doi: 10.15389/agrobiology.2017.1.3rus
УДК 632.938.2:57.023:57.21:57.087.1
Работа О.А. Кулаевой финансово поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грант № 16-34-60132), работа М.С. Клюковой финансово поддержана грантом Президента РФ по поддержке ведущих научных школ (НШ-6759.2016.4), работа И.А. Тихоновича поддержана Российским научным фондом (грант № 14-24-00135), работа В.А. Жукова финансово поддержана Российским научным фондом (грант № 16-16-00118).
ДЕФЕНЗИНЫ РАСТЕНИЙ: БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ, МЕХАНИЗМЫ
ДЕЙСТВИЯ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА (обзор)
О.А. КУЛАЕВА1, М.С. КЛЮКОВА1, М.Н. ПОВЫДЫШ2,
И.А. ТИХОНОВИЧ1, 3,
В.А. ЖУКОВ1
Одной из актуальных проблем современного сельского хозяйства остается потеря урожая вследствие различных биотических и абиотических факторов. У растений существует многокомпонентная система защиты, включающая создание защитных барьеров, активацию реакции гиперчувствительности и синтез антимикробных пептидов, которые представляют собой низкомолекулярные соединения, проявляющие широкий спектр активности против грибов, бактерий и вирусов. К антимикробным пептидам растений относятся несколько групп соединений, в том числе дефензины — богатые цистеином пептиды, состоящие из 45-54 аминокислот. По-видимому, это один из наиболее распространенных классов антимикробных пептидов, которые участвуют в различных защитных реакциях и обнаруживаются у всех живых существ (B.P. Thomma с соавт., 2002). Гены растительных дефензинов экспрессируются в разных органах растений, где их белковые продукты необходимы при биотическом и абиотическом стрессах, то есть эти пептиды крайне важны с точки зрения селекции сортов, устойчивых к патогенам и абиотическим стрессам. Дефензины характеризуются сильной вариабельностью последовательностей, что, вероятно, коррелирует с разнообразием механизмов действия этих пептидов, способных как проникать внутрь клетки патогена, так и индуцировать гибель клетки, оставаясь на ее поверхности (T.M. Shafee с соавт., 2016). Большинство растительных дефензинов обладают антифунгальной, некоторые — антибактериальной активностью, которая может сочетаться с антимикотическими свойствами. Для небольшого числа дефензинов показано участие в обеспечении устойчивости к тяжелым металлам, холодовому стрессу, засухе, засолению и в процессах онтогенеза. Современные методические подходы позволяют проводить эффективный поиск новых форм активности дефензинов, исследуя дикорастущие немодельные растительные объекты. Интенсивное изучение их транскриптомов стало возможным с развитием секвенирования следующего поколения (Next Generation Sequencing). Для корректного аннотирования последовательностей высоковариабельных пептидов небольшого размера в пределах семейства необходимо применять специальные программы, в частности SPADA (Small Peptide Alignment Discovery Application), алгоритм работы которой заключается в проведении множественного выравнивания последовательностей известных представителей генного семейства и построении предсказательной модели для поиска новых членов этого семейства (P. Zhou с соавт., 2013). При анализе большого числа генов, кодирующих дефензины, предсказание активности вновь выявляемых дефензинов и обнаружение консервативных аминокислот также возможно с использованием методов вычислительной биологии. Подход, основанный на множественном выравнивании последовательностей и кластерном анализе, позволяет разделить дефензины на группы со сходной функциональной активностью (N.L. van der Weerden с соавт., 2013). Таким образом, сочетание современных методов молекулярной и вычислительной биологии существенно повышает эффективность изучения этой группы защитных белков.
Ключевые слова: дефензины, пептиды, богатые цистеином, защитные реакции, биотический и абиотический стресс, секвенирование следующего поколения.
PLANT DEFENSINS: BIOLOGICAL FUNCTION, MECHANISMS OF ACTION AND METHODS OF ANALYSIS (review)
O.A. Kulaeva1, M.S. Kliukova1, M.N. Povydysh2, I.A. Tikhonovich1, 3, V.A. Zhukov1
One of the actual problems of modern agriculture is crop loss due to various biotic and abiotic factors. In plants there is a multicomponent protection system, including the formation of protective barriers, activation the reaction of hypersensitivity and synthesis of antimicrobial peptides, which are low molecular weight compounds showing broad spectrum activity against fungi, bacteria and viruses. This group consists of several groups of peptides, including defensins, which are one of the most common classes of antimicrobial peptides and are detectable in all living organisms. Defensins are small (45-54 amino acids), cysteine-rich peptides involved in a different protective responses (B.P. Thomma et al., 2002). Genes which are coding plant defensins are expressed in different organs of plants, where their products are necessary for biotic and abiotic stresses. Thus, these peptides are extremely important in terms of getting crop lines that are resistant to pathogens and abiotic stresses. Defensins are characterized by a strong sequence variability that seems to correlate with a variety of mechanisms of action of these peptides that can induce pathogen’s cell death by penetrating into a cell or by being on its surface (T.M. Shafee et al., 2016). Most of the plant defensins are characterized by the antifungal activity. Some defensins have antibacterial activity, which may be combined with activity against fungi. For a small number of plant defensins their participation in the processes of resistance to heavy metals, cold stress, drought, salinity, and in the development process is indicated. Modern approaches of molecular and computational biology allow an effective search for new forms of defensins activity by studying the wild, non-model plant objects. The development of next-generation sequencing methods («Next Generation Sequencing») make possible the intensive study of the transcriptomes of such objects. However, the correct annotation of the sequences of peptides, characterized by small size and high variability, can be done by usage the special programs, such as SPADA (Small Peptide Alignment Discovery Application) (P. Zhou et al., 2013). SPADA makes multiple sequence alignment of all known paralogous genes within a gene family and builds a predictive model for the search of new members of the same family. Prediction of newly identified active defensins and identification of conserved amino acids can also be performed by computational biology methods. An approach based on a multiple sequence alignment and subsequent cluster analysis allows dividing defensins into groups with similar functional activity (N.L. van der Weerden et al., 2013). Thus, the combination of modern methods of molecular and computational biology allows carrying out the study of this group of protective peptides with high efficiency.
Keywords: defensins, cysteine-rich peptides, defense reactions, biotic and abiotic stress, next-generation sequencing.
1ФГБНУ Всероссийский НИИ |
Поступила в редакцию |
Оформление электронного оттиска
