CC BY
22
УДК 632.6.04+58.073
БИОГЕННЫЕ ИНДУКТОРЫ УСТОЙЧИВОСТИ ТОМАТОВ К ГАЛЛОВОЙ НЕМАТОДЕ
УдаловаЖ.В.1'2, Зиновьева C.B.2 'ВНИИП - филиал ФГБНУ ФНЦ ВИЭВ РАН ([email protected]) 2Центр паразитологии ИПЭЭ РАН ([email protected])
Для многих культурных растений проблема устойчивости к биотическим и абиотическим стрессовым воздействиям остается открытой. Желание минимизировать использование химических средств защиты, оставляет два пути решения проблемы - селекция и индуцированная устойчивость. Современная концепция иммунитета растений к патогенным организмам и нематодам в их числе складывается из функционирования иммунной системы, в которой задействованы две линии обороны - неспецифический и специфический иммунитет. Неспецифический или базовый иммунитет, это многоступенчатый процесс, который инициируется в следствии детекции мембранными растительными рецепторами консервативных молекулярных структур, ассоциированных с микроорганизмами и соединений, возникающих при воздействии гидролитических ферментов патогена на клеточные стенки хозяина (элиситоры); и характеризуется множественными процессами, но в основном связанными с активацией митогенактивированных и кальций-зависимых протеинкиназ, а также активных форм кислорода, запускающих целый ряд защитных реакций в растениях. Если в геноме растения присутствует ген устойчивости к конкретному патогену, включается специфический иммунитет, уже с помощью детекции внутриклеточными рецепторами растения эффекторных молекул патогена. Специфический иммунитет характеризуется развитием реакции сверхчувствительности, системной устойчивости и иммунной памяти растения. Огромное значение в устойчивости растений принадлежит сигнальным молекулам, являющихся мессенджерами в передачи сигнала в геном клетки. В проявлении базовой устойчивости значительную роль отводят метаболитам специализированного обмена растений, в том числе соединениям с адаптогенными свойствами
Одним из наиболее известных и хорошо изученных биогенных элиситоров является олигомер хитозан. В серии опытов, в системе томат -Meloidogyne incognita, было показано, что низкомолекулярный хитозан и его производные индуцируют в растениях комплекс защитных реакций, на что указывает изменение активности важнейших белков связанных с патогенезом (PR-белки: хитиназа, каталаза, ингибиторы протеиназ (IP)); образование фитоалексина - ришитина; изменение стеринового обмена (Zinov'eva et.al.,2001; Зиновьева и др., 1999, Удалова и др., 2015). Обработка растений
хитозаном увеличивает активность ферментов липоксигеназы (ЛОГ), участвующей в синтезе сигнальных молекул, и фенил ал анинаммиакли азы (ФАЛ), ключевого фермента фенилпропаноидного биосинтеза, в процессе которого образуются разнообразные фенольные соединения, играющие важнейшую роль в индуцировании базовой устойчивости. Все изменения, происходящие в метаболизме растений, существенно влияют на проникновение и развитие нематоды. Ярко выраженной элиситорной активностью обладает арахидоновая кислота (АК). Показано, что в зараженных галловой нематодой томатах, обработанных АК, наблюдалось общее снижение стеринов с преимущественным уменьшением необходимых для жизнедеятельности нематоды, а также образования отсутствующего в норме фитоалексина -ришитина. Это вызвало существенное снижение заражённости растений и, как следствие, плодовитости самок нематод (Зиновьева и др., 1996).
Процесс трансдукции сигнала от рецептора к геному клетки осуществляется с помощью сигнальных молекул. Одними из важнейших медиаторов являются жасмоновая кислота (ЖК) и салициловая кислота (СК). Обработка восприимчивых томатов ЖК и СК способствовала проявлению индуцированной устойчивости, что выражалось, как в снижении зараженности корней М. incognita, так и приводила к угнетению развития нематоды. Синтез ЖК в высших растениях осуществляется посредством ЛОГ (Зиновьева и др, 2013). Исследование активности ЛОГ показало, что обработка инвазированных растений ЖК существенно увеличивает активность фермента. Биосинтез СК происходит в растениях по фенилпропаноидному пути при участии ФАЛ. Обработка зараженных галловой нематодой томатов СК усиливала активность ФАЛ. Комплексная обработка растений элиситором и одной из сигнальных молекул, как правило, увеличивала положительное действие обоих компонентов Ключевую роль во взаимоотношениях растений с нематодами отводят ингибиторам протеиназ (PI), они подавляют протеолитическую активность ферментов нематод. Установлено, что PI участвуют в механизмах защиты растений как с базовой устойчивостью (при восприимчивости), так и обусловленной присутствием генов устойчивости к галловой нематоде, а также при индуцированной устойчивости с помощью сигнальных молекул СК и ЖК (Удалова и др., 15). В последующих исследованиях с помощью молекулярно-генетических методов анализа был подтвержден факт накопления транскриптов генов кодирующих PI при обработке сигнальными молекулами. При исследовании экспрессии генов устойчивости Mi-1 и генов, кодирующих PR1 белки (являющихся маркером устойчивости) и PI белки в зараженных галловой нематодой томатах, были показаны значительные изменения в активности данных генов при обработке растений сигнальными молекулами (Лаврова и др, 2015, 2016, 2017). Экзогенная обработка восприимчивых растений томата СК или ЖК оказывает модулирующее воздействие на уровень накопления транскриптов защитных генов, что указывает на их роль в системной индукцированной устойчивости.
