CC BY
130
Фитогормоны и фенольные соединения в борьбе с болезнями растений
<
LQ
<
УДК 581.143:577.175.1.05+581.2
Резюме. Исследовалось содержание и функциональная активность фитогормонов и фенольных соединений в патогенезе ярового ячменя (Hordeum vulgare) сетчатой пятнистостью (Pyrenophora teres Drechler.). Впервые показано, что вопреки существующему представлению фитогормоны и фенольные соединения выступают в качестве единого защитного комплекса растений от фитопатогенной инфекции. Ключевые слова: болезнеустойчивость, ячмень, фитогормоны, фенольные соединения.
Наличие в растениях эндогенной системы координации и саморегуляции является основой управления ими с помощью различных экзогенных регуляторных комплексов для эффективной перестройки онтогенеза и продуктивности растений, формирования урожая и его качества.
Нелли Манжелесова,
старший научный сотрудник лаборатории физиологии патогенеза и болезнеустойчивости растений Института экспериментальной ботаники им. В. Ф. Купревича НАН Беларуси,
кандидат биологических наук
Александр Волынец,
главный научный сотрудник лаборатории физиологии патогенеза и болезнеустойчивости растений ИЭБ им. В. Ф. Купревича НАН Беларуси, доктор биологических наук, профессор
В настоящее время химическая промышленность выпускает или осваивает выпуск многих высокоэффективных стимуляторов, ингибиторов, дефолиантов, ретардантов, гербицидов и десикантов. Что касается применения регуляторов роста как средства защиты растений от болезней, то их использование в растениеводстве весьма ограничено. В этих целях применялись и применяются в основном синтетические пестициды - вещества, чуждые живым организмам, однако действующие непосредственно и весьма эффективно на возбудителей болезней. Лишь к концу 80-х гг. появляются работы, доказывающие возможность возникновения индуцированной устойчивости растений по отношению к патогенам, вызывающим вирусные, грибные и бактериальные заболевания [1], хотя предположения о том, что вырабатывать антимикробные вещества и обладать врожденным (конституциональным) иммунитетом могут не только животные, но и растения, возникли значительно раньше [2]. В дальнейшем
стали создаваться химические препараты - индукторы устойчивости и фитоиммунокоррекции растений с целью использования их в сельскохозяйственной практике [3]. Именно они в ближайшем будущем станут основным источником болезнеустойчивости и прибавки урожая сельскохозяйственных культур, а в ряде стран, активно поддерживающих такую стратегию (Япония и др.), уже около 10-15% ассортимента пестицидов занимают препараты на основе индукторов устойчивости. Один из наиболее реальных путей поиска таких веществ -исследование регуляторных механизмов естественного иммунитета. Внимание должно концентрироваться на раскрытии механизмов взаимодействия эндогенных регуляторов роста в процессах гомеостаза клетки и целого растения на фоне постоянного колебания экологических факторов.
Зависимость болезнеустойчивости растений от присутствия в них физиологически активных веществ отмечена еще в 1952 г. К. Т. Сухоруковым. Та же мысль была высказана А. П. Волынцом в 1988 г. [4]. Работы по поиску и созданию новых химических средств защиты растений на основе эндогенных регуляторов роста ведутся постоянно. Очевидно, что наиболее привлекательными для этой цели являются те, которые сочетают ростости-мулирующее и антистрессовое действие на растения. К ним можно отнести стероидные гормоны растений - брассиностеро-иды, которые характеризуются широким спектром физиологической активности. Их действие проявляется в стимуляции роста, улучшении фертильно-сти, сокращении вегетативного периода, увеличении размера и числа плодов, улучшении пищевой ценности и качества плодов, повышении урожайно-
сти. В то же время они обладают антистрессовыми, адаптогенны-ми свойствами, повышающими устойчивость растений ко всем видам негативных воздействий. Создание в ИБОХ НАН Беларуси в лаборатории химии стероидов под руководством академика НАН Беларуси В. А. Хрипача синтетических аналогов природных брассиностероидов позволило нам в известной степени определить возможную активацию под их воздействием защитных реакций растений на биотический стресс.
