit ag - 40-41 kDa, (3, - dan P2 - subunit - 36-35 kDa , subunit y - 8-10 kDa Pengikatan protein G GTP dan hidrolisisnya terhadap PDB dan ortofosfat anorganik memastikan reversibilitas proses aktivasi adenilat siklase.

Adenylate cyclase adalah protein integral monomer dari membran plasma dan oleh karena itu sulit untuk diekstraksi dan diubah menjadi bentuk yang larut. Berat molekul adenilat siklase pada sel hewan adalah 120-155 kDa; Ada juga bentuk adenilat siklase 50-70 kDa yang larut, tidak sensitif terhadap calmodulin dan protein G. Pada tumbuhan, berat molekul adenilat siklase adalah 84 kDa. Kurva ketergantungan aktivitas adenilat siklase pada pH mempunyai karakter satu puncak, dan puncak aktivitas enzim ini

ment berada pada kisaran pH 4,8-5,2.

Data diperoleh pada isoform adenilat siklase dengan optimal

pH ibu sama dengan 8,8.

Adenylate cyclase dapat dimodifikasi di bagian luar membran melalui glikosilasi, dan di bagian dalam melalui fosforilasi oleh A-kinase [Severin, 1991]. Aktivitas membran adenilat siklase bergantung pada lingkungan fosfolipid - rasio fosfatidilkolin, fosfatidil-etanolamin, sphingomyelin, fosfatidil"ery-

pada dan fosfatidilinositol.

Peningkatan kandungan cAMP dalam sel yang diinduksi oleh elisitor bersifat sementara, yang dijelaskan oleh aktivasi PDE dan, mungkin, pengikatan oleh protein kinase yang bergantung pada cAMP. Memang, peningkatan konsentrasi cAMP dalam sel mengaktifkan berbagai protein kinase yang bergantung pada cAMP, yang dapat memfosforilasi berbagai protein, termasuk faktor pengatur transkripsi, yang mengarah pada ekspresi berbagai gen dan respons sel terhadap pengaruh eksternal.

Faktor penggandaan sinyal yang dicapai selama transmisinya ke dalam genom dan ekspresi gen berjumlah ribuan. Skema perkalian sinyal untuk berfungsinya sistem sinyal adenilat siklase sering digunakan dalam buku teks biokimia. Sistem persinyalan ini terus dipelajari secara intensif pada berbagai objek, memperluas pemahaman tentang bidang informasi sel dan hubungannya dengan arus informasi eksternal.

Perlu dicatat bahwa pertanyaan tentang fungsi sistem sinyal adenilat siklase pada objek tumbuhan terus menjadi kontroversi selama hampir seperempat abad, sehingga membagi para peneliti ke dalam kelompoknya.

EKSPRESI GEN

Beras. 6. Skema fungsi pensinyalan adenilat siklase

Sistem AC* - bentuk aktif adenilat siklase; PKA dan PKA* - tidak aktif -

bentuk aktif dan aktif dari protein kinase A; PLplasmalemma; PDE - fosfodiesterase; PRT* - bentuk aktif faktor pengatur transkripsi

pendukung [Doman, Fedenko, 1976; Korolev, Vyskrebentseva, 1978; Perancis, 1983; Yavorskaya, Kalinin, 1984; Newton dan Brown, 1986; Karimova, 1994, Assman, 1995; Trewavas dan Malho, 1997; Trewavas, 1999; dll.] dan lawan. Yang pertama mengandalkan data tentang peningkatan aktivitas adenilat siklase dan kandungan cAMP di bawah pengaruh fitohormon dan patogen, meniru aksi berbagai fitohormon oleh cAMP eksogen, yang kedua - pada fakta yang menunjukkan kandungan tidak signifikan. cAMP pada tumbuhan, karena tidak adanya sejumlah percobaan pengaruh fitohormon terhadap aktivitas adenilat siklase dan lain-lain.

Kemajuan di bidang genetika molekuler dan perbandingan struktur gen protein yang berpartisipasi dalam sistem sinyal adenilat siklase pada hewan dan tumbuhan telah memberikan dukungan bagi para pendukung fungsinya pada tumbuhan. Hasil-

Penggunaan cAMP eksogen [Kilev, Chekurov, 1977] atau forskolin (aktivator adenilat siklase) menunjukkan partisipasi cAMP dalam rantai transduksi sinyal yang diinduksi sinyal. Penggunaan teofilin, penghambat cAMP fosfodiesterase, yang ternyata cukup aktif pada tanaman, menunjukkan bahwa bagian masuk dari keseimbangan cAMP dilakukan cukup intensif [Yavorskaya, 1990; Karimova dkk., 1990]. Data diperoleh tentang perubahan kandungan cAMP pada tanaman di bawah pengaruh patogen, kebutuhannya untuk pembentukan respon terhadap aksi patogen [Zarubina et al., 1979; Ocheretina dkk., 1990].

Yang perlu diperhatikan adalah fakta pelepasan bergantung ATP ke lingkungan ekstraseluler dari sebagian besar cAMP yang terbentuk dalam sel hewan, prokariota, alga, dan ras yang lebih tinggi.

bayangan Oleh-

Pentingnya bahwa pada tumbuhan, maupun pada hewan, akumulasi cAMP dalam sel dan pelepasannya ke lingkungan ekstraseluler dapat dikurangi dengan bantuan prostaglandin, yang tidak ditemukan pada tumbuhan. Mungkin

tetapi peran ini dilakukan oleh oxylipin - jasmonate yang mirip prostaglandin. Diasumsikan bahwa protein pengikat ATP khusus terlibat dalam penghapusan cAMP dari sel.

protein.

Kegunaan mensekresi cAMP dari sel tumbuhan ke dalam medium dijelaskan, pertama-tama, oleh kebutuhan untuk segera mengurangi konsentrasi pembawa pesan sekunder ini sehingga tidak terjadi eksitasi berlebihan pada sel. Penurunan konsentrasi pembawa pesan sekunder yang relatif cepat setelah mencapai tingkat maksimum merupakan ciri nonspesifik yang sangat diperlukan dari berfungsinya semua sistem persinyalan.

Mungkin, cAMP yang dilepaskan di luar plasmalemma mengambil bagian dalam regulasi proses ekstraseluler [Shiyan, Lazareva, 1988]. Pandangan ini mungkin didasarkan pada penemuan protein kinase yang bergantung pada ecto-cAMP, yang menggunakan sekresi cAMP dari sel untuk mengaktifkan fosforilasi protein di luar plasmalemma. Dipercaya juga bahwa cAMP di luar sel dapat bertindak sebagai pembawa pesan pertama [Fedorov et al., 1990], menginduksi peluncuran serangkaian reaksi sistem pensinyalan di sel tetangga, seperti yang ditunjukkan pada contoh jamur lendir multiseluler.

Menarik perhatian adalah data yang diperoleh pada subjek hewan tentang penghambatan saluran kalsium sel oleh adenosin eksogen (yang dapat dianggap sebagai produk degradasi cAMP) [Meyerson, 1986] dan aktivasi saluran kalium [Orlov, Maksimova, 1999].

Yang sangat menarik adalah informasi tentang kemungkinan pengaturan perkembangan jamur patogen melalui cAMP yang disekresikan, khususnya karat jelai, Magnaporthe grisea, tanaman yang menginfeksi nasi, api lepas Ustilago maydis, Erysiphe graminis, Colletotrichum trifolii, pigmentasi Ustilago hordei. Tergantung pada konsentrasi cAMP, terjadi stimulasi atau penekanan perkembangan jamur. Protein G heterotrimerik diyakini berperan dalam transduksi sinyal cAMP.

Semakin banyak data yang terkumpul tentang pengaruh berbagai molekul pemberi sinyal pada sekresi cAMP oleh sel tumbuhan. Telah terbukti bahwa peran ABA dalam adaptasi tanaman terhadap stres mungkin terletak pada kemampuannya mengatur kandungan dan pelepasan cAMP dari sel. Diasumsikan bahwa penurunan kandungan cAMP di bawah pengaruh ABA disebabkan oleh peningkatan kandungan Ca2+ dalam sitosol yang diinduksi ABA dan penghambatan adenilat siklase. Diketahui bahwa Ca2+ dalam konsentrasi tinggi menghambat aktivitas adenilat siklase pada eukariota. Pada saat yang sama, Ca2+ dapat mengurangi kandungan cAMP dengan menginduksi peningkatan aktivitas fosfodiesterase, yang menghidrolisis cAMP. Memang benar, aktivasi cAMP fosfodiesterase oleh kompleks Ca2+-calmodulin ditemukan pada objek tanaman [Fedenko, 1983].

Ketergantungan profil fosforilasi polipeptida pada cAMP eksogen ditunjukkan. Jumlah polipeptida yang fosforilasinya distimulasi oleh cAMP paling banyak pada konsentrasi cAMP mikromolar. Perhatian tertuju pada fakta peningkatan kuat fosforilasi polipeptida 10 kDa yang diinduksi cAMP pada suhu rendah (Gbr. 7) [Karimova, Zhukov, 1991; Yagusheva, 2000]. Menariknya, polipeptida dengan itu berat molekul adalah pengatur protein cAMP fosfodiesterase, yang diaktifkan oleh asam absisat dan Ca2+ dan mengurangi kandungan cAMP karena hidrolisisnya oleh fosfodiesterase.

Mempelajari ciri-ciri aktivasi protein kinase yang bergantung pada cAMP dan fosforilasinya berbagai kulit putih- kov adalah salah satu bidang penelitian terpenting dalam sistem sinyal adenilat siklase. protein kinase yang bergantung pada cAMP (PKA) adalah enzim yang diaktifkan melalui interaksi dengan cAMP dan mengkatalisis transfer residu asam fosfat terminal dari ATP ke gugus hidroksil serin atau residu treonin dari protein akseptor. Modifikasi kovalen protein, yang dilakukan selama fosforilasi, menyebabkan perubahan konformasi dan aktivitas katalitiknya, menyebabkan asosiasi atau disosiasi subunitnya, dll.