В растениях содержится большое число вторичных метаболитов с разнообразными функциями. Стероидные соединения (гликоалкалоиды, сапонины, экдистероиды) представляют интереснейший и перспективный класс веществ с разнообразной биологической активностью. Исследование стероидных гликоалкалоидов (томатина, чаконина, соламаргина и соласонина), веществ напрямую связанных с защитными функциями растительного организма к болезням и вредителям, показало, что все они, в той или иной степени оказывают угнетающее действие на галловую нематоду, но наибольшей активностью обладали томатин и чаконин (Удалова, Зиновьева, 2014). Анализ изменения активности 1Р в растениях обработанных томатином показал прямую зависимость между проявлением устойчивости и активностью 1Р в тканях растений. При обработке зараженных томатов стероидными сапонинами: томатозидом и фуростаноловыми гликозидами (ФГ-протодиосцином и дельтозидом) наблюдалось существенное снижение морфо-физиологических и популяционных показателей нематод, и, соответственно, сказывалось на галлообразовании. Кроме того, была отмечена высокая ростстимулирующая активность этих соединений в отношении растений-хозяев. Было показано, что ФГ обладают адаптогенным действием на растения и повышают их выносливость к стрессу, вызванного нематодами, что отражается на ряде биохимических показателях, отражающих иммунное состояние растений. Предполагается, что в основе защитного действия ФГ лежит способность предотвращать распад липидных компонентов биологических мембран, о чём свидетельствуют процессы связанные со стабилизацией нарушенных нематодой нормальных окислительно-восстановительных процессов в растительной клетке (Васильева и др, 2009). ФГ оказывает воздействие на биосинтез стероидных соединений, на перекисное окисление липидов, на активность пероксидаз, на изменения в содержании фотосинтетических пигментов. Есть основания полагать, что ФГ вовлечены в клеточные сигнальные системы, что приводит к экспрессии защитных генов. Среди адаптогенов можно отметить высокую биологическую активность в отношении исследованной системы растительных экдистероидов и соединения нестероидной структуры алкалоида-амаратина. При исследовании биохимических характеристик тканей зараженных томатов, обработанных амарантином, было показано, что во многом действие амарантина связано с ярко выраженными антиоксидантными свойствами вещества.
Таким образом, благодаря возможности воздействия на различные звенья иммунитета растений с помощью элиситоров, сигнальных молекул или адаптогенов можно существенно помочь переместить чашу весов от восприимчивости к устойчивости. Несмотря на то, что у индуцированной устойчивости есть ряд недостатков, к числу которых относятся не всегда достаточная биологическая эффективность и видоспецифичность иммунного ответа, у этого метода есть масса достоинств, в число которых входит, отсутствие изменений в генотип растений, активирование естественного иммунного потенциала. Индукция естественных механизмов защиты растений
системна и продолжительна, позволяя активировать защитные механизмы в момент проникновения патогена. Поскольку в этот механизм вовлечено множество путей защиты, вероятность адаптации паразитических организмов очень мала, с другой стороны, само растение не испытывает селективное давление патогена (Поликсенова, 2009).
Biogenic inducers of tomato resistance to the root-knot nematode. Udalova Zh.V., Zinovieva S.V. All-Russian K.I. Skryabin Scientific Research Institute of Fundamental and Applied Parasitology of Animals and Plants, Centre of Parasitology, IPEE RAS.
Summary. Biogenic inducers of protective reactions can increase unspecific resistance of tomato plants to infection with the root-knot nematode. Such inducers include elicitors (chitosan, arachidonic acid), signaling molecules (salicylic and jasmonic acids) and some compounds of secondary metabolism of plants, including adaptogenic properties (tomatine, furostanol glycosides, ecdysteroids, amaranthine and others).The data on biological activity of these compounds in the system of tomatoes - Meloidogyne incognita and some biochemical and molecular-genetic characteristics are given.
