Древесная гниль

Сердцевина старых деревьев со временем становится менее прочной. В таких стволах обычно обнаруживаются коричневые, как на картинке, или белые древесные остатки — это так называемые гнили древесины, вызванные древоразрушающими грибами. На фото — бурая гниль, вызванная серно-желтым трутовиком (Laetiporus sulphureus).

Существуют два основных типа гнилей: белая и бурая, которые, соответственно, различаются по окраске. В литературе еще встречаются термины «корневая», «комлевая» или «ядровая» гниль — по ее локализации, но каждый из этих типов всё равно относится либо к бурой, либо к белой гнилям. При поражении белой гнилью разрушаются все структурные компоненты древесины: как карбогидратные (углеводные) полимеры с регулярным строением — целлюлоза и гемицеллюлоза, — так и полифенол лигнин, в котором каждая субъединица может быть связана с другими в разных местах молекулы и разным количеством связей. В случае поражения бурой гнилью лигнин остается практически нетронутым, а разлагаются только карбогидратные полимеры.

Остановимся чуть подробней на ферментативной деструкции двух основных полимеров — целлюлозы и лигнина . Целлюлоза — это полимер, мономером которого является дисахарид целлобиоза, состоящий из двух остатков глюкозы, соединенных β-гликозидной связью. В несколько упрощенном виде процесс деструкции целлюлозы можно описать следующим образом. Сначала фермент эндоглюканаза  разбивает целлюлозу на более короткие цепочки, затем экзоглюканазы отделяют целлобиозные молекулы с их концов, и, наконец, бета-глюкозидазы разделяют целлобиозу на индивидуальные молекулы глюкозы, которые уже могут проникать внутрь грибной клетки и метаболизироваться.

При деструкции лигнина основную работу выполняют окислительно-восстановительные ферменты пероксидазы , такие как лигнин-пероксидазы, марганец-пероксидазы и гибридные пероксидазы — работа их всех зависит от перекиси водорода. Пероксидазы разбивают связи C–C и C–O–C, которые составляют не менее половины связей, соединяющих фенольные субъединицы. Кроме того, они могут расщеплять и ароматические связи внутри самих субъединиц. Необходимая для работы этих ферментов перекись продуцируется оксидазами, например глиоксальоксидазой, которая переключается на производство перекиси в ответ на активацию пероксидаз. В свою очередь, глиоксальоксидаза использует продукты распада лигнина как субстрат для производства перекиси, таким образом, получается сопряженная ферментативная система.

Лакказы также играют важную роль в процессе деструкции лигнина. Эти ферменты, распространенные у грибов, растений и множества других организмов, участвуют в синтезе предшественников меланина, процессе детоксикации, а также синтезе того же лигнина растениями. Лакказы обладают более низким окислительно-восстановительным потенциалом и могут окислять только мономеры, используя в процессе окисления атмосферный кислород, поэтому они не зависят от других ферментов. Стоит упомянуть, что время появления первых пероксидаз, способных разрушать лигнин, относится к границе карбона и перми, что, вероятно, связано с прекращением интенсивного накопления каменного угля на планете.

Итак, как же протекает процесс образования гнили? Гифа гриба прорастает внутри просвета в мертвых клетках древесины, их окружает растительная клеточная стенка, имеющая неоднородную структуру. Самое главное, что люмен выстлан слоем вторичной клеточной стенки, особенно обогащенной лигнином (s3), за ним следует слой, в котором большое количество целлюлозы и гемицеллюлозы (s2).

 

Схема строения растительной клеточной стенки. Рисунок из статьи C. Plomion et al., 2001. Wood formation in trees

Грибы, вызывающие белую гниль, обладают большим набором ферментов, необходимых для разложения разных типов полимеров. Часть видов способна активировать сразу ферментативные системы, работающие как с лигнином, так и с целлюлозой, — в этом случае остается бледная и рассыпчатая структура, как на снимке ниже. Этот тип гнили вызывают такие широко распространенные виды, как настоящий трутовик (Fomes fomentarius) и траметес разноцветный (Trametes versicolor).

 

Белая гниль, вызванная настоящим трутовиком (Fomes fomentarius). Фото © Илья Винер

Другая стратегия видов, вызывающих белую гниль, заключается в том, что они начинают с селективного разложения лигнина во вторичной клеточной стенке и уже позже, когда открывается доступ к карбогидратам (углеводам), начинают разлагать и их. В этом случае белая гниль выглядит по-другому: образуются небольшие, четко разделенные участки-карманы (ямчатая гниль, или pocket rot), в итоге каждый карман пустеет и формируется характерная ячеистая структура, как на фотографии ниже. Такую гниль вызывают корневая (Heterobasidion annosum) и сосновая (Phellinus pini) губки.

 

Ямчатая белая гниль, вызванная сосновой губкой (Phellinus pini). Фото с сайта en.wikipedia.org

Грибы, вызывающие бурую гниль, не имеют ферментных систем, необходимых для эффективного разложения лигнина, и их гифы оказываются в люмине, окруженные лигнифицированым s3-слоем клеточной стенки. Более того, ферменты, расщепляющие целлюлозу, слишком велики, чтобы просочиться сквозь этот слой. Поэтому разложение начинается с выделения большого количества щавелевой кислоты и различных хелатов — молекул, способных связывать и высвобождать ионы металлов. Щавелевая кислота захватывает ионы железа из растительной клеточной стенки, а также понижает pH возле мицелия. Оксалат железа и хелаты достаточно маленькие, чтобы проникнуть сквозь s3-слой к богатому карбогидратами s2-слою. В s2-слое более высокий pH позволяет хелатам забирать железо из оксалата. Ион Fe²⁺ в условиях доступа кислорода может окисляться до Fe³⁺ по следующему пути:

Fe²⁺+O₂↔ Fe³⁺ +O₂^•–
Fe²⁺+ O₂^•–+ 2H⁺↔ Fe³⁺ +H₂O₂

Кроме того, образуется перекись, которая наряду с ионами железа необходима для мощной реакции Фентона, позволяющей разрывать молекулы целлюлозы на более мелкие части:

Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + HO^• + OH⁻

Короткие куски цепей карбогидратов уже могут проникать через s3-слой, где подвергаются действию вышеупомянутых целлюлозоразлагающих ферментов. Древесина с бурой гнилью имеет характерное строение: она не волокнистая и рассыпается на кубики или таблички. Бурую гниль вызывают крайне распространенные окаймленный (Fomitopsis pinicola) и серно-желтый трутовики (Laetiporus sulphureus).