Жизнедеятельность любого растения, а тем более сообщества хозяин - патоген, контролируется гормонально-ингибиторной системой. Она регулирует также и возникновение нового физиологического статуса, обеспечивающего динамическое равновесие между видами, и через него ту форму устойчивости, благодаря которой поддерживается стабильность внутренней среды фитопатосистемы, сочетающейся с изменчивостью ее функциональной активности. Если рассматривать систему болезнеустойчивость - специализация как «мессенджерную», управление которой зависит от специфики метаболитов, участвующих в формировании разных типов устойчивости, не вызывает сомнения тот факт, что фитогормо-ны являются самыми непосредственными участниками этой системы, и соотношение между ними определяет пригодность внутриклеточной среды обитания для возбудителей болезней. Взаимодействие с другими фито-гормонами - одно из основных свойств брассиностероидов, причем предполагается, что последние выступают в качестве координаторов всего гормонального комплекса [5]. Однако совершенно отсутствуют сведения о том, какова функциональная роль брассиностероидов в патосисте-ме, как реализуется их защитное
сутки после заражения
действие, какие физиологические процессы и метаболиты растения участвуют в этом?
Исследования проводились в модельной патосистеме яровой ячмень (Hordeum vulgare) - возбудитель сетчатой пятнистости, фи-топатогенный гриб Pyrenophora teres Drechler. Прежде всего изучалось изменение активности и содержания ауксина при формировании патосистемы, поскольку, с одной стороны, гормон играет важнейшую роль в процессах роста и формообразования, а с другой - участие ауксинов во взаимоотношениях растений и фитопатогенных грибов признано давно, и его метаболизму отводится значимое место в теориях фитоиммуните-та [4, 6]. Результаты эксперимента показали, что инфицирование растений приводило к снижению содержания индолилуксусной кислоты (ИУК) вдвое на вторые сутки после инокуляции спорами возбудителя сетчатого гельмин-тоспориоза (рис. 1). В этот период визуально признаки поражения отсутствуют (инкубационный период), фактически это биотро-
Рис. 1.
СодержаниеИУК в растениях ячменя, обработанных эпибрассинолидом (А) и инфицированных РЛвт
■ контроль, инфицированные растения
■ ЭПБ, инфицированные растения
Рис. 2.
СодержаниеАБК в растениях ячменя, обработанных эпибрассинолидом и инфицированных P. teres
| контроль
Щ P.teres
ЭПБ+ P.teres
2
6
Научные публикации
Свободные ФС Связанные ФС
Вариант сумма сумма Общая сумма - „ - Эфирные оксибензои- оксикорич- свободных соединения ных кислот ных кислот ФС Флаво-ноидные соединения Общая сумма связанных ФС
2-е сутки после инокуляции спорами H.teres
Контроль 36,47±2,82 22,37±1,12 58,84 632,12±44,25 9182,97±642,8 9815,09
Инфицированные растения 32,72±1,64 30,32±1,52 63,04 686,89±48,1 12701,74±889,1 13388,63
ЭПБ 37,62±2,26 33,04±1,98 70,66 762,19±61,0 13984,19±978,9 14746,38
ЭПБ, инфицированные растения 41,77±2,09 33,56±1,68 75,33 598,29±41,9 11269,21±901,5 11867,5
2-е сутки после инокуляции спорами H.teres
Контроль 33,75±1,35 17,14±0,69 50,89 830,56±66,44 9824,91±687,7 10655,47
Инфицированные растения 42,73±2,13 28,38±1,42 71,11 762,12±61,0 10186,0±814,9 10948,12
ЭПБ 35,47±1,78 30,04±1,5 65,51 674,89±47,24 7573,15±530,1 8248,0
ЭПБ, инфицированные растения 43,63±2,25 30,91 ±1,23 74,54 909,89±63,69 6513,02±455,9 7422,91
Таблица 1.
Содержание
фенольных
соединений
в растениях
ячменя,
обработанных
эпибрассинолидом
и инокулированных
спорами
возбудителя
сетчатого гель-
минтоспориоза,
мкг/г сухого
вещества
фная стадия патогенеза. На 6-е сутки, когда патоген переходит к некротрофному питанию и визуально появляются признаки поражения в виде некротических пятен, содержание фитогормо-на в листьях растения-хозяина продолжало возрастать, достигая максимума в эксперименте. На этом фоне предобработка растений 24-эпибрассинолидом (синтетический аналог наиболее активного соединения группы брассиностероидов) способствовала более длительному и сильному накоплению ИУК, причем содержание гормона было повышенным уже на 2-е сутки патогенеза. Полагаем, что регуляция обмена ауксина фенольными соединениями является главной причиной изменения содержания ИУК в инфицированных растениях ячменя [7]. Таким образом, их обработка 24-эпибрассино-лидом (ЭПБ) на нормальном и инфекционном фонах приводила к перестройке ауксинового обмена хозяина, направленной на повышение уровня фитогор-мона и стабилизацию содержания ауксина на этом фоне.
