Оидиум, известный также как мучнистая роса и пепелица, остается одной из самых опасных грибных угроз для виноградников по всему миру. Возбудитель этой болезни — сумчатый гриб Erysiphe necator (ранее известный как Uncinula necator, а в своей бесполой стадии — как оидий Такера) — покрывает листья и ягоды характерным мучнистым налетом, полностью уничтожая урожай. Долгое время оставалось загадкой, как именно микроскопические споры (конидии) паразита, попадая на куст, безошибочно «понимают», что они очутились на винограде, и начинают свою атаку. Ученые провели исследование, которое раскрыло молекулярные механизмы этой скрытой охоты.
Объектом исследования команды ученых из Китая стал кутикулярный воск — тончайший защитный слой на поверхности листьев винограда, который предохраняет растение от испарения влаги и ультрафиолета. Ученые решили сравнить структуру и состав этой восковой брони у двух принципиально разных групп. С одной стороны выступили четыре популярных культурных сорта европейского винограда (Vitis vinifera), которые легко заражаются оидиумом. С другой — три образца дикого китайского винограда (Vitis), обладающих мощным врожденным иммунитетом к пепелице.
Изучение листьев под сканирующим электронным микроскопом выявило разницу. У культурного европейского винограда воска на листьях оказалось немного, и кристаллизовался он в виде хрупких тонких пластинок. Дикий же виноград был закован в плотный восковой панцирь, состоящий из массивных зернистых и блочных кристаллов. Газовая хроматография-масс-спектрометрия подтвердила: химический состав воска у сортов кардинально отличается. На культурных листьях преобладали первичные спирты, в то время как защита дикарей была насыщена альдегидами и алканами.
Парадокс прорастания спор
Логично было предположить, что воск дикого винограда содержит токсичные для гриба вещества, которые просто блокируют нападение. Чтобы проверить это, ученые провели серию экспериментов «в пробирке» (in vitro) с агрессивным штаммом возбудителя оидиума. Они выделили экстракты воска со всех семи разновидностей винограда и обработали ими споры.
Результат оказался неожиданным: восковой налет абсолютно всех образцов, включая дикие и устойчивые, одинаково эффективно стимулировал прорастание спор. Это доказало, что природная устойчивость китайского винограда работает на каком-то другом, более глубоком этапе, а сама восковая оболочка никак не мешает грибу начать прорастание.
Стеариновая кислота как сигнал к атаке
Чтобы понять, какой именно элемент воска заставляет оидиум «просыпаться», биологи протестировали его отдельные химические компоненты (мономеры). Оказалось, что разные вещества действуют на гриб противоположно. Так, соединение н-триаконтан при высоких концентрациях угнетало развитие спор. А вот н-дотриаконтанол и обычная стеариновая кислота сработали как мощные стимуляторы.
Стеариновая кислота входит в состав воска абсолютно любого винограда, независимо от его сорта и происхождения. Растение вырабатывает ее для защиты от засухи и не может от нее отказаться. Однако оидиум в процессе эволюции превратил эту эволюционную необходимость винограда в маркер для своей охоты. Наличие стеариновой кислоты на листе служит для спор консервативным химическим сигналом: «Пароль верный, под нами виноград, пора атаковать».
Это открытие меняет понимание растительного иммунитета. Дикий виноград выигрывает войну с оидиумом не потому, что прячет от него стеариновую кислоту. Его защита активизируется два этапа: физический барьер и молекулярный ответа, который ученые называют индуцированным иммунитетом.
В отличие от нежных европейских сортов, у которых воск на листьях лежит тонкими пластинками, дикий виноград защитил свои листьямассивными зернистыми и блочными кристаллами воска. Проросшая спора оидиума пытается нащупать устьице или пробить эпидермис листа специальным проростком (аппрессорием). Однако она буквально увязает в этом сложном микроскопическом рельефе. Физическая плотность воскового слоя настолько высока, что гриб тратит колоссальное количество энергии просто на попытку пробиться к живым клеткам.
Если паразиту все же удается проткнуть клеточную стенку, включаются генетические механизмы защиты, которые у диких видов работают отлично. Наступает программируемая клеточная смерть: клетка дикого винограда, в которую попытался проникнуть гриб, совершает «самоубийство». Оидиум — это биотрофный паразит, он может питаться только живой тканью. Локальный некроз клеток лишает гриб источника питания, и инфекция застревает в мертвой зоне, не имея возможности распространяться дальше по листу.
В месте контакта дикий виноград начинает экстренно вырабатывать активные формы кислорода, в частности пероксид водорода. Эта агрессивная химия выжигает структуру проникшего мицелия гриба.
Также дикий виноград активизирует выработку ферментов (фенилаланинаммиак-лиазы, пероксидазы, полифенолоксидазы) и специальных защитных белков (PR-белков). Одни из них (например, хитиназы) начинают растворять клеточную оболочку самого гриба, состоящую из хитина, а другие укрепляют стенки соседних, еще здоровых клеток растения, делая их непробиваемыми. В ответ на атаку у диких видов активируются гены, отвечающие за синтез жасмоновой и салициловой кислот. Это гормоны растительной тревоги. Они разносят сигнал об опасности по всему кусту, переводя еще не тронутые листья в режим полной боевой готовности.
Культурный европейский виноград в процессе многовековой селекции ради вкуса и размеров ягод растерял многие регуляторные гены. Он по-прежнему «приглашает» оидиум стеариновой кислотой, но когда гриб прорастает, европейские сорта не могут ни запереть его в восковом лабиринте, ни включить молекулярный иммунный ответ, из-за чего оидиум беспрепятственно пожирает куст.