Massa molekul protein, kDa

Beras. 7. Pengaruh cAMP terhadap fosforilasi protein bibit kacang polong berumur tiga hari [Karimova, Zhukov, 1991]

1 - kontrol: pucuk yang dipotong dipindahkan dengan tangkai daun ke dalam air selama 2 jam, kemudian selama 2 jam lagi - ke dalam larutan ortofosfat berlabel 32 P; 2 - tanaman potong dipindahkan selama 2 jam ke dalam larutan 1 μM cAMP, kemudian selama 2 jam lagi - ke dalam larutan ortofosfat berlabel 32 P

Substrat dalam reaksi protein kinase adalah MgATP dan protein difosforilasi. Substrat protein dapat secara bersamaan menjadi substrat untuk protein kinase yang bergantung pada cGMP dan cAMP pada residu serin (treonin) yang sama, tetapi laju fosforilasi yang bergantung pada cAMP adalah 10-15 kali lebih tinggi dibandingkan dengan protein kinase yang bergantung pada cGMP. Substrat protein kinase yang bergantung pada cAMP terletak di semua bagian sel: sitosol, retikulum endoplasma (ER), aparatus Golgi, butiran sekretori, sitoskeleton, dan nukleus.

Protein kinase yang diaktifkan oleh cAMP eksogen telah diisolasi dari sel tumbuhan, misalnya dari koleoptil jagung - protein kinase 36 kDa. Kato dkk. mengisolasi tiga jenis protein kinase dari duckweed Lemna paucicostata: 165, 85 dan 145 kDa, salah satunya dihambat oleh cAMP, yang lain diaktifkan oleh cAMP, dan yang ketiga tidak bergantung pada cAMP.

Jenis kedua dari protein kinase adalah polipeptida terfosforilasi

59, 19, 16 dan 14 kDa.

CAMP eksogen menyebabkan perubahan (terutama penghambatan) pada fosforilasi sejumlah polipeptida kloroplas, yang dimediasi oleh partisipasi protein kinase

Salah satu gen protein kinase pertama yang diklon pada tanaman memiliki urutan nukleotida yang mirip dengan keluarga protein kinase A hewan. Ada contoh kemiripan rangkaian asam amino protein kinase A dari tumbuhan (homologinya) dengan protein kinase A dari hewan. Beberapa kelompok peneliti telah melaporkan kloning gen yang homolog dengan gen protein kinase A (ulasan: ). Protein kinase dari petunia memfosforilasi substrat sintetik spesifik protein kinase A. Penambahan cAMP pada ekstrak tumbuhan telah dilaporkan merangsang fosforilasi protein tertentu. Sebuah studi tentang situs fosforilasi pada fenilalanin amonia lyase (PAL), enzim kunci dalam biosintesis fitoaleksin, mengungkapkan situs spesifik untuk protein kinase A.

Penggunaan inhibitor protein (BI) yang sangat spesifik dari protein kinase yang bergantung pada cAMP memungkinkan untuk mengkonfirmasi asumsi bahwa protein kinase yang bergantung pada cAMP dapat diaktifkan oleh cAMP endogen selama persiapan sampel: BI menekan aktivitas protein kinase basal dari ekstrak daun di dalam pengalaman yang berbeda sebesar 30-50% [Karimova, 1994]. Perantara sistem pensinyalan lipoksigenase HDK dan MeZhK mengaktifkan aktivitas protein kinase sebesar 33-^8% dengan adanya cAMP [Karimova et al., 19996]. Asam salisilat menginduksi peningkatan tingkat fosforilasi polipeptida yang bergantung pada cAMP sebesar 74, 61 dan 22 kDa dalam daun kacang polong [Mukhametchina, 2000]. Aktivitas protein kinase terstimulasi cAMP dari protein daun kacang polong terlarut bergantung pada konsentrasi Ca2+ [Karimova et al., 1989; Tarchevskaya, 1990; Karimova, Zhukov, 1991], dan aktivitas enzimatik juga terdeteksi pada dinding sel, inti, dan membran plasma yang terisolasi.

Gen telah ditemukan pada tanaman yang mengkode enzim protein fosfatase, yang targetnya adalah protein yang difosforilasi oleh protein kinase A.

Untuk mengkarakterisasi sistem sinyal adenilat siklase, penemuan gen yang mengkode faktor pengatur transkripsi protein pada tanaman yang telah memperluas urutan nukleotida yang homolog dengan CREBS, faktor transkripsi pengikat cAMP pada hewan, sangatlah penting.

Banyaknya data tentang pengaruh cAMP pada saluran ion sel tumbuhan dan dasar eksperimental yang relatif lemah untuk gagasan tentang kemungkinan transmisi sinyal dari cAMP melalui fosforilasi faktor pengatur transkripsi protein ke dalam genom, di satu sisi, memperkuat posisi pendukung. adanya jalur pensinyalan adenilat siklase tidak langsung (melalui aktivasi saluran ion) dan, di sisi lain, memaksa kita untuk mengintensifkan upaya untuk mendapatkan bukti berfungsinya jalur pensinyalan cAMP langsung.

SISTEM SINYAL MAR KINASE

Protein kinase tipe serin-treonin (MAPK) yang diaktifkan mitogen dan kaskade pensinyalan MAP kinase (sinyal -> reseptor -> G-protein -> MAPKKK - "

-> MAPKK -> MAPK -> PSF -> genom), yang telah cukup dipelajari sepenuhnya pada objek hewan, juga berfungsi pada sel tumbuhan (Gbr. 8). Artikel ulasan dikhususkan untuk mereka

Dan karya yang bersifat eksperimental, yang memberikan informasi tentang masing-masing perwakilan sistem persinyalan ini dan khususnya

masalah regulasi mereka.

Kaskade MAP kinase “diaktifkan” selama mitosis (yang menjelaskan nama protein kinase ini), selama dehidrasi

nia, hipoosmosis

stres fisik, suhu rendah, iritasi mekanis pada tanaman

Kerusakan jaringan, stres oksidatif, aksi patogen, pemicu (in

termasuk harpins, cryptogein, oligosakarida), stres fitohormon jasmonat, sali-

silat, sistemin, etilen).

Ketergantungan fungsi kaskade MAP kinase pada berbagai pengaruh tercermin dari nama beberapa kinase MAP, misalnya WIPK dan SIPK (masing-masing

protein kinase yang diinduksi oleh luka vena dan protein yang diinduksi salisilat

Beras. 8. Skema fungsi sistem sinyal MAP kinase

KKMARK, PETA kinase kinase kinase; KMARK - PETA kinase kinase; MAPK - protein kinase yang diaktifkan mitogen. Sebutan lainnya - lihat gambar. 6

Ketahanan tanaman terhadap patogen ditentukan, seperti yang ditetapkan oleh H. Flor pada tahun 50-an abad ke-20, melalui interaksi sepasang gen yang saling melengkapi dari tanaman inang dan patogen, masing-masing, gen resistensi (R) dan avirulensi. gen (Avr). Kekhususan interaksinya menunjukkan bahwa produk ekspresi gen-gen ini terlibat dalam pengenalan patogen oleh tanaman, diikuti dengan aktivasi proses pensinyalan untuk mengaktifkan reaksi pertahanan.

Saat ini, 7 sistem pensinyalan diketahui: sikloadenilat, MAP kinase (protein-kinase teraktivasi mitogen), asam fosfatidat, kalsium, lipoksigenase, NADPH oksidase (superoksida sintase), NO sintase.

Dalam lima sistem pensinyalan pertama, protein G adalah mediator antara bagian sitoplasma reseptor dan enzim yang diaktifkan pertama. Protein ini terlokalisasi di di dalam plasmalemma. Molekulnya terdiri dari tiga subunit: a, b dan g.

Sistem sinyal sikladenilat. Interaksi stresor dengan reseptor pada membran plasma menyebabkan aktivasi adenilat siklase, yang mengkatalisis pembentukan siklik adenosin monofosfat (cAMP) dari ATP. cAMP mengaktifkan saluran ion, termasuk sistem sinyal kalsium, dan protein kinase yang bergantung pada cAMP. Enzim-enzim ini mengaktifkan protein yang mengatur ekspresi gen pelindung dengan memfosforilasinya.

Sistem sinyal MAP kinase. Aktivitas protein kinase meningkat pada tanaman yang terkena stres (cahaya biru, dingin, pengeringan, kerusakan mekanis, stres garam), serta tanaman yang diberi etilen, asam salisilat, atau terinfeksi patogen.

Pada tumbuhan, kaskade protein kinase berfungsi sebagai jalur transduksi sinyal. Pengikatan elisitor ke reseptor membran plasma mengaktifkan MAP kinase. Ini mengkatalisis fosforilasi sitoplasma kinase MAP kinase, yang mengaktifkan MAP kinase setelah fosforilasi ganda residu treonin dan tirosin. Ia memasuki nukleus, di mana ia memfosforilasi protein pengatur transkripsi.

Sistem sinyal asam fosfatidat. Dalam sel hewan, protein G, di bawah pengaruh stresor, mengaktifkan fosfolipase C dan D. Fosfolipase C menghidrolisis fosfatidilinositol 4,5-bifosfat untuk membentuk diacylgliserol dan inositol 1,4,5-trifosfat. Yang terakhir melepaskan Ca2+ dari keadaan terikat. Peningkatan kandungan ion kalsium menyebabkan aktivasi protein kinase yang bergantung pada Ca2+. Diasilgliserol, setelah fosforilasi oleh kinase spesifik, diubah menjadi asam fosfatidat, yang merupakan zat pemberi sinyal dalam sel hewan. Fosfolipase D secara langsung mengkatalisis pembentukan asam fosfatidat dari lipid membran (fosfatidilkolin, fosfatidiletanolamin).

Pada tumbuhan, stresor mengaktifkan protein G, fosfolipase C dan D pada tumbuhan. Oleh karena itu, tahap awal jalur pensinyalan ini sama pada sel hewan dan tumbuhan. Dapat diasumsikan bahwa pembentukan asam fosfatidat juga terjadi pada tumbuhan, yang dapat mengaktifkan protein kinase dengan fosforilasi protein selanjutnya, termasuk faktor pengatur transkripsi.

Sistem sinyal kalsium. Paparan berbagai faktor (lampu merah, salinitas, kekeringan, dingin, sengatan panas, stres osmotik, asam absisat, giberelin dan patogen) menyebabkan peningkatan kandungan ion kalsium dalam sitoplasma karena peningkatan impor dari lingkungan luar dan pelepasan. dari penyimpanan intraseluler (retikulum endoplasma dan vakuola)

Peningkatan konsentrasi ion kalsium dalam sitoplasma menyebabkan aktivasi protein kinase yang bergantung pada Ca2+ yang larut dan terikat pada membran. Mereka berpartisipasi dalam fosforilasi faktor protein yang mengatur ekspresi gen pelindung. Namun, Ca2+ telah terbukti mampu secara langsung mempengaruhi represor transkripsional manusia tanpa melibatkan kaskade fosforilasi protein. Ion kalsium juga mengaktifkan fosfatase dan fosfolipase C spesifik fosfoinositol. Efek pengaturan kalsium bergantung pada interaksinya dengan reseptor kalsium intraseluler - protein calmodulin.

