Изменение вторичного метаболизма в онтогенезе растений. Функции вторичных метаболитов

Синтез и накопление вторичных метаболитов зависит от стадии развития растения. В то же время общих закономерностей изменений вторичного мета­болизма в онтогенезе, по-видимому, не существует. Разворачивание вторично­го метаболизма во времени зависит от вида растения, типа вторичного метабо­лита и его физиологической роли и — очень сильно — от внешних воздействий. Например, максимальный уровень накопления многих изопренидов (эфирных масел, стероидных гликозидов) часто приходится на период бутонизации и цветения. Синтез алкалоидов закономерно разворачивается в процессе онтоге­неза. Например, в семенах и всходах мака алкалоидов нет. Через две недели появляется наркотин, а когда проростки достигают в длину 5 —7 см — кодеин, морфин, папаверин, сангвинарин. К моменту цветения к ним прибавляются тебаин и нарцеин. В млечном соке коробочек мака присутствует уже до 25 алка­лоидов. В чистотеле на третьи сутки после прорастания появляется аллокрипто-пин, на четвертые — протопин, причем его сразу больше, чем аллокриптопипин. Хинолизидиновые алкалоиды в период от прорастания до цветения посте­пенно накапливаются во всех органах растения, но к моменту созревания пло­дов появляются в них, исчезая из всех других органов. Приведенные примеры и целый ряд других фактов показывают, что процесс вторичного метаболиз­ма — четко работающая система, отслеживающая как внутренние факторы (этапы онтогенеза растения), так и внешние воздействия.

В процессе изучения вторичных метаболитов было выдвинуто несколько гипотез о функциональной значимости этих соединений. Однако поразитель­ное разнообразие вторичных метаболитов и практически полное отсутствие корректных подходов к доказательству выдвигаемых гипотез оставляют этот вопрос предметом острых дискуссий до настоящего времени.

Первой появилась гипотеза об отсутствии какой-либо роли вторичных ме­таболитов в жизни растений. Она существовала со времен А. Косселя, кото­рый, собственно, и определил вторичные метаболиты как «нечаянно» синте­зируемые растительной клеткой. Исходя из этой гипотезы, вторичные метабо­литы считаются «отбросами» жизнедеятельности растений, «тупиками метабо­лизма», возможно, продуктами детоксикации ядовитых первичных метаболи­тов (например, свободных аминокислот). В настоящее время подобный взгляд на роль вторичных метаболитов не пользуется успехом и подвергается критике. Основные аргументы «против» — слишком большое количество вторичных метаболитов (растение «могло бы придумать» более рациональные способы утилизации отходов). Кроме того, процесс вторичного метаболизма слишком хорошо организован во времени и пространстве, чтобы быть «случайным».

Вторая гипотеза утверждала запасающую роль вторичных метаболитов. В ряде случаев концентрация вторичных метаболитов в органах может достигать зна­чительного уровня. Показано, что многие из них действительно утилизируются клеткой: при определенных условиях алкалоиды могут служить источником азота, фенольные соединения — субстратами дыхания. По всей видимости, ряд вторичных метаболитов выполняет эту функцию, однако в большинстве случаев после образования они не реутилизируются, а накапливаются в клет­ках или специальных структурах, либо экскретируются.

Довольно своеобразной стала гипотеза относительно «первичности» всех вторичных метаболитов. Согласно этому представлению мы просто еще не зна­ем, в каких важных процессах они участвуют. Исходной точкой для такой идеи было открытие шикиматного пути синтеза ароматических соединений. С его открытием много «типично вторичных» соединений — например, хинная, дегидрохинная, шикимовая кислоты — автоматически перешли в разряд пер­вичных. Очевидно, что если эта гипотеза и справедлива, то лишь для очень немногих веществ, так как основной признак вторичных метаболитов — не обязательное присутствие в каждой растительной клетке — справедлив для большинства соединений.

Наибольшее признание в настоящее время получила гипотеза о защитной роли вторичных соединений. Систему защиты растения от биотических стрессов образно можно представить в виде «кругов обороны» и, в зависимости от опас­ности патогена, растение последовательно использует соответствующие «круги». Все защитные соединения можно разделить на три группы — конститутивные, полуиндуцибельные и индуцибельные. Конститутивные соединения постоянно присутствуют в тканях и органах растения и относятся к «первому кругу» оборо­ны. Они, как правило, обладают широким спектром активности (антимикроб­ной, фунгицидной, инсектицидной), но уровень активности невысок. Эти со­единения не могут накапливаться в больших количествах прежде всего из-за своей токсичности и часто локализуются в мертвых тканях (например, корке).

