CC BY
54
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2009, № 3
УДК 635.64:632.4:631.524.86
ФОТОРЕГУЛЯЦИЯ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ТОМАТА К ГРИБНЫМ ЗАБОЛЕВАНИЯМ
В.И. ШАТИЛО1, И.Т. БАЛАШОВА2, Н.А. УРСУЛ2, О.Б. ТКАЧЕНКО1,
В.В. КОНДРАТЬЕВА1, В.Ф. ПИВОВАРОВ2
На проростках томата сорта Дубок и образца Craigella Tm-1/Tm-1, обладающих высокой урожайностью и повышенной устойчивостью к разным патогенам и абиотическим факторам, а также маркерного образца Мо 605 проводили досветки красным и синим светом в соотношении 1:2, удлиняющие естественный световой день на 17-24 ч (полупроводниковые светодиоды, суммарная интенсивность 95-100 мкмоль,м_2,с-1). Показано, что досветка спектральным светом ускоряла рост и развитие растений, вызывала толерантность к возбудителям грибных болезней Alternaria solani Sor. и Botrytis cinerea Pers. и увеличивала продуктивность всех исследованных генотипов на 20-60 %.
Ключевые слова: фоторегуляция, биотические стрессы, устойчивость, толерантность.
Key words: photoregulation, biotic stresses, resistance, tolerance.
Рекордные урожаи, в 2-6 раз превышающие средние по культуре, свидетельствуют о значительном потенциале сельскохозяйственных растений, который может быть задействован с помощью высокоэффективных агротехнологий (1). Известно, что реализация наследственной информации существенно зависит от внешних факторов и использование резервов контролируемой эпигенетической системой модификационной изменчивости может быть весьма перспективной альтернативой селекции, например при обеспечении вертикальной устойчивости, особенно с учетом частоты мутаций у патогенов, часто опережающей районирование сорта.
Наибольший интерес представляют экологически чистые регуляторные факторы с высокой биологической эффективностью. К таким факторам относится освещенность, качественные и количественные характеристики которой влияют на морфогенез, фототропизм, фототаксис, активность токсинов и фитоалексинов, развитие реакций устойчивости растений на внедрение патогенов (2). Однако перечисленные примеры подразумевают действие в основном ультрафиолетовой части спектра; сведения об эффекте видимого света ограничены. Нам удалось выявить регуляторную роль красного (КС) и синего света (СС) в патогенезе, индуцированном вирусом табачной мозаики (ВТМ) в различных образцах табака и томата (3, 4). Показано, что СС ингибирует споруляцию фитопатогенных грибов, в частности Alternaria spp. и Botrytis spp. (5). S.Z. Islam с соавт. установили, что КС и желтый свет вызывают у растений кормовых бобов (Vicia faba) устойчивость к возбудителю серой плесени B. cinerea Pers. за счет существенного подавления прорастания спор и формирования инфекционных гифов из апрессориев (2). По мнению авторов, эти эффекты спектрального света связаны с накоплением антигрибных веществ.
Известно, что КС (Xmax = 660 нм) и СС (Xmax = 450 нм) — факторы, влияющие на экспрессию гена халконсинтазы, которая является ключевым ферментом флавоноидного метаболизма (6). Флавоноиды, составляющие большую группу полифенольных вторичных метаболитов, играют важную роль в биологических процессах, участвуя в защите растений от биотических и абиотических стрессоров. Входящие в эту группу антоциа-нины придают растениям-хозяевам устойчивость к возбудителям болезней. Так, устойчивость растений картофеля к бактериальной инфекции поло-
118
жительно коррелирует с содержанием антоцианинов (7). У растений капусты Brassica oleraceae в ответ на инфекцию содержание антоцианинов возрастало 3-кратно, что может быть следствием действия механизмов, сигналами активации которых выступают жасмоновая и салициловая кислоты (8). Некоторые авторы связывают роль антоцианинов в защите от биотических стрессоров с их антиоксидантными свойствами (9).
Использование трансгенных технологий позволило установить четкую связь между экспрессией генов флавоноидных метаболических путей и степенью устойчивости растений. Так, из каллуса риса с введенными генами кукурузы — C1 и R (регуляторные) и C2 (структурный ген халкон-синтазы) получены проростки с повышенным содержанием антоцианинов и устойчивостью к возбудителю пирикуляриоза риса (Piricularia oryzae) (10).
Однако активация генов фенилпропаноидного метаболического пути (в том числе халконсинтазы), повышающая устойчивость к биотическим стрессорам, не всегда положительно коррелирует с количеством светозависимых антоцианинов. Например, заражение сорго непатогенным грибом Cochliobolus heterostrophus приводило к усилению синтеза фитоалексинов и снижению содержания светоиндуцируемых антоцианинов в течение 48 ч после инокуляции, то есть спектр метаболитов изменялся (11). Тесная связь гена I, определяющего устойчивость растений фасоли к вирусу желтой мозаики фасоли (ВЖМФ), с геном В, регулирующим синтез хал-консинтазы/халконизомеразы, либо аллельное состоянии этих генов приводит к образованию основного фитоалексина — фасеолина (12).
Поскольку флавоноиды играют важную роль в защите от биотических стрессоров, в современной науке все большее значение приобретают генно-инженерные технологии, позволяющие встраивать структурные или регуляторные гены, блокировать специфические этапы или создавать новые пути метаболизма флавоноидов (13). Однако производство генетически модифицированных растений представляет определенную биологическую опасность из-за слабой прогнозируемости отдаленных последствий использования такого сырья. По нашему мнению, в этой связи более предпочтительно применить подход, основанный на эпигенетической регуляции, то есть реализовать ненаследуемую модификационную изменчивость с помощью регуляторных факторов, обладающих высокой биологической эффективностью, экологической чистотой и низкой энергоемкостью — