Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

БИОХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ РАЗВИТИЯ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ К ПАТОГЕНАМ

Ибрагимов Р.И. Яруллина Л.Г. Шпирная И.А. Умаров И.А. Цветков В.О. Максимов И.В.
Растения противостоят инфекциям и другим стрессовым воздействиям окружающей среды посредством развития комплекса молекулярно-биохимических реакций (Яруллина, Ибрагимов, 2006). Восприятие, передача информации о действии факторов окружающей среды на растения и, соответственно, индукция ответных реакций, осуществляется с участием сигнальных систем (Тарчевский, 2002). Наиболее ранней ответной реакцией растительного организма на внедрение патогена является локальная генерация активных форм кислорода (АФК) - окислительный взрыв, запускающий цепь последующих защитных реакций (Аверьянов и др., 2007). Большую роль в генерации и регуляции содержания АФК в растительных тканях играют окислительно-восстановительные ферменты, в первую очередь, оксиредуктазы (Huckelhoven, Kogel, 2003). Показано, что образование АФК в ходе окислительного взрыва происходит при участии ферментов, локализованных на поверхности клеток: НАДФН-оксидаз, ксантиноксидаз, супероксиддисмутаз, оксалатоксидаз, пероксидаз (Gil-ad et al., 2000).

До недавнего времени считалось, что основным источником АФК при инфицировании являются только растительная ткань, а возможный вклад микроорганизмов в этот процесс не учитывался. Однако полученные в последние годы экспериментальные сведения ставят данное утверждение под сомнение (Гесслер и др, 2007). В частности, исследования, Аверьянова с соавторами (2006) показали, что скорость продукции АФК на листьях здоровых растений риса очень низка, но она значительно возрастает при инфицировании их возбудителем пирикуляриоза Magnaporthe grisea. Оказалось, что возбудитель пирикуляриоза риса способен к продукции АФК и в культуральной среде, вне растительного организма. Эти факты позволяют предположить, что патогенные грибы принимают активное участие в процессах продукции АФК. По-видимому, грибные антиоксиданты или супрессоры генерации АФК играют существенную роль в последующем формировании совместимых отношений в системе патоген - хозяин. Особая роль в этих процессах принадлежит ферментам патогенов: супероксиддисмутазам, каталазам, активация которых приводит к снижению токсичных для микроорганизмов концентрации АФК. Вероятно, локальная генерация АФК выполняет защитную функцию только на ранних этапах взаимодействия растения и патогена. Как известно, продолжительная и избыточная продукция АФК, характерная для восприимчивых растений, способствует развитию и распространению патогенов (Shirasu, Schulze-Lefert , 2000).

Для снижения уровня АФК в растительных тканях включаются механизмы детоксикации, связанные с активацией ферментов антиоксидантной системы. Возможно, что развитие или подавление следующих реакций в растительном организме, в первую очередь, зависит от концентрации Н2О2 в зоне контакта двух противоборствующих организмов.

Цель исследований наших состояла в выявлении ряда биохимических параметров, определяющих устойчивость растений и агрессивность патогенов при их взаимодействии. Объектами исследования были растения пшеницы (Triticum aestivum L.) и картофеля (Solanum tuberosum L), инфицированные грибными патогенами и насекомыми-вредителями.

Эффективным подходом к познанию механизмов развития устойчивости растений является сравнительное изучение реакций растений одного сорта на инфицирование штаммами патогена различной степени агрессивности. В соответствии с этим подходом, в экспериментах были использованы различные по агрессивности штаммы возбудителя септориоза злаковых - патогенного гриба Septoria nodorum. В предварительных опытах было показано, что штамм 9МН проявлял высокую, а штамм 4ВД - низкую агрессивность к исследуемым сортам яровой мягкой пшеницы (Жница, Омская 9, Саратовская 29, Башкирская 24). Штамм 9МН характеризовался более быстрым развитием в растительных тканях, более коротким латентным периодом культивирования и обильным спороношением по сравнению со штаммом 4 ВД. Оказалось, что инфицирование растений пшеницы восприимчивого сорта Жница высоковирулентным штаммом приводило к повышению интенсивности генерации АФК лишь в течение первых суток после инокуляции. Тогда как в инфицированных слабовирулентным штаммом тканях этого сорта, интенсивная продукция перекиси водорода происходила в течение более продолжительного периода времени (табл. 1). Вероятно, низкая концентрация Н2О2 не способна индуцировать развитие защитного ответами, и одновременно, является стимулирующей для роста патогена. Для снижения уровня АФК растения и грибы используют различные механизмы детоксикации, один из которых связан с активацией ферментов антиоксидантной системы (Белозерская, Гесслер, 2006). Показано, что активность каталазы в мицелии высоковирулентного штамма возбудителя мучнистой росы значительно выше, чем у низкоковирулентного (Талиева, Мишина, 1996). Ранее было показано, что высокий уровень генерации Н2О2, наблюдаемый в устойчивых растениях, способствует торможению активного роста и развития патогена, а низкий - инициирует его рост (Трошина, 2007).


Таблица 1.Содержание Н2О2 в листьях пшеницы сорта Жница при инфицировании грибом S. nodorum различной степени агрессивности

Вариант

Время после инфицирования, ч

24

48

72

Н2О2, мкМ/мг сырой массы

контроль

16.3 ±1.2

14.1± 0.7

11.2 ± 0.6

штамм 9МН

20.9 ± 1.5

16.9 ±0.9

14.6 ± 0.4

штамм 4 ВД

29.2 ± 1.6

25.8±2.3

20.9± 1.2

Исследования последних лет свидетельствуют, что важной составляющей защитного ответа растений, индуцируемой сигнальными молекулами, является образование белковых ингибиторов (Валуева, Мосолов, 2002; Дунаевский, 2005). Ткани растений содержат соединения, способные ингибировать активность гидролаз патогенных микроорганизмов, насекомых, млекопитающих. Наибольшее число работ посвящено исследованию ингибиторов, подавляющих активность протеолитических ферментов (Ибрагимов, 2000; Озерецковская и др, 2006). Сведения об ингибиторах, подавляющих активность других гидролаз пока в литературе малочисленны.

Целлюлазы и пектиназы участвуют в гидролизе материала клеточных стенок растений, уровень активности этих ферментов является важным фактором агрессивности и патогенности микроорганизмов и насекомых - фитофагов (Абдеев, 2001). Соответственно, уровень ингибиторной активности растительных тканей может служить одним из важных показателей их устойчивости к фитофагам. В наших экспериментах измеряли активность ингибиторов из листьев, клубней и проростков картофеля различных сортов, подавляющих действие ферментов бактериального происхождения и ферментов колорадского жука. Как показали исследования, в листьях картофеля выявлена активность ингибиторов пектиназ и целлюлаз. Причем, уровень ингибиторной активности в листьях значительно различается в зависимости от сорта (таблица 2). Ранее нами было показано, что белковые ингибиторы протеолитических ферментов из растений обладают высокой термостабильностью, и могут быть выделены из комплекса с ферментом путем селективной денатурацией конформационно лабильных молекул фермента при нагревании экстрактов (Ибрагимов и др, 1986). Однако оказалось, что прогревание экстрактов листьев картофеля не приводит к повышению активности ингибиторов пектиназ. Этот факт свидетельствует о том, что в листьях картофеля ингибиторы не способны образовывать комплексы с эндогенными пектиназами, хотя пектинолитическая активность в листьях картофеля присутствует. В экстрактах листьев изученных сортов картофеля выявляется активность, как свободных ингибиторов целлюлаз Trichoderma reesei и L.decemlineata, так и ингибиторов, находящихся в связанном состоянии.

Так, в листьях сортов Невский, Удача, гибрида 9513 все ингибиторы целлюлаз колорадского жука выявляются в связанном состоянии. Наши эксперименты показали, что клубни и проростки картофеля также обладают антицеллюлазной активностью (таблица 3). Причем, в проростках выявляется активность связанных ингибиторов, в клубнях определяется лишь активность свободных ингибиторов. Наиболее высокий уровень антицеллюлазной активности характерен для клубней гибридов 4281-7 и 4292-149.


Таблица 2. Активность ингибиторов целлюлаз и пектиназ (ИЕ/г сырой массы) в листьях различных сортов картофеля

Сорт
картофеля

Ингибиторы целлюлаз

Ингибиторы пектиназ

Trichoderma reesei

имаго L. decemlineata

имаго L.decemlineata

1

2

1

2

1

2

Невский

0

11,8 ± 0,4

4,6 ± 0,9

20,1 ± 0,7

14,9± 0,8

14,9±0,8

Удача

0

5,6±0,6

0

5,5±0,8

14,9±0,6

14,9±0,7

Луговской

2,3 ±0,4

14,8 ±0,7

2,8±0,6

19,7±0,8

21,8 ±0,5

14,9±0,8

4281-7

2,3± 0,3

28,3 ±1,2

5,6±0,5

27,1±0,6

11,4 ±0,6

14,9±0,8

9513

0

5,6±0,5

-

-

18,4 ± 0,8

3,9±0,9

Примечание: 1- экстракт без прогревания; 2-экстракт после прогревания при 60° С, 10 мин.