Полуиндуцибельные соединения находятся в тканях в виде неактивного предшественника и после соответствующего сигнала или воздействия быстро превращаются в активные вещества. Эти соединения часто работают на «вто­ром круге» обороны, образующиеся соединения, как правило, более токсич­ны, чем конститутивные. Поскольку предшественник нетоксичен, его кон­центрация в тканях может быть достаточно высокой. Система получения ак­тивного соединения, как правило, основана на компартментации процесса. Неактивный предшественник обычно располагается в вакуоли клетки или периплазматическом пространстве, тогда как фермент, осуществляющий его пе­ревод в активную форму, — в цитозоле. Возможна компартментация на уровне ткани. В этом случае предшественник может находиться в идиобластах, а фер­менты его активации — в соседних клетках. При нарушении целостности клет­ки или ткани (за счет прямого повреждения «агрессором» либо в процессе патогенеза) субстрат становится доступным для фермента и быстро образуется токсичное соединение.

Наконец, индуцибельные соединения обычно участвуют в работе «третьего круга» обороны. Они характеризуются очень высокой токсичностью и формируются de novo в результате разворачивания процесса патогенеза. Их образова­ние обычно запускается в результате работы сигнальных систем клетки, кото­рые включают гены ферментов их синтеза. Многие вторичные метаболиты яв­ляются важнейшими участниками каждого из «кругов обороны» растения.

Среди вторичных метаболитов практически любого класса можно обнару­жить конститутивные защитные соединения. Например, монотерпены камфен и мирцен представляют собой инсектициды, ментол и α-пинен — реппеленты. Многие дитерпеноиды, входящие в состав смол, обладают бактерицидной и фунгицидной активностью. Карденолиды и многие алкалоиды — мощные яды для травоядных животных. Экдистериоды относятся к инсектицидам. Гликоал-калоиды пасленовых обладают широким спектром активности. Основная про­блема для накопления ощутимых количеств ядовитых веществ — их токсич­ность для самого растения. Небелковые аминокислоты в этом аспекте — почти идеальные конститутивные защитные соединения («почти» — поскольку белок-синтезирующая система некоторых насекомых «научилась» различать белко­вые аминокислоты от их небелковых аналогов). Следовательно, для них расте­ния, содержащие соответствующие небелковые аминокислоты, перестают быть ядовитыми. Более того, такие насекомые эффективно используют эти амино­кислоты против своих врагов, поэтому питаются только такими растениями. Избежать токсичности конститутивных защитных соединений можно, напри­мер, если «хранить» их в специальных структурах либо выделять на поверх­ность растения или в окружающую среду. Видимо этим объясняется высокая концентрация вторичных соединений в идиобластах, смоляных ходах, масля­ных и камедиевых каналах, млечниках. Предельный случай — выделение лету­чих соединений, что характерно для эфирных масел. Большинство их компо­нентов обладает антимикробными, фунгицидными или реппелентными свой­ствами. Подобная стратегия позволяет создавать «защитный ореол» вокруг рас­тения (эффективнее — вокруг группы близкорастущих растений, как в хвой­ном лесу) и «обезвреживать» патогены на «дальних подступах». Однако такой подход требует больших энергетических и конструктивных затрат.

Достаточно часто вторичные метаболиты выступают в роли полуиндуцибельных соединений. В этой системе часто используются характерные модифи­кации молекул вторичных метаболитов, связанные с изменением их биологи­ческой активности. Обычно неактивными предшественниками являются глико-зилированные формы соединений. К полуиндуцибельным защитным веществам относятся, например, цианогенные гликозиды, глюкозинолаты, гликозиды о-коричных кислот. Для них характерно присутствие гликозида в вакуоле, а гид-ролизующего фермента — в цитоплазме или клеточной стенке. После наруше­ния целостности тонопласта происходит гидролиз и быстро образуется токсич­ное или активное соединение — синильная кислота, нитрил или кумарин.

В растениях встречается целая система конститутивных и полуиндуцибельных защитных соединений. Например, спиростаноловые стероидные гликози­ды действуют как конститутивные защитные вещества; они нерастворимы в воде и обладают фунгицидной, антимикробной активностью, а также цитотоксическими свойствами. Фуростаноловые гликозиды растворимы в воде и не токсичны. Перевод фуростаноловых гликозидов в спиростаноловые осуществ­ляется одностадийной реакцией — отщеплением глюкозного фрагмента при С₂₆ с участием специфичной β-гликозидазы. Стероидные гликозиды синтезируются в листьях растения в фуростаноловой форме. Затем они транспортиру­ются по всему растению и накапливаются в идиобластах эпидермиса листьев и стеблей. Основная масса гликозидов транспортируется в корневище, где гликозидаза переводит их в спиростаноловую (активную) форму. В надземных орга­нах фуростаноловые гликозиды находятся в идиобластах, а специфичная гликозидаза располагается поблизости (обычно в мезофилле листа). При повреж­дении ткани очень быстро образуются спиростаноловые гликозиды. Этот при­мер иллюстрирует принцип пространственной дифференциации защитных механизмов: в корневище (органе вегетативного размножения) в большом количестве присутствует активная форма соединения, тогда как в надземных, активно работающих органах эффективнее оказывается стратегия с использо­ванием полуиндуцибельных защитных соединений.