Согласно теории Сухорукова, высокие дозы ауксина обусловливают изменение «химизма» клеток, перераспределение веществ
в тканях имеет место вследствие усиления диффузии сахаров и других метаболитов, устанавливается ток пластических веществ по тканям, ориентированный в направлении места воздействия гормонов [8]. Вероятно, вызванное обработкой эпибрассино-лидом увеличение содержания индолилуксусной кислоты в клетках листьев растений ячменя препятствует их некротизации, активируя метаболизм, замедляя процессы распада биополимеров. В клетке обеспечиваются условия, неблагоприятные для питания некротрофного патогена, замедляется его развитие, ослабляется течение инфекционного процесса.
Изучалась также динамика содержания абсцизовой кислоты (АБК) как возможного антагониста ИУК в регуляции физиологических процессов, которая способна активировать ряд физиологических процессов, связанных с переключением метаболизма растения на включение стрессовых программ [9], что свидетельствует о ее реальной возможности осуществлять регулирование возникающих у растений адаптационных и защитных систем не только в ответ на действие абиотических
факторов (засухи, повышенной концентрации углекислот и т.д.), но и на формирование фитопато-систем. В наших экспериментах гельминтоспориозная инфекция уже через 2 суток после заражения растений вызывала заметный рост уровня АБК (рис. 2). Далее накопление гормона прогрессивно нарастало и к 6-м суткам патогенеза достигало уровня 15 мкг/г сухой массы, в два раза выше, чем в тканях здоровых растений.
Предобработка растений 24-эпибрассинолидом приводила к весьма существенному (в три раза), но кратковременному повышению уровня гормона в листьях на инфекционном фоне. АБК отводится ключевая роль в индукции синтеза более десяти стрессовых белков [10]. Возможно, этот препарат оказывает опосредованное АБК вляние на экспрессию генов синтеза патогенезозависимых белков.
Среди разнообразных соединений, рассматриваемых как регуляторы ростовых процессов, выделяются фенольные соединения, способные влиять на ростовые процессы либо са-мостоятельно,либо воздействуя на ростовые вещества - фитогор-моны. По современным представлениям последние осуществляют только регуляцию роста и физи-олого-биохимических процессов, тогда как фенольные соединения часто выступают еще и в качестве антиоксидантов, ингибиторов или кофакторов ферментов и т.п. Среди большого разнообразия фенольных соединений выявлено очень немного типичных регуляторов роста. Основными компонентами являются фе-ноксикислоты, о-диоксифенолы и флавонолы, которые могут влиять на рост как непосредственно, так и путем изменения активности индолилуксусной кислоты [11]. Диоксифенолы усиливают биосинтез ИУК и ингибируют ок-сидазу ИУК, тогда как флавонолы подавляют активность АБК [7].
Однако более значима роль фе-нольных соединений при различных видах стресса у растений.
В общем изменение феноль-ного метаболизма растений в связи с различными болезнями изучено достаточно широко, но данных о влиянии брасси-ностероидов на фенольный комплекс здоровых растений и тем более растения-хозяина при формировании патосистемы в литературе нет. В то же время возникает вопрос о механизмах, регулирующих этот процесс в условиях патогенеза, о роли определенных классов феноль-ных соединений в защите клеток. Для исследований использовали метод систематического анализа с помощью хроматографии на бумаге [12], поскольку только этим методом можно выявить качественный состав соединений, что было принципиально важно. В растениях ячменя обнаружены фенолкарбоновые кислоты, их эфиры и флавоноиды. Последние в основном представлены флавоновыми гликозидами и в небольшой степени минорными флавоноловыми гликози-дами. Показано, что воздействие 24-эпибрассинолида на феноль-ный комплекс здоровых и инфицированных возбудителем сетчатого гельминтоспориоза ячменя сводилось в основном к накоплению свободных оксикоричных и оксибензойных кислот в течение 6 суток развития инфекции, в то время как увеличение количества фенольных эфиров и флавоноидных гликозидов отмечалось только в здоровых растениях после обработки (табл. 1). Что же касается флавоноидов, то их содержание возрастало только в инфицированных растениях и после обработки эпибрассино-лидом. В дальнейшем количество их снижалось, а флавонолы практически исчезали. В то же время содержание 0-диоксифенолов очень возрастало при заражении растений. Такая перестройка
регуляторного комплекса приводит к накоплению и сохранению ауксина и одновременно снимает пресс с АБК и повышает ее активность. Параллель между изменением содержания свободных и лабильно связанных фенольных соединений не наблюдается. Это означает, что новообразованные компоненты расходуются различным образом. Накопление флавоноидов в здоровых растениях под влиянием обработки, вероятно, свидетельствует об активации ан-тиоксидантной системы. А источником «потребления» свободных фенолкарбоновых кислот (прежде всего оксикоричных), как известно, является лигни-фикация тканей [13]. Поскольку одновременно в обработанных растениях сильно возрастала активность пероксидазы, с большой долей вероятности можно предполагать, что в патосистеме ячмень - возбудитель сетчатого гельминтоспориоза защитное действие эпибрассинолида связано с формированием системы защиты от фитопатогена на уровне индукции фенилпропаноидного метаболизма, приводящего к образованию в растениях ячменя фенолов, играющих ключевую роль в синтезе лигнина. Это, во-первых, создает механические и пищевые барьеры для патогена, во-вторых, фенольные предшественники лигнина и свободные радикалы, возникающие при их окислении, являются высокотоксичными для паразита, и наконец, лигнин, образуемый растением-хозяином может откладываться в клеточной стенке гиф гриба, ограничивая его рост и подвижность.