Sistem sinyal lipoksigenase. Interaksi elisitor dengan reseptor pada plasmalemma menyebabkan aktivasi fosfolipase A2 yang terikat membran, yang mengkatalisis pelepasan asam lemak tak jenuh, termasuk asam linoleat dan linolenat, dari fosfolipid plasmalemma. Asam ini adalah substrat untuk lipoksigenase. Substrat untuk enzim ini tidak hanya bebas, tetapi juga asam lemak tak jenuh yang terkandung dalam trigliserida. Aktivitas lipoksigenase meningkat di bawah pengaruh elisitor dan infeksi tanaman dengan virus dan jamur. Peningkatan aktivitas lipoksigenase disebabkan adanya rangsangan ekspresi gen yang mengkode enzim tersebut.

Lipoksigenase mengkatalisis penambahan oksigen molekuler ke salah satu atom karbon (9 atau 13) dari radikal cis,cis-pentadiena asam lemak. Produk antara dan akhir metabolisme lipoksigenase asam lemak memiliki sifat bakterisidal dan fungisida serta dapat mengaktifkan protein kinase. Dengan demikian, produk yang mudah menguap (heksenal dan nonenal) bersifat racun bagi mikroorganisme dan jamur, asam 12-hidroksi-9Z-dodecenoic merangsang fosforilasi protein pada tanaman kacang polong, asam fitodienat, asam jasmonat, dan metil jasmonat meningkatkan tingkat ekspresi gen pelindung melalui aktivasi protein kinase.

Sistem sinyal NADPH oksidase. Dalam banyak kasus, infeksi patogen merangsang produksi spesies oksigen reaktif dan kematian sel. Spesies oksigen reaktif tidak hanya beracun bagi patogen dan sel tanaman inang yang terinfeksi, tetapi juga berperan dalam sistem persinyalan. Dengan demikian, hidrogen peroksida mengaktifkan faktor pengatur transkripsi dan ekspresi gen pelindung.

TIDAK ADA sistem sinyal sintase. Pada makrofag hewan yang membunuh bakteri, bersama dengan spesies oksigen reaktif, oksida nitrat bekerja, meningkatkan efek antimikroba. Dalam jaringan hewan, L-arginin diubah menjadi citrulline dan NO melalui aksi NO sintase. Aktivitas enzim ini juga terdeteksi pada tanaman, dan virus mosaik tembakau menyebabkan peningkatan aktivitasnya pada tanaman resisten, namun tidak mempengaruhi aktivitas NO sintase pada tanaman sensitif. NO, berinteraksi dengan oksigen superoksida, membentuk peroksinitril yang sangat beracun. Pada peningkatan konsentrasi oksida nitrat, guanilat siklase diaktifkan, yang mengkatalisis sintesis siklik guanosin monofosfat. Ini mengaktifkan protein kinase secara langsung atau melalui pembentukan ADP-ribosa siklik, yang membuka saluran Ca2+ dan dengan demikian meningkatkan konsentrasi ion kalsium dalam sitoplasma, yang pada gilirannya mengarah pada aktivasi protein kinase yang bergantung pada Ca2+.

Jadi, dalam sel tumbuhan terdapat sistem jalur sinyal terkoordinasi yang dapat bertindak secara independen satu sama lain atau bersama-sama. Ciri khusus sistem persinyalan adalah penguatan sinyal selama transmisinya. Aktivasi sistem persinyalan sebagai respons terhadap pengaruh berbagai stresor (termasuk patogen) menyebabkan aktivasi ekspresi gen pelindung dan peningkatan ketahanan tanaman.

Mekanisme yang diinduksi: a) peningkatan respirasi, b) akumulasi zat yang memberikan stabilitas, c) penciptaan penghalang mekanis pelindung tambahan, d) perkembangan reaksi hipersensitivitas.

Patogen, setelah mengatasi hambatan permukaan dan memasuki sistem penghantar dan sel tumbuhan, menyebabkan penyakit tanaman. Sifat penyakit tergantung pada ketahanan tanaman. Menurut derajat ketahanannya, tumbuhan dibedakan menjadi empat kategori yaitu sensitif, toleran, hipersensitif, dan sangat tahan (imun). Mari kita cirikan secara singkat menggunakan contoh interaksi tumbuhan dengan virus.

Pada tanaman sensitif, virus diangkut dari sel yang awalnya terinfeksi ke seluruh tanaman, berkembang biak dengan baik dan menimbulkan berbagai gejala penyakit. Namun, bahkan pada tanaman sensitif pun terdapat mekanisme perlindungan yang membatasi infeksi virus. Hal ini misalnya dibuktikan dengan kembalinya reproduksi virus mosaik tembakau pada protoplas yang diisolasi dari daun tanaman tembakau yang terinfeksi, sehingga pertumbuhan infektivitasnya terhenti. Zona hijau tua yang terbentuk pada daun muda tanaman sensitif yang sakit ditandai dengan tingkat ketahanan yang tinggi terhadap virus. Sel-sel di zona ini hampir tidak mengandung partikel virus dibandingkan dengan sel-sel di sekitarnya dari jaringan hijau muda. Rendahnya tingkat akumulasi virus dalam sel-sel jaringan hijau tua dikaitkan dengan sintesis zat antivirus. Pada tanaman toleran, virus menyebar ke seluruh tanaman namun berkembang biak dengan buruk dan tidak menimbulkan gejala. Pada tanaman yang hipersensitif, sel-sel yang terinfeksi dan sel-sel di sekitarnya menjadi nekrotik, sehingga virus terlokalisasi dalam nekrosis. Dipercaya bahwa pada tanaman yang sangat resisten, virus hanya berkembang biak di sel yang awalnya terinfeksi, tidak menyebar ke seluruh tanaman dan tidak menimbulkan gejala penyakit. Namun, pengangkutan antigen virus dan RNA subgenomik pada tanaman ini terlihat, dan ketika tanaman yang terinfeksi disimpan pada suhu rendah (10-15°C), nekrosis terbentuk pada daun yang terinfeksi.

Mekanisme resistensi tanaman hipersensitif adalah yang paling banyak dipelajari. Terbentuknya nekrosis lokal merupakan gejala khas reaksi hipersensitif tanaman sebagai respon terhadap kerusakan patogen. Mereka muncul sebagai akibat dari kematian sekelompok sel di tempat masuknya patogen. Kematian sel yang terinfeksi dan penciptaan penghalang pelindung di sekitar nekrosis menghalangi pengangkutan agen infeksi ke seluruh tanaman, mencegah akses nutrisi ke patogen, menyebabkan eliminasi patogen, dan mengarah pada pembentukan enzim antipatogen, metabolit, dan zat pemberi sinyal. yang mengaktifkan proses perlindungan di sel tetangga dan jauh, dan pada akhirnya berkontribusi pada penyembuhan tanaman. Kematian sel terjadi karena aktivasi program kematian genetik dan pembentukan senyawa dan radikal bebas yang bersifat toksik baik bagi patogen maupun sel itu sendiri.

Nekrotisasi sel tanaman hipersensitif yang terinfeksi, dikendalikan oleh gen patogen dan tanaman inang, merupakan kasus khusus kematian sel terprogram (PCD - kematian sel terprogram). PCD sangat penting untuk perkembangan normal tubuh. Jadi, hal ini terjadi, misalnya, selama diferensiasi elemen trakeid selama pembentukan pembuluh xilem dan kematian sel tudung akar. Sel-sel perifer ini mati bahkan ketika akar tumbuh di dalam air, yang berarti kematian sel adalah bagian dari perkembangan tanaman dan bukan disebabkan oleh pengaruh tanah. Persamaan antara PCD dan kematian sel pada reaksi hipersensitif adalah keduanya proses aktif; pada sel nekrotik, kandungan ion kalsium dalam sitoplasma juga meningkat, terbentuk vesikel membran, aktivitas deoksiribonuklease meningkat, DNA terurai menjadi fragmen dengan ujung 3'OH, dan terjadi kondensasi inti dan sitoplasma.

Selain masuknya PCD, nekrotisasi sel tanaman hipersensitif yang terinfeksi terjadi akibat pelepasan fenol dari vakuola pusat dan enzim hidrolitik dari lisosom akibat pelanggaran integritas membran sel dan peningkatan permeabilitasnya. Penurunan integritas membran sel disebabkan oleh peroksidasi lipid. Hal ini dapat terjadi dengan partisipasi enzim dan non-enzimatis sebagai akibat dari aksi spesies oksigen reaktif dan radikal organik bebas.

Salah satu ciri khas tanaman yang hipersensitif adalah resistensi yang didapat (diinduksi) terhadap infeksi berulang oleh patogen. Istilah resistensi yang didapat secara sistemik (SAR) dan resistensi yang didapat secara lokal (LAR) diusulkan. LAR dikatakan terjadi ketika sel memperoleh resistensi di daerah yang berbatasan langsung dengan nekrosis lokal (jarak sekitar 2 mm). Dalam hal ini, nekrosis sekunder tidak terbentuk sama sekali. Resistensi yang didapat dianggap sistemik jika berkembang di sel tanaman yang sakit yang jauh dari tempat masuknya patogen. SAR memanifestasikan dirinya dalam penurunan tingkat akumulasi virus dalam sel dan penurunan ukuran nekrosis sekunder, yang mengindikasikan penghambatan transportasi virus jangka pendek. Tidak jelas apakah LAR dan SAR berbeda satu sama lain atau apakah keduanya merupakan proses yang sama yang terjadi dalam sel yang terletak pada jarak berbeda dari tempat masuknya virus ke dalam tanaman.

Resistensi yang didapat biasanya tidak spesifik. Ketahanan tanaman terhadap virus disebabkan oleh infeksi bakteri dan jamur, begitu pula sebaliknya. Resistensi tidak hanya disebabkan oleh patogen, tetapi juga oleh berbagai zat.

Perkembangan SAR dikaitkan dengan penyebaran zat yang terbentuk pada daun yang awalnya terinfeksi ke seluruh tanaman. Diasumsikan bahwa penginduksi SAR adalah asam salisilat, yang terbentuk selama nekrosis sel yang awalnya terinfeksi.

Ketika tanaman terserang penyakit, zat terakumulasi di dalam tanaman yang meningkatkan ketahanannya terhadap patogen. Zat antibiotik, fitoncides, yang ditemukan oleh B. Tokin pada tahun 20-an abad ke-20 berperan penting dalam ketahanan tanaman nonspesifik. Ini termasuk zat dengan berat molekul rendah dari berbagai struktur (senyawa alifatik, kuinon, glikosida dengan fenol, alkohol) yang dapat menunda perkembangan atau membunuh mikroorganisme. Dirilis ketika bawang merah dan bawang putih terluka, fitoncides yang mudah menguap melindungi tanaman dari patogen yang sudah berada di atas permukaan organ. Phytoncides yang tidak mudah menguap terlokalisasi di jaringan integumen dan berpartisipasi dalam menciptakan sifat pelindung permukaan. Di dalam sel mereka dapat terakumulasi dalam vakuola. Ketika rusak, jumlah fitoncides meningkat tajam, yang mencegah kemungkinan infeksi pada jaringan yang terluka.

Fenol juga tergolong zat antibiotik pada tumbuhan. Jika terjadi kerusakan dan penyakit, polifenol oksidase diaktifkan di dalam sel, yang mengoksidasi fenol menjadi kuinon yang sangat beracun. Senyawa fenolik membunuh patogen dan sel inang tanaman, menonaktifkan eksoenzim patogen dan diperlukan untuk sintesis lignin.

Protein, glikoprotein, polisakarida, RNA, dan senyawa fenolik ditemukan di antara penghambat virus. Ada penghambat infeksi yang secara langsung mempengaruhi partikel virus, menjadikannya tidak menular, atau memblokir reseptor virus. Misalnya, inhibitor dari jus bit, peterseli, dan kismis menyebabkan penghancuran hampir seluruh partikel virus mosaik tembakau, dan jus lidah buaya menyebabkan agregasi partikel secara linier, yang mengurangi kemungkinan penetrasi partikel ke dalam sel. Penghambat reproduksi mengubah metabolisme sel, sehingga meningkatkan stabilitas sel, atau menghambat reproduksi virus. Protein inaktivasi ribosom (RIP) terlibat dalam resistensi tanaman terhadap virus.

Pada tanaman tembakau hipersensitif yang terinfeksi virus mosaik tembakau, ditemukan protein yang awalnya disebut protein b dan sekarang disebut sebagai protein terkait patogenesis (protein PR) atau protein terkait resistensi. Nama umum “protein PR” menunjukkan bahwa sintesisnya hanya disebabkan oleh patogen. Namun, protein ini juga terbentuk di tanaman yang sehat selama pembungaan dan berbagai pengaruh stres.

Pada tahun 1999, berdasarkan urutan asam amino, sifat serologis, enzim dan aktivitas biologis, nomenklatur terpadu protein PR dibuat untuk semua tanaman, yang terdiri dari 14 famili (PR-1 - PR-14). Beberapa protein PR mempunyai aktivitas protease, ribonuklease, 1,3-b-glukanase, kitinase, atau merupakan inhibitor protease. Tumbuhan tingkat tinggi tidak mempunyai kitin. Kemungkinan besar protein ini terlibat dalam pertahanan tanaman terhadap jamur, karena kitin dan b-1,3-glukan adalah komponen utama dinding sel banyak jamur dan kitinase menghidrolisis ikatan b-1,3 kitin. Kitinase juga dapat bertindak seperti lisozim, menghidrolisis peptidoglukan di dinding sel bakteri. Namun, b-1,3-glukanase dapat memfasilitasi pengangkutan partikel virus di sepanjang daun. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa b-1,3-glukanase menghancurkan kalosa (b-1,3-glukan), yang disimpan di dinding sel dan plasmodesmata serta menghambat pengangkutan virus.

Protein PR juga mencakup protein dengan berat molekul rendah (5 kDa) - pengubah membran sel jamur dan bakteri: tionin, defensin, dan protein transfer lipid. Thionin bersifat racun in vitro terhadap jamur dan bakteri fitopatogenik. Toksisitasnya disebabkan oleh efek destruktifnya pada membran patogen. Defensin memiliki sifat antijamur yang kuat, namun tidak berpengaruh pada bakteri. Defensin dari tanaman keluarga Brassicaceae dan Saxifragaceae menekan pertumbuhan pemanjangan hifa jamur tetapi mendorong percabangan mereka. Defensin dari tumbuhan famili Asteraceae, Fabaceae, dan Hippocastanaceae memperlambat pemanjangan hifa, namun tidak mempengaruhi morfologinya.

Ketika tanaman terinfeksi patogen, aktivitas kompartemen litik sel tanaman sensitif dan hipersensitif meningkat. Kompartemen litik sel tumbuhan mencakup vakuola kecil - turunan dari retikulum endoplasma dan aparatus Golgi, yang berfungsi sebagai lisosom primer hewan, yaitu struktur yang mengandung hidrolase di mana tidak ada substrat untuk enzim ini. Selain vakuola ini, kompartemen litik sel tumbuhan mencakup vakuola sentral dan vakuola lain yang setara dengan lisosom sekunder sel hewan, yang mengandung hidrolase dan substratnya, serta plasmalemma dan turunannya, termasuk badan paramural, dan hidrolase ekstraseluler. terlokalisasi di dinding sel dan di ruang antara dinding dan plasmalemma.

Burachenko D.L. Struktur sinyal. Bagian 3 (Dokumen)

Metode penelitian sel modern (manual) (Dokumen)

Papan sinyal T-4U2, T-6U2, T-8U2, T-10U2. Deskripsi teknis dan petunjuk pengoperasian dan perbaikan (Dokumen)

Memacu Anatomi Sistem Saraf Pusat (Crib)

Kozinets G.I. Atlas Sel Darah dan Sumsum Tulang (Dokumen)

n1.doc

UDC 58 BBK 28,57 T22

Editor Eksekutif Anggota Koresponden dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia A.I. orang Yunani

Peninjau:

L.H. Gordon Doktor Ilmu Biologi, Profesor LP Khokhlova

Tarchevsky I.A.

Sistem sinyal sel tumbuhan / I.A. Tarchevsky; [Jwb. ed. SEBUAH. orang Yunani]. - M.: Nauka, 2002. - 294 hal.: sakit. ISBN 5-02-006411-4

Untuk dokter spesialis di bidang fisiologi tumbuhan, ahli biokimia, ahli biofisika, ahli genetika, ahli patologi tumbuhan, ahli ekologi, ahli agrobiologi.

Melalui jaringan AK

Tarchevsky I.A.

Sistem Persinyalan Sel Tumbuhan /1.A. Tarchevsky; . - M.: Nauka, 2002. - 294 hal.; sakit. ISBN 5-02-006411-4

Untuk ahli fisiologi, ahli biokimia, ahli biofisika, ahli genetika, ahli fitopatologi, ahli ekologi, dan ahli agrobiologi

ISBN 5-02-006411-4

(desain seni), 2002

Artikel-artikel yang bersifat eksperimental dimasukkan dalam daftar pustaka, yang sampai batas tertentu bergantung pada terbatasnya volume buku dan waktu penyusunannya. Penulis meminta maaf kepada rekan-rekan yang penelitiannya tidak dimuat dalam buku ini.

Pekerjaan ini dilakukan dengan dukungan keuangan dari Yayasan Sekolah Ilmiah Terkemuka Federasi Rusia (hibah 96-15-97940 dan 15-00-97904) dan Yayasan Penelitian Dasar Rusia (hibah 01-04-48-785 ).

PERKENALAN

Salah satu masalah terpenting dalam biologi modern adalah menguraikan mekanisme respon organisme prokariotik dan eukariotik terhadap perubahan kondisi keberadaannya, terutama terhadap tindakan faktor-faktor ekstrim (faktor stres, atau stressor) yang menyebabkan keadaan stres pada manusia. sel.

Perubahan nonspesifik yang paling signifikan selama stres biotik adalah sebagai berikut:

Fase dalam perjalanan waktu respons terhadap aksi suatu patogen.
Peningkatan katabolisme lipid dan biopolimer.
Peningkatan kandungan radikal bebas dalam jaringan.
Pengasaman sitosol diikuti dengan aktivasi pompa proton, yang mengembalikan pH ke nilai aslinya.
Peningkatan kandungan ion kalsium dalam sitosol dengan
aktivasi selanjutnya dari kalsium ATPase.
Pelepasan ion kalium dan klorin dari sel.
Penurunan potensial membran (pada plasmalemma).
Penurunan intensitas keseluruhan sintesis biopolimer dan lipid.
Menghentikan sintesis protein tertentu.

Memperkuat sintesis atau sintesis yang hilang
disebut protein pelindung yang diinduksi patogen (chi-
tinase (3-1,3-glukanase, inhibitor proteinase, dll.).
Intensifikasi sintesis penguatan sel
komponen dinding - lignin, suberin, cutin, callose,
protein kaya hidroksiprolin.
Sintesis senyawa non-volatil antipatogenik - fitoaleksin.
Sintesis dan isolasi bakterisida yang mudah menguap dan fungsinya
senyawa hycidal (heksenal, nonenal, terpen dan

Dr->-

Memperkuat sintesis dan meningkatkan konten (atau menurut
fenomena) fitohormon stres - absisik, jasmo-
baru, asam salisilat, etilen, hormon peptida
sifat sistemin.
Penghambatan fotosintesis.
Redistribusi karbon dari |4 CO 2 berasimilasi di
proses fotosintesis, antara berbagai senyawa -
penurunan penggabungan label ke dalam senyawa polimer tinggi (protein, pati) dan sukrosa dan peningkatan (lebih sering dikaitkan dengan
telous - sebagai persentase karbon yang berasimilasi) - menjadi alanin,
malat, aspartat [Tarchevsky, 1964].

17. Peningkatan pernapasan diikuti dengan penghambatan.
Aktivasi oksidase alternatif yang mengubah arah transpor elektron di mitokondria.

18. Pelanggaran ultrastruktur - perubahan tipis
struktur granular nukleus, penurunan jumlah polisom dan
diktiosom, pembengkakan mitokondria dan kloroplas, berkurang
penurunan jumlah tilakoid dalam kloroplas, restrukturisasi sit-
kerangka

Apoptosis (kematian terprogram) sel yang mengalaminya
terkena patogen dan orang-orang yang berdekatan dengannya.
Kemunculannya disebut sistemik nonspesifik
resistensi yang tinggi terhadap patogen di lokasi terpencil
paparan patogen di area (misalnya, metamerik
organ) tumbuhan.

Banyak dari perubahan yang disebutkan di atas merupakan konsekuensi dari “dinyalakannya” sejumlah kecil sistem sinyal nonspesifik oleh pemicu stres.

Dengan meningkatnya studi tentang mekanisme respon tanaman terhadap patogen, respon nonspesifik baru dari sel tanaman mulai ditemukan. Ini termasuk jalur persinyalan yang sebelumnya tidak diketahui.

Ketika menjelaskan ciri-ciri fungsi sistem pensinyalan, perlu diingat bahwa masalah ini adalah bagian dari masalah yang lebih umum dalam pengaturan fungsi genom. Perlu dicatat bahwa universalitas struktur pembawa informasi utama sel berbagai organisme - DNA dan gen - menentukan penyatuan mekanisme yang melayani implementasi informasi ini [Grechkin, Tarchevsky, 2000]. Hal ini menyangkut replikasi dan transkripsi DNA, struktur dan mekanisme kerja ribosom, serta mekanisme pengaturan ekspresi gen dengan mengubah kondisi keberadaan sel menggunakan serangkaian sistem pensinyalan yang sebagian besar bersifat universal. Tautan sistem persinyalan juga pada dasarnya bersatu (alam, setelah menemukan solusi struktural dan fungsional yang optimal untuk masalah biokimia atau informasi, melestarikan dan mereplikasinya dalam proses evolusi). Dalam kebanyakan kasus, berbagai macam sinyal kimia yang berasal dari lingkungan ditangkap oleh sel menggunakan “antena” khusus - molekul protein reseptor yang menembus membran sel dan menonjol di atas permukaan luar dan dalam.

Tidak ada sisi. Beberapa jenis struktur reseptor ini disatukan dalam sel tumbuhan dan hewan. Interaksi non-kovalen dari wilayah luar reseptor dengan molekul pemberi sinyal tertentu yang berasal dari lingkungan sekitar sel menyebabkan perubahan konformasi protein reseptor, yang ditransmisikan ke wilayah sitoplasma internal. Di sebagian besar sistem pensinyalan, protein G perantara bersentuhan dengannya - unit lain dari sistem pensinyalan yang bersatu (dalam struktur dan fungsinya). G-protein menjalankan fungsi transduser sinyal, mentransmisikan impuls konformasi sinyal ke enzim awal yang spesifik untuk sistem pensinyalan tertentu. Enzim awal dari jenis sistem pensinyalan yang sama pada objek yang berbeda juga bersifat universal dan memiliki wilayah yang diperluas dengan urutan asam amino yang sama. Salah satu mata rantai terpadu terpenting dalam sistem pensinyalan adalah protein kinase (enzim yang mentransfer residu terminal asam ortofosfat dari ATP ke protein tertentu), yang diaktifkan oleh produk reaksi pensinyalan awal atau turunannya. Protein yang difosforilasi oleh protein kinase adalah mata rantai berikutnya dalam rantai sinyal. Tautan terpadu lainnya dalam sistem pensinyalan sel adalah faktor pengatur transkripsi protein, yang merupakan salah satu substrat reaksi protein kinase. Struktur protein ini juga sebagian besar bersatu, dan modifikasi struktur menentukan afiliasi faktor pengatur transkripsi pada sistem pensinyalan tertentu. Fosforilasi faktor pengatur transkripsi menyebabkan perubahan konformasi protein ini, aktivasinya dan interaksi selanjutnya dengan daerah promotor gen tertentu, yang menyebabkan perubahan intensitas ekspresinya (induksi atau represi), dan dalam kasus ekstrim , hingga “menghidupkan” atau “mematikan” beberapa gen diam. Pemrograman ulang ekspresi sekumpulan gen dalam genom menyebabkan perubahan rasio protein dalam sel, yang menjadi dasar respons fungsionalnya. Dalam beberapa kasus, sinyal kimia dari lingkungan luar dapat berinteraksi dengan reseptor yang terletak di dalam sel - di sitosol atau

SINYAL

UJUNG PENA

Beras. 1. Skema interaksi sinyal eksternal dengan reseptor sel

1,5,6- reseptor yang terletak di plasmalemma; 2,4 - reseptor yang terletak di sitosol; 3 - enzim awal dari sistem pensinyalan, terlokalisasi di plasmalemma; 5 - reseptor yang diaktifkan di bawah pengaruh perubahan nonspesifik pada struktur komponen lipid plasmalemma; SIB - protein yang diinduksi sinyal; PTF - faktor pengatur transkripsi protein; saya|/ - perubahan potensial membran

Inti yang sama (Gbr. 1). Pada sel hewan, sinyal tersebut misalnya hormon steroid. Jalur informasi ini memiliki jumlah zat antara yang lebih sedikit, sehingga memiliki lebih sedikit peluang untuk diatur oleh sel.

Negara kita selalu memberikan perhatian besar terhadap masalah fitoimunitas. Sejumlah monografi dan ulasan oleh ilmuwan dalam negeri dikhususkan untuk masalah ini [Sukhorukov, 1952; Verderevsky, 1959; Vavilov, 1964; Gorlenko, 1968; Rubin dkk., 1975; Metlitsky, 1976; Tokin, 1980; Metlitsky dkk., 1984; Metlitsky, Ozeretsky, 1985; Kursano-va, 1988; Ilyinskaya dkk., 1991; Ozeretskovskaya dkk., 1993; Korableva, Platonova, 1995; Chernov dkk., 1996; Tarchevsky, Chernov, 2000].

Dalam beberapa tahun terakhir, perhatian khusus telah diberikan pada mekanisme molekuler fitoimunitas. Hal itu telah terbukti

Ketika tanaman terinfeksi, berbagai sistem sinyal diaktifkan yang merasakan, memperbanyak, dan mengirimkan sinyal dari patogen ke peralatan genetik sel, tempat ekspresi gen pelindung terjadi, memungkinkan tanaman mengatur perlindungan struktural dan kimia dari patogen. Kemajuan di bidang ini terkait dengan kloning gen, penguraian struktur primernya (termasuk daerah promotor), struktur protein yang dikodekannya, penggunaan aktivator dan penghambat masing-masing bagian sistem pensinyalan, serta mutan dan tanaman transgenik. dengan gen yang diperkenalkan bertanggung jawab untuk sintesis peserta reseptor, transmisi dan penguatan sinyal. Dalam studi sistem persinyalan sel tumbuhan, peran penting dimainkan oleh pembangunan tanaman transgenik dengan promotor gen protein yang berpartisipasi dalam sistem persinyalan.

Masalah dalam menguraikan mekanisme molekuler dari cekaman biotik, termasuk peran sistem sinyal dalam perkembangannya, telah menyatukan ahli fisiologi dan biokimia tanaman, ahli mikrobiologi, ahli genetika, ahli biologi molekuler, dan ahli fitopatologi selama sepuluh tahun terakhir. Sejumlah besar artikel eksperimental dan review diterbitkan tentang berbagai aspek masalah ini (termasuk dalam jurnal khusus: "Patologi Tumbuhan Fisiologis dan Molekuler", "Interaksi Tumbuhan Molekuler - Mikroba", "Tinjauan Tahunan Fisiologi dan Patologi Tumbuhan"). Pada saat yang sama, dalam literatur dalam negeri tidak ada generalisasi karya yang ditujukan untuk sistem sinyal sel, yang menyebabkan penulis perlu menulis monografi yang ditawarkan kepada pembaca.

PATOGEN DAN ELISITOR

Penyakit tanaman disebabkan oleh ribuan spesies mikroorganisme, yang dapat dibagi menjadi tiga kelompok: virus (lebih dari 40 famili) dan viroid; bakteri (Agrobacterium, Corynebacterium, Erwinia, Pseudomonas, Xanthomonas, Streptomyces) dan mikroorganisme mirip mikoplasma; jamur (lebih rendah: Plasmodiophoromycetes, Chitridomycetes, Oomycetes; lebih tinggi: Ascomycetes, Basidiomycetes, Deuteromycetes).

Tesis enzim pelindung: fenilalanin amonia lyase dan anion peroksidase. Bentuk-bentuk tak bersayap yang termasuk dalam subkelas ini muncul sebagai akibat hilangnya organ-organ ini selama evolusi bentuk-bentuk bersayap. Subkelas tersebut mencakup 20 ordo serangga, di antaranya terdapat polifag yang tidak memiliki kekhususan dalam kaitannya dengan tanaman, oligofag dan monofag, yang di dalamnya kekhususan interaksi antara patogen dan tanaman inang dinyatakan dengan jelas. Beberapa serangga memakan daun (seluruh helai daun atau membuat kerangka daun), yang lain memakan batang (termasuk menggerogoti batang dari dalam), ovarium bunga, buah, dan akar. Kutu daun dan jangkrik menghisap getah dari pembuluh darah menggunakan belalai atau stilet.

Meskipun upaya-upaya telah diambil untuk memberantas serangga, masalah mendesak dalam mengurangi dampak buruk yang ditimbulkannya masih tetap ada. Saat ini, lebih dari 12% hasil panen tanaman pertanian di planet ini hilang akibat serangan mikroorganisme patogen, nematoda, dan serangga.