Вторичные метаболиты, участвующие в работе третьего «круга обороны», где происходит индукция синтеза мощных защитных веществ, носят название фитоалексинов. Их образование — важнейшая стадия реакции сверхчувстви­тельности. Фитоалексины никогда не присутствуют в здоровом растении, и их синтез начинается только в ответ на инфекцию. Развивающиеся события мож­но представить следующим образом.

Любой организм, в том числе патоген, выделяет множество экзометаболитов — продуктов нормальной жизнедеятельности. На ряд экзометаболитов па­тогена (например, патогенного гриба) у растений в процессе коэволюции выработались специальные рецепторы. Такие экзометаболиты патогена полу­чили название элиситоров. Они могут иметь разную химическую природу, но обязательно должны быть специфичными для данного патогена. К элиситорам относятся фрагменты клеточной стенки гриба, ферменты, выделяемые им для разрушения растительной клеточной стенки или кутикулы. Связывание элиси­торов с соответствующими рецепторами запускает ряд сигнальных систем ра­стительной клетки — прежде всего пероксидазную, NO-оксидазную и липоксигеназную. Их работа приводит к парадоксальному на первый взгляд эффекту — гибели клетки. Эта реакция получила название реакции сверхчувствительности (так как клетки погибают не от прямого воздействия патогена, а только при получении информации о его приближении). В результате гибели клеток разру­шаются полимеры клеточных стенок, ряд образовавшихся фрагментов оказы­ваются олигосахаринами, т.е. сигнальными молекулами. В частности, олигосахаринами являются фрагменты ксилоглюканов, содержащие 7 — 9 углеводных остатков, из которых один обязательно должен быть фукозой. Клетки, распо­ложенные рядом с погибшими, имеют рецепторы к олигосахаринам. После связывания олигосахаринов с рецепторами в этих клетках также включаются сигнальные системы. Благодаря им активируются гены, отвечающие за синтез фитоалексинов. Однако фитоалексины в силу своей чрезвычайной токсичнос­ти не накапливаются в живых клетках, а сразу транспортируются в мертвые клетки очага сверхчувстительности. Таким образом, к «приходу» патогена в мертвых клетках должны накопиться высокие концентрации сильных ядов. Если растение успевает это сделать, гриб погибает. Таким образом, стратегия реак­ции сверхчувствительности — гибель части во имя целого — оказывается впол­не целесообразной.

Фитоалексинами могут быть соединения различных классов вторичных ме­таболитов. К сесквитерпеноидным фитоалексинам относятся ришитин и любимин (пасленовые, в частности картофель), гемигоссипол (мальвовые), ипо-меамарон (вьюнковые), к дитерпеноидным фитоалексинам — касбен (клеще­вина). Довольно часто фитоалексины представлены фенольными соединения­ми, такими как стильбены, изофлавоноиды. Последние почти исключительно используются в семействе Бобовые. Фитоалексинами являются ацетиленовые производные сложноцветных сафинол и виероновая кислота.

Таким образом, многие вторичные метаболиты выполняют функции кон­ститутивных, полуиндуцибельных или индуцибельных защитных соединений, и хотя они представляют только часть сложной системы защиты растений, но эта часть довольно важная.

Роль вторичных метаболитов в жизни растения далеко не исчерпывается защитными функциями. Хорошо известно, что многие из них активно участву­ют в размножении растений. Флавоноиды, прежде всего антоцианы, беталай­ны, каротиноиды, обеспечивают окраску цветков и плодов, привлекающую опылителей цветков и распространителей семян. Метилбензоат (метилирован­ная бензойная кислота) — аттрактант для насекомых. Ряд вторичных метабо­литов растения могут использовать в качестве «нападающих факторов». Напри­мер, находящиеся среди экзометаболитов корней бархатцев тиофены останав­ливают прорастание семян конкурирующих видов. Юглон, который образуется в опавших листьях грецкого ореха за счет гликозидаз почвенных микробов, достаточно токсичен. Он подавляет развитие патогенной микрофлоры почвы и прорастание семян других видов. Ряд флавоноидов используются бобовыми растениями как сигналы при формировании ризобиального симбиоза и арбускулярной микоризы.

В целом можно сказать, что основная функция вторичных метаболитов в растениях — экологическая в широком смысле. Это те биохимические «рычаги», которыми прикрепленный организм — растение — решает множество эколо­гических проблем на протяжении всей своей жизни.