Активность целлюлаз T. reesei - 125,2 Е/мг; активность целлюлаз L. decemlineata - 117,9 Е/г , активность пектиназ L. decemlineata - 78,5 Е/г.

Таблица 3. Активность ингибиторов целлюлаз (ИЕ/г сырой массы) колорадского жукав клубнях и проростках картофеля

Сорт

проростки

клубни

1

2

1

2

Невский

3,3+ 0,5

19,1+0,8

9,3±0,4

6,1+ 0,8

Удача

0

11,4 + 0,5

8,3+0,6

13,5+0,7

4281-7

0

10,6+ 0,5

11,8+0,4

10,2+0,4

4292-149

0

12,1± 0,4

14,2+0,3

13,3± 0,5

Результаты проведенных исследований показали, что в различных тканях картофеля содержатся ингибиторы белковой природы, способные подавлять активность целлюлолитических и пектинолитических ферментов Leptinotarsa decemlineata и Trichoderma reesei. Изученные сорта и гибриды картофеля имеют существенные различия по уровню антицеллюлазной и антипектиназной активности в клубнях, проростках и листьях.

Таким образом, формирование защитного ответа растений пшеницы и картофеля к патогенным грибам и насекомым-вредителям определяется концентрацией АФК и уровнем активности ингибиторов гидролаз в инфицированных тканях.

Работа выполнена при финансовой поддержке АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы», грант № 2.1.1/5676.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Аверьянов А.А., Лапикова В.П., Лебран М.-А. Тенуазоновая кислота, токсин возбудителя пирикуляриоза, индуцирует болезнеустойчивость и продукцию активных форм кислорода в растениях риса // Физиология растений. 2007. Т. 54, №6. С. 841-846.
  2. Белозерская Т.А., Гесслер Н.Н. Окислительный стресс и дифференцировка у Neurospora crassa // Микробиология. 2006. Т. 75, № 4. С. 497-501.
  3. Гесслер Н.Н., Аверьянов А.А., Белозерская Т.А. Активные формы кислорода в регуляции развития грибов // Биохимия. 2007. Т. 72, вып. 10. С. 1342-1364.
  4. Озерецковская О.Л., Васюкова Н.И., Панина Я.С., Чаленко Г.И. Действие иммуномодуляторов на устойчивость и восприимчивость картофеля к Phytophthora infestans // Физиология растений. 2006. Т. 53, вып. 4. С. 546-553.
  5. Талиева М.Н., Мишина Г.Н. Окислительные ферменты во взаимоотношениях растения и патогенна при мучнистой росе флокса // Физиология растений. 1996. Т. 43, № 5. С. 679-684.
  6. Тарчевский И.А. Элиситор-индуцируемые сигнальные системы и их взаимодействие // Физиология растений. 2000. Т. 47, вып. 2. С. 321-331.
  7. Трошина Н.Б. Перекись водорода как регулятор устойчивости растений и каллусов пшеницы к грибным патогенам // Автореф. дисс. докт. биол. наук. СПб. 2007. 44 с.
  8. Яруллина Л. Г., Ибрагимов Р.И. Клеточные механизмы формирования устойчивости растений к грибным патогенам.- Уфа:Гилем, 2006.-232с.
  9. Erlanger B.F., Kokowski N., Cohen W. The preparation and properties of two new chromogenic substrutes of trypsin // Arch. Biochem. Biophys.- 1961.- V. 95.№ 2.- P. 271-278.
  10. Garre V., Tenberge K.B., Eising R. Secretion of a fungal extracellular catalase by Claviceps purpurea during infection of putative role in pathogenesity and suppression of host defense // Phytopathology. 1998. Vol. 88. P. 744-753.
  11. Gil-ad N.L., Bar-Nun N., Noy T., Mayer A.V. Enzymes of Botrytis cinerea capable of breaking down hydrogen peroxide // FEMS Microbiol. Lett. 2000. Vol. 190. P. 121-126.
  12. Hamilton A. J., Holdom M. D. Antioxidant systems in the pathogenic fungi of man and their role in virulence // Medical Mycology. 1999. Vol. 37. P. 375-389.
  13. Huckelhoven R., Kogel K.H. Reactive охуgen intermediates in plant-microbe interactions: Who is who in powdery mildew resistance? // Planta. 2003. Vol. 216. P. 891-902.

Библиографическая ссылка

Ибрагимов Р.И., Яруллина Л.Г., Шпирная И.А., Умаров И.А., Цветков В.О., Максимов И.В. БИОХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ РАЗВИТИЯ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ К ПАТОГЕНАМ // Современные наукоемкие технологии. – 2010. – № 4. – С. 46-49;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=24628 (дата обращения: 17.08.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074