Kerusakan sel menyebabkan degradasi isinya, misalnya senyawa polimer tinggi, dan munculnya molekul pemberi sinyal oligomer. “Bangkai kapal” ini [Tarchevsky, 1993] mencapai sel-sel di sekitarnya dan menyebabkan reaksi perlindungan di dalamnya, termasuk perubahan ekspresi gen dan pembentukan protein pelindung yang dikodekannya. Seringkali, kerusakan mekanis pada tanaman disertai dengan infeksi, karena permukaan luka terbuka tempat patogen menembus tanaman. Selain itu, mikroorganisme fitopatogen dapat hidup di mulut serangga. Misalnya, diketahui bahwa pembawa infeksi mikoplasma adalah jangkrik, di mana bentuk dewasa dan larva memakan sari pembuluh saringan tanaman, menusuk daun dengan belalainya dan

Beras. 2. Skema interaksi antara sel patogen dan tanaman inang

/ - cutinase; 2 - produk degradasi komponen kutikula (mungkin memiliki sifat sinyal); 3 - (3-glukanase dan glikosilase lain yang diekskresikan oleh patogen; 4 - elisitor - fragmen dinding sel inang (CW); 5 - kitinase dan glikosilase lain yang bekerja secara merusak pada CS patogen; 6 - elisitor - fragmen patogen CS; 7 - fitoaleksin - penghambat proteinase, kutinase, glikosilase dan enzim patogen lainnya; 8 - zat beracun dari patogen; 9 - penguatan CS inang karena aktivasi peroksidase dan peningkatan sintesis lignin, pengendapan protein hidroksiprolin dan lektin; 10 - penginduksi hipersensitivitas dan nekrosis sel tetangga; // - produk degradasi kutin yang bekerja pada sel patogen

Batang muda. Wereng roseate, tidak seperti anggota wereng lainnya, menghisap isi selnya. Jangkrik menyebabkan lebih sedikit kerusakan pada jaringan tanaman dibandingkan serangga pemakan daun, namun tanaman dapat bereaksi dengan cara yang sama seperti terhadap infeksi tanaman terkait.

Beras. 3. Senyawa fitotoksik dari Cochlio-bolus carbonum

Bakteri dan jamur juga menghasilkan racun non-selektif, khususnya fusicoccin, erichosetene, coronatine, fase-olotoxin, syringomycin, tabtoxin.

Salah satu racun spesifik inang yang dikeluarkan oleh Pyrenophora triticirepentis adalah protein 13,2 kDa, yang lain adalah produk metabolisme sekunder dengan berbagai struktur - ini adalah poliketida, terpenoid, sakarida, peptida siklik, dll.

Biasanya, yang terakhir termasuk peptida yang sintesisnya terjadi di luar ribosom dan mengandung residu asam D-amino. Misalnya, toksin spesifik inang dari Cochliobolus carbonum mempunyai struktur siklik tetrapeptida (D- tidak- L- ana- D- ana- L- A3 JJ), dimana singkatan terakhir berarti asam 2-amino-9,10-epoxy-8-oxo-de-canoic (Gbr. 3). Toksin diproduksi dalam sel patogen menggunakan toksin sintase. Resistensi terhadap senyawa ini pada jagung bergantung pada gen yang mengkode karbonil reduktase yang bergantung pada NADPH, yang mereduksi gugus karbonil, sehingga menghasilkan

Penonaktifan racun. Ternyata pada tanaman inang, toksin tersebut menyebabkan penghambatan deasetilase histon dan, sebagai konsekuensinya, asetilasi histon yang berlebihan. Hal ini menekan respon pertahanan tanaman yang disebabkan oleh infeksi patogen.

Analog Sky), sesuai dengan wilayah protein yang paling dilestarikan - flagelin, yang merupakan faktor virulensi penting dari bakteri ini. Protein elisitor baru telah diisolasi dari Erwinia amylovora, wilayah C yang homolog dengan enzim pektat lyase, yang dapat menyebabkan munculnya fragmen oligomer elitor - produk degradasi pektin. Bakteri patogen Erwinia carotovora mengeluarkan protein elisitor harpin dan enzim pektat lyase, selulase, poligalakturonase, dan protease, yang menghidrolisis komponen polimer dinding sel tanaman inang (lihat Gambar 2), menghasilkan pembentukan molekul elicitor oligomer. . Menariknya, pektat lyase yang disekresikan oleh Erwinia chrysanthemi memperoleh aktivitas sebagai hasil pemrosesan ekstraseluler.

Beberapa lipid dan turunannya juga termasuk dalam elisitor, khususnya asam lemak tak jenuh ganda 20 karbon dari beberapa patogen - asam arakidonat dan asam eicosapentaenoic [Ilyinskaya et al., 1991; Ozerets-kovskaya dkk., 1993; Ozeretskovskaya, 1994; Gilyazetdinov dkk., 1995; Ilyinskaya dkk., 1996a, b; Ilyinskaya, Ozeretskovskaya, 1998], dan turunan oksigennya. Karya tinjauan [Ilyinskaya et al., 1991] merangkum data tentang efek elisitor lipid (lipoprotein) yang dihasilkan oleh jamur patogen pada tanaman. Ternyata bukan bagian protein dari lipoprotein yang mempunyai efek elisitor, melainkan bagian lipidnya, yaitu asam arakidonat (eicosatetraenoic) dan eicosopentaenoic, yang bukan merupakan ciri tumbuhan tingkat tinggi. Mereka menyebabkan pembentukan fitoaleksin, nekrosis jaringan dan resistensi sistemik tanaman terhadap berbagai patogen. Produk transformasi lipoksigenase dalam jaringan tanaman Asam lemak C 20 (hidroperoksi-, hidroksi-, okso-, turunan siklik, leukotrien), dibentuk dalam sel tanaman inang dengan bantuan kompleks enzim lipoksigenase (substratnya dapat berupa baik asam lemak poliena C, 8 atau dan C 20) memiliki pengaruh yang kuat terhadap respons perlindungan tanaman. Hal ini tampaknya disebabkan oleh fakta bahwa tidak ada oksigen pada tanaman yang tidak terinfeksi.
turunan asam lemak 20 karbon, dan kemunculannya sebagai akibat infeksi menyebabkan hasil yang dramatis, seperti pembentukan nekrosis di sekitar sel yang terinfeksi, yang menciptakan penghalang bagi penyebaran patogen ke seluruh tanaman.

Terdapat bukti bahwa induksi aktivitas lipoksigenase oleh patogen menyebabkan pembentukan respons tanaman bahkan ketika elisitor tidak mengandung asam lemak C20 dan substrat aktivitas lipoksigenase hanya dapat berupa asam lemak poliena C18 sendiri, dan produknya adalah octadecanoids, bukan eicosanoids. Syringolides [L et al., 1998] dan cerebrosides, senyawa sphingolipid, juga memiliki sifat elisitor. Cerebrosides A dan C yang diisolasi dari Magnaporthe grisea merupakan elisitor paling aktif pada tanaman padi. Produk degradasi serebrosida (metil ester asam lemak, basa sphingoid, basa glikosil-sphingoid) tidak menunjukkan aktivitas elisitor.

Salah satu penghalang tersebut adalah kutikula, yang terutama terdiri dari heteropolimer cutin yang tertanam dalam lilin. Lebih dari 20 monomer yang menyusun cutin telah ditemukan. Ini adalah asam lemak jenuh dan tak jenuh serta alkohol dengan berbagai panjang, termasuk asam dikarboksilat rantai panjang terhidroksilasi dan epoksidasi, dll. Dalam cutin, sebagian besar gugus alkohol primer berpartisipasi dalam pembentukan ikatan ester, serta beberapa gugus alkohol sekunder yang menyediakan ikatan silang antara rantai dan titik cabang dalam polimer. Bagian dari polimer “penghalang” lainnya, suberin, memiliki komposisi yang mirip dengan cutin. Perbedaan utamanya adalah asam lemak bebas merupakan komponen utama lilin suberik, sedangkan pada cutin jumlahnya sangat sedikit. Apalagi di Suberina

Terutama terdapat alkohol lemak C22 dan C24, sedangkan cutin mengandung C26 dan C28. Untuk mengatasi penghalang mekanis permukaan tanaman, banyak jamur patogen mengeluarkan enzim yang menghidrolisis kutin dan sebagian komponen suberin. Produk dari reaksi kutinase adalah berbagai asam lemak dan alkohol teroksigenasi, terutama asam 10,16-dihidroksi-Sk- dan 9,10,18-trihidroksi-C|8-, yang merupakan molekul sinyal yang menginduksi pembentukan dan pelepasan asam tambahan. sejumlah cutinase, “merusak” cutin dan memfasilitasi penetrasi jamur ke dalam tanaman. Ditemukan bahwa periode jeda munculnya mRNA cutinase pada jamur setelah permulaan pembentukan asam di- dan trihidroksi tersebut di atas hanya 15 menit, dan periode jeda untuk pelepasan cutinase tambahan adalah dua kali lipat. panjang. Kerusakan gen cutinase pada Fusarium solani sangat mengurangi virulensi jamur ini. Menghambat cutinase menggunakan bahan kimia atau antibodi mencegah infeksi tanaman. Asumsi bahwa produk degradasi cutin teroksigenasi dapat bertindak tidak hanya sebagai penginduksi pembentukan cutinase pada patogen, tetapi juga sebagai pemicu reaksi pertahanan pada tanaman inang [Tarchevsky, 1993] kemudian dikonfirmasi.

Setelah mikroorganisme patogen menembus kutikula, beberapa di antaranya berpindah ke ikatan pembuluh tanaman dan menggunakan nutrisi yang tersedia di sana untuk perkembangannya, sementara yang lain diangkut ke dalam sel hidup inang. Bagaimanapun, patogen menghadapi penghalang mekanis lain - dinding sel, yang terdiri dari berbagai polisakarida dan protein dan dalam banyak kasus diperkuat dengan polimer keras - lignin [Tarchevsky, Marchenko, 1987; Tarchevsky, Marchenko, 1991]. Seperti disebutkan di atas, untuk mengatasi hambatan ini dan memastikan perkembangannya dengan nutrisi karbohidrat dan nitrogen, patogen mengeluarkan enzim yang menghidrolisis polisakarida dan protein dinding sel.

Penelitian khusus menunjukkan bahwa selama interaksi bakteri dan jaringan tanaman inang, enzim

Degradasi tidak muncul secara bersamaan. Misalnya, pektilmetilesterase juga terdapat pada Erwinia carotovora subsp yang tidak diinokulasi. atroseptia pada jaringan umbi kentang, sedangkan aktivitas poligalakturanase, pektat lyase, selulase, protease dan xilanase muncul masing-masing 10, 14, 16, 19 dan 22 jam setelah inokulasi.

Oligosakarida xyloglucan dengan aksi antiauxin.