Из изложенного следует, что взаимодействие растение-хозяин - фитопатогенный гриб осуществляется в том числе и на ре-гуляторном уровне, то есть при формировании патосистемы, вероятно, задействован весь эндогенный гормонально-ингибитор-ный комплекс растения. Вопреки
существующему представлению, фитогормоны и фенольные соединения выступают в качестве единого защитного комплекса, что показано впервые. СИ
Статья поступила в редакцию 15.05.2014 г.
See: http://innosfera.org/2015/03/ plants_diseases
Summary
The contents and functional activity of phytohormones and phenolic compounds in pathogenesis of spring barley (Hordeum vulgare) by net blotch (Pyrenophora teres Drechler.) was investigating. For the first time it is shown, that phytohormones and phenolic compounds act as a united protective complex of plants from the phytopathogenic infection.
Литература
1. Kuc, J. 1982. Induced immunity to plant disease // Bioscience. Vol.32. P. 313-315.
2. Вавилов Н. И. Учение об иммунитете растений к инфекционным заболеваниям // Н. И. Вавилов (ред.). Теоретические основы селекции. В 3-х т. Т. 1. Общая селекция растений. М.- Л.: ГИЗ с.- х. совх. и колх. лит-ры. С. 893-990.
3. Тютерев С. Л. 1999. Хитозары - новая группа п репара-тов-активаторов болезнеустойчивости растений.«Биологические активные вещества в защите растений». Материалы совещания 30 августа - 4 сентября 1999 г. (Анапа), ВИЗР.
4. Волынец А. П. Проблемы иммунитета сельскохозяйственных растений к болезням.- Мн., 1988.
5. Хрипач В. А., Лахвич Ф. А., Жабинский В. Н. Брассиностеро-иды.- Мн., 1993.
6. Л. А. Андреев, М. Н. Талиева Физиологически активные вещества во взаимоотношениях растения-хозяина и патогенного гриба. Физиология растений, 1996, т. 43, № 5, с. 661666
7. Волынец А. П. Фенольные соединения в жизнедеятельности растений - Мн., 2013.
8. Сухоруков К. Т., Строганов Б. П. О действии гетероауксина на клетки в связи с заболеваниями растения // ДАН СССР. 1945. Т. 48. С. 224-227.
9. Кулаева О. Н. Физиологическая роль абсцизовой кислоты // Физиология растений. 1994, № 5. Т. 41. С. 645-646.
10. Высоцкий Д. А., Souer E., Бабаков А. В., de Boer A. H. О возможной роли регуляторных белков 14-3-3 в механизме передачи стрессорного сигнала по АБК-зависимому пути в растениях Thellungiella salsuginea / Всероссийский симпозиум «Растение и стресс». Тезисы докладов.- М., 2010. С. 97-98.
11. Волынец А. П. Распространение и динамика фенольных эффекторов ауксина в растениях // Доклады АН Беларуси. 1997. Т. 41. С.73-76.
12. Волынец А. П., Маштаков С. М. Определение фенольных соединений в растительном материале // Методы определения фитогормонов, ингибиторов роста, десикантов и гербицидов.- М., 1973. С.29-40.
13. Запрометов М. Н. Фенольные соединения: Распространение, метаболизм и функции в растениях.- М., 1993.