Struktur sejumlah oligosakarida yang aktif secara fisiologis telah diuraikan: heptaglukosida bercabang yang diperoleh dari dinding sel jamur patogen [Elbersheim, Darvill, 1985]; penta- dan heksamer N-asetil-glukosamin yang diperoleh dari hidrolisis kitin, serta glukosamin yang terbentuk dari hidrolisis kitosan; oligogalakturonida linier 9-13-mer terbentuk selama hidrolisis zat pektin; decagalacturonide dengan 4-5 residu terminal galakturonosil tak jenuh; oligogalakturonosida dengan derajat polimerisasi 2-6, menunjukkan aktivitas tertentu. Data telah dipublikasikan tentang xyloglucan aktif fisiologis yang diperoleh dari hemiselulosa dengan derajat polimerisasi 8-9, kitobiosa, kito-triosa dan kitotetrosa, fragmen xyloglucan bercabang dengan rumus Glu(4)-Xi(3)-Gal(1 atau 2 )-Fuc dan turunan O-asetilasi alaminya. Ditemukan bahwa p-glukosida bercabang memiliki aktivitas penginduksi fitoaleksin tertinggi. Modifikasi kimia oligosakarin ini atau perubahan pola percabangan menyebabkan penurunan sifat elisitor.

Studi tentang mekanisme kerja oligosakarida pada tanaman memungkinkan untuk menetapkan bahwa spektrum respons bergantung pada konsentrasi dan struktur zat yang diteliti. Berbagai pemilih oligosakarida menunjukkan aktivitas tertinggi pada konsentrasi yang berbeda. Misalnya, induksi sintesis senyawa pelindung (kitinase) pada kultur sel padi maksimal pada konsentrasi N-asetilkitoheksosa 1 μg/ml, sedangkan untuk mencapai efek yang sama pada kasus laminarin heksaosa (fragmen (3- 1,3-glukan) diperlukan konsentrasi 10 kali lebih tinggi.

Ditemukan bahwa tingkat ketahanan tanaman terhadap patogen ditentukan (bersama dengan faktor lainnya) oleh rasio berbagai polisakarida pada dinding sel tanaman. Hal ini dapat dinilai berdasarkan perbandingan Colletotrichum linde yang tahan dan rentan terhadap patogen.
garis kacang muthianum yang terkena endopolygalacturonase patogen. Fragmen oligomer pektin diisolasi; Ternyata pada varietas tahan, residu gula netral mendominasi, sedangkan pada varietas tidak stabil, residu galakturonat mendominasi.

Baru-baru ini, diperoleh hasil yang menunjukkan bahwa fragmen oligogalakturonat terbentuk pada tanaman tidak hanya di bawah pengaruh enzim patogen pendegradasi pektin, tetapi juga sebagai akibat dari ekspresi gen poligalakturonase dalam sel inang sebagai respons terhadap pemilih sistemin dan oligosakarida.

Regulasi multi arah dari respon protektif sel oleh produk degradasi polisakarida dinding sel menarik perhatian. Ternyata oligogalakturonida kecil dengan derajat polimerisasi 2-3 merupakan elisitor aktif, dan fragmen pektin rhamnogalakturonat dengan derajat polimerisasi tinggi merupakan penekan pembentukan protein hidroksiprolin dinding sel. Dengan kata lain, proses degradasi dinding sel yang disebabkan oleh patogen dapat mengatur (sebagai akibat dari rangkaian reaksi kompleks sistem sinyal sel) proses biosintetik yang meningkatkan stabilitas dinding sel akibat akumulasi protein hidroksiprolin dan pembentukan kovalen. ikatan di antara mereka.

Fragmen xyloglucan (tri- dan pentasakarida) yang mengandung fukosa memiliki sifat imunosupresif, tetapi ketika xilosa diganti dengan monosakarida lain, mereka mengubah aktivitas penekan menjadi aktivitas elisitor [Ilyinskaya et al., 1997]. Perampasan fukosa oligosakarida menghilangkan sifat penekan dan elisitornya. Dosis aktif yang rendah dan selektivitas yang tinggi dari penekan spesifik menunjukkan sifat reseptor dari tindakannya [Ozeretskovskaya, 2001].

Ada contoh lain dari patogen yang tidak hanya menghasilkan elisitor, tetapi juga penekan reaksi pertahanan tanaman. Jadi, pinodes Mycosphaerella pycnosgyurs mengeluarkan kedua jenis senyawa tersebut.

Perlu dicatat bahwa fragmen oligosakarida dari polisakarida dinding sel tumbuhan dan jamur berasal

Mereka digunakan sebagai elisitor non-spesifik ras yang menyebabkan respons perlindungan non-spesifik pada tanaman yang terinfeksi. Hal ini dapat dimengerti, karena selama degradasi polisakarida, berbagai macam oligosakarida terbentuk, di mana spesifisitas spesies patogen atau inang sangat lemah. Pada saat yang sama, faktor virulensi bakteri protein (atau peptida), yang dikenali oleh reseptor sel tumbuhan “mereka”, bersifat spesifik ras. Jenis interaksi yang terakhir disebut ping-pong genetik, atau interaksi gen-ke-gen, karena kekhususan pemilih atau reseptor ditentukan oleh gen yang menyandinya, dan ketahanan atau kerentanan tanaman terhadap patogen ditentukan oleh gen. kemampuan reseptor untuk mengenali elisitor.

Untuk mempelajari mekanisme respon sel tumbuhan terhadap aksi elisitor, sering digunakan bukan oligosakarida individu, melainkan campuran oligosakarida yang terbentuk selama hidrolisis polisakarida pada dinding sel jamur patogen. Pendekatan ini dibenarkan jika kita memperhitungkan bahwa bahkan pada saat-saat pertama infeksi patogen, sel tumbuhan dapat dipengaruhi bukan hanya oleh satu, tetapi oleh beberapa elisitor. Omong-omong, hanya ada sedikit karya yang ditujukan untuk mempelajari karakteristik tindakan beberapa elicitor secara bersamaan. Misalnya, telah terbukti bahwa elisitin parasiticein dan cryptogein, serta elisitor oligosakarida dari dinding sel, menyebabkan aktivasi cepat protein kinase tipe SIP 48 kDa SIP dan fenilalanin amonium lyase dalam tembakau. Pada saat yang sama, elicitinlah, dan bukan oligosakarida, yang mengaktifkan protein kinase 40 kDa. Glukan dan Ca 2+ meningkatkan efek arakidonat dan eicosapen-taenoate. Fakta bahwa EGTA (ligan Ca 2+ spesifik) menghambat sintesis fitoaleksin menunjukkan bahwa ion kalsium memainkan peran penting dalam regulasi fungsi pelindung tanaman. Ada kemungkinan bahwa zat pemberi sinyal juga merupakan produk degradasi protein dinding sel yang kaya akan residu hidroksiprolin dan mengandung cabang oligoglikosil.

PENERIMA PEMILIH

Telah disebutkan dalam pendahuluan bahwa reseptor untuk sinyal elisitor dapat ditemukan di membran sel, di sitosol, dan di dalam nukleus, namun kami terutama tertarik pada kasus pertama, yang paling umum, ketika elisitor itu sendiri tidak menembus sel. sel, tetapi berinteraksi dengan bagian ekstraseluler dari reseptor protein membran plasma, yang merupakan mata rantai pertama dalam rantai peristiwa sinyal kompleks yang berpuncak pada respons sel terhadap perubahan kondisi kehidupan. Jumlah antena molekuler dari satu jenis reseptor membran plasma sel ternyata bisa mencapai beberapa ribu. Jumlah jenis antena molekuler masih belum diketahui, namun dapat dikatakan bahwa antena tersebut memiliki sifat struktural dasar yang seragam. Mereka memiliki tiga domain utama: domain terminal-N variabel eksternal (akseptor dalam kaitannya dengan pemilih), domain transmembran dengan peningkatan kandungan leusin asam amino hidrofobik, dan domain terminal-C variabel sitoplasma, yang strukturnya menentukan transmisi impuls sinyal ke sistem sinyal tertentu. Suatu reseptor mungkin spesifik hanya untuk satu jenis elisitor atau untuk sekelompok elisitor yang terkait (misalnya, oligomer). Beberapa jenis protein reseptor membran sel pada hewan telah dijelaskan: pada beberapa reseptor, rantai transmembran protein melintasi membran hanya sekali, pada reseptor lain (ular) - tujuh kali, pada reseptor lain, interaksi dengan ligan elicitor mengarah ke pembentukan homo- atau heterodimer (oligomer), yang merupakan konverter utama sinyal eksternal. Struktur protein reseptor plasmalemma tumbuhan telah dipelajari pada tingkat yang lebih rendah, tetapi prinsip konstruksinya sama.

ATP

ATP

Beras. 4. Skema struktur sistem sinyal reseptor dua komponen

A - reseptor sederhana; B - reseptor multi-link. 1 - domain "masukan"; 2 - domain histidin autokinase; 3 - domain reseptif pengatur respons; 4 - domain "keluaran" dari pengatur respons; 5 - domain transfer fosfat yang mengandung histidin; A - residu asam aspartat; G - residu histidin; P adalah residu ortofosfat yang ditransfer selama reaksi kinase. Sinyal eksternal ditunjukkan dengan simbol petir

Sama seperti pada sel hewan. Struktur reseptor dua komponen, yang memiliki sifat protein kinase, menarik perhatian khusus (Gbr. 4). Ini pertama kali ditemukan pada organisme prokariotik, dan kemudian, dalam bentuk modifikasi, pada organisme eukariotik, termasuk tumbuhan, seperti Arabidopsis. Jika dalam kasus pertama dua komponen - reseptor itu sendiri dan eksekutif - adalah molekul protein yang independen, meskipun berinteraksi, maka dalam kasus kedua mereka adalah dua domain dari protein yang sama.

Konfirmasi peran interaksi elisitor-reseptor dalam transmisi dan transduksi sinyal dari patogen ke dalam genom adalah pembentukan korelasi positif antara kemampuan elisitor untuk berikatan non-kovalen dengan reseptor dan menyebabkan respons sel protektif, seperti akumulasi fitoaleksin. Pengikatan pada reseptor protein membran plasma bagian luar merupakan ciri oligosakarida elisitor dinding sel tumbuhan, fragmen oligokitin dinding sel jamur, protein elisitor dan peptida, syringolida, fitohormon stres sistemin, etilen, asam absisat, metil jasmonat, dan brassinosteroid. Dalam kasus terakhir, terdapat perbedaan mendasar dari sel hewan, di mana reseptor hormon steroid terletak di dalam nukleus.

Sejumlah reseptor elisitor protein membran telah diisolasi. Untuk melakukan ini, setelah reseptor mengikat elisitor berlabel, membran dilepaskan dari sel, dihancurkan, dan protein dengan elisitor yang tertahan diidentifikasi berdasarkan radioaktivitasnya. Misalnya, telah ditemukan bahwa reseptor untuk sistemin adalah protein 160 kDa, flagelin elisitor bakteri adalah protein membran 115 kDa, dan glikoprotein dari dinding sel penyakit busuk daun, yang memiliki sinyal fragmen oligopeptida 13 amino. residu asam -91 kDa atau 100 kDa.

Konsep interaksi molekuler gen-ke-gen antara patogen dan tanaman sering kali melibatkan pengenalan tidak langsung (dimediasi oleh sistem sinyal) terhadap gen avirulensi patogen (gen avr) oleh gen resistensi yang sesuai (gen R) pada sel tanaman.

Basis molekuler dari interaksi “gen-ke-gen” antara patogen dan tanaman adalah model elisitor-reseptor. Protein reseptor telah diisolasi dan dimurnikan, dan gen yang mengkode protein ini telah diklon. Ada sejumlah ulasan yang ditujukan pada struktur protein reseptor

Ternyata banyak dari mereka memiliki pengulangan kaya leusin yang sama (dari 12 hingga 21), yang diperlukan untuk interaksi protein-protein. Pengulangan ini memediasi pengikatan protein reseptor R ke pemilih. Studi terhadap mutan dengan gangguan resistensi terhadap bakteri patogen yang disebabkan oleh penggantian glutamat dengan lisin di salah satu pengulangan leusin menegaskan bahwa interaksi protein-protein merupakan hubungan penting dalam transformasi dan transmisi sinyal elisitor ke dalam genom sel.

Saat ini, beberapa model struktur reseptor dan metode transmisi sinyal elisitor dari luar ke dalam sel tumbuhan telah diterima. Sebuah keluarga yang terdiri dari 35 reseptor ular telah ditemukan di Arabidopsis. Reseptor menerima molekul sinyal di situs N-terminal di sisi luar membran, dan mentransmisikan impuls sinyal ke sitoplasma melalui situs C internal. Pengikatan molekul sinyal menyebabkan perubahan konformasi seluruh molekul reseptor, yang menyebabkan aktivasi molekul protein terkait di sitoplasma yang mentransduksi sinyal.

Salah satu mekanisme penting yang digunakan dalam sistem pensinyalan sel adalah dimerisasi (oligomerisasi) beberapa protein perantara dalam sistem ini. Contohnya termasuk dimerisasi reseptor setelah pengikatan ligan padanya, dimerisasi beberapa perantara sistem sinyal, dan dimerisasi faktor pengatur transkripsi. Baik homo- maupun heterodimerisasi (oligomerisasi) diamati. Pada hewan, mekanisme dimerisasi reseptor tirosin kinase pada membran sel merupakan karakteristik, misalnya untuk transduksi hormon polipeptida (faktor pertumbuhan plasenta, dll). Reseptor serin/treonin kinase berfungsi dengan cara yang sama. Sedikit yang diketahui tentang bentuk reseptor apa - monomer, homodimerik, atau heterodimerik - yang terlibat dalam transformasi sinyal elisitor dalam sel tumbuhan. Skema heterodimer kembali
reseptor, yang diaktifkan oleh ligan, yang mengarah pada fosforilasi domain sitosol kinase dan aktivasi protein terkait, beberapa di antaranya mengirimkan impuls sinyal ke perantara sistem pensinyalan berikut. Salah satu protein terkait adalah protein fosfatase, yang menonaktifkan domain kinase.

Dalam sel hewan, reseptor tirosin kinase terdiri dari tiga domain - ekstraseluler, transmembran, dan sitosol. Struktur spesifik domain pertama dan ketiga (misalnya, terdiri dari fakta bahwa keduanya tidak mampu melakukan fosforilasi) menentukan, di satu sisi, hormon mana yang berinteraksi dengan reseptor dan, di sisi lain, sistem sinyal mana yang berinteraksi. “dinyalakan” oleh hormon ini. Interaksi domain eksternal dengan ligan pemberi sinyal menyebabkan autofosforilasi residu tirosin domain ini, yang meningkatkan aktivitas kinase-nya. Biasanya, protein kinase mengandung banyak situs fosforilasi. Hal ini juga berlaku untuk protein reseptor kinase. Domain sitoplasma bentuk monomer reseptor faktor pertumbuhan pada sel hewan mengandung setidaknya sembilan residu tirosin yang dapat diautofosforilasi. Salah satunya, Tyr 857, penting untuk manifestasi aktivitas kinase, dan delapan lainnya menentukan kekhususan hubungan dengan molekul yang mengubah sinyal. Ada alasan untuk percaya bahwa prinsip fungsi reseptor yang sama juga digunakan dalam sel tumbuhan, namun, protein kinase reseptor serin-treonin terutama ditemukan di dalamnya, yang terlibat dalam reaksi pertahanan tanaman yang diinduksi patogen.

Saat ini, 18 protein kinase serin-treonin mirip reseptor Arabidopsis dibagi menjadi empat kelompok tergantung pada struktur domain ekstraselulernya:

1. Protein kinase dengan domain yang diperkaya dengan pengulangan leusin, biasanya merupakan karakteristik fragmen yang terlibat dalam interaksi protein-protein. Pada hewan, reseptor tersebut mengikat molekul pemberi sinyal polipeptida (atau peptida). Diasumsikan bahwa kelompok ini mencakup reseptor brassinolide yang diperkaya

Myleucine berulang di wilayah supramembran terminal-N. Pada tomat, gen untuk protein serupa diisolasi, tetapi tanpa domain sitosol kinase.

2. Protein kinase dengan domain S yang mengandung
banyak residu sistein.

Protein kinase dengan domain kaya leusin
pengulangan, tetapi, tidak seperti kelompok pertama, itu terkait
dengan lektin. Hal ini menciptakan kemungkinan penerimaan oleh mereka
protein kinase dari pemilih oligosakarida.
Protein kinase terkait dinding sel.

Kelompok ini tidak termasuk beberapa protein kinase, khususnya protein kinase yang memiliki domain ekstraseluler yang berikatan dengan protein yang terakumulasi di ruang antar sel ketika tanaman terinfeksi berbagai patogen. Seperti telah disebutkan, banyak reseptor kinase dapat berinteraksi dengan protein lain, dan ini memberikan lebih banyak variasi sinyal kimia terkait dan pengaturan proses ini. Mungkin protein kinase yang disebutkan adalah salah satu protein reseptor yang bertanggung jawab untuk reaksi pertahanan tanaman.

Salah satu jenis reseptor membran yang kuno, konservatif, dan tersebar luas adalah histidin kinase autofosforilasi transmembran, yang dapat diaktifkan oleh berbagai molekul pemberi sinyal elisitor. Pengikatan elisitor oleh daerah terminal-N eksternal reseptor, yang menonjol di atas lapisan lipid plasmalemma, menyebabkan perubahan konformasi dan autofosforilasi residu histidin (lihat Gambar 4). Kemudian residu asam fosfat dipindahkan ke residu aspartat di daerah internal (sitoplasma) protein, yang juga menyebabkan perubahan konformasi dan, sebagai akibatnya, aktivasi enzim yang terkait dengan reseptor (secara langsung atau melalui perantara - paling sering G-protein). Aktivasi enzim adalah mata rantai terpenting dalam sistem pensinyalan, yang tujuannya adalah transmisi dan penggandaan sinyal elisitor, yang berpuncak pada ekspresi gen pelindung dan munculnya protein yang

Respons sel dan tumbuhan secara keseluruhan terhadap infeksi dan pengaruh elisitor ditentukan. Spesifisitas reseptor untuk elisitor ditentukan oleh variabel N-terminus luar protein, dan spesifisitas enzim ditentukan oleh terminal C internalnya. Jenis reseptor ini telah terbukti berinteraksi dengan stres fitohormon etilen IBleecker et al., 1998; Hua dan Meyerowitz, 1998; Teologis, 1998; Woeste dan Kieber, 1998; Alonso dkk., 1999; Chang, Shockey, 1999; A.E. Hall dkk., 1999; Hirayama dkk., 1999; Cosgrove dkk., 2000; Savaldi-Goldstein, Fluhr, 2000; dll.], yang menimbulkan reaksi perlindungan sel tumbuhan. Kloning dan penentuan struktur utama gen reseptor histidin di Arabidopsis mengungkapkan bahwa domain membran terminal-N mirip dengan transporter ion logam.

Saat ini, protein reseptor transmembran telah dijelaskan, ujung N yang berinteraksi dengan dinding sel, dan ujung C terletak di sitoplasma dan memiliki sifat protein kinase serin-treonin. Menurut penulis, protein reseptor ini melakukan fungsi sinyal, memberikan kontak sinyal antara dinding sel dan isi internal sel.

Karena interaksi molekul sinyal dan reseptor terjadi tanpa pembentukan ikatan kovalen di antara keduanya, kemungkinan pemisahannya tidak dapat dikesampingkan. Di sisi lain, asosiasi kedua jenis molekul ini bisa sangat kuat, dan perubahan konformasi protein reseptor menciptakan prasyarat untuk memfasilitasi serangan oleh protease yang mengenali protein dengan struktur yang terganggu dan menghancurkan molekul-molekul ini. . Dalam hal ini, kemampuan sel untuk memulihkan jumlah reseptor dengan cepat sangatlah penting. berbagai jenis. Yang perlu diperhatikan adalah eksperimen yang ditujukan untuk mempelajari pengaruh inhibitor sintesis protein pada intensitas pengikatan elisitor oleh protein reseptor plasmalemma. Ternyata pengobatan sel dengan sikloheksimid, suatu penghambat sintesis protein dengan partisipasi ribosom sitoplasma, menyebabkan penurunan yang cukup cepat pada tingkat pengikatan sistemin ke sel, yang menunjukkan bahwa

Tingkat turnover protein reseptor yang tinggi adalah 160 kDa. Terdapat data mengenai sintesis reseptor yang diinduksi elisitor yang terletak di plasmalemma, namun sejauh yang diketahui, saat ini masih belum ada informasi mengenai derajat spesifisitas protein reseptor tersebut. sintesis protein reseptor tertentu tergantung pada jenis elisitor.

Tarchevsky I.A. Sistem sinyal sel tumbuhan - file n1.doc

n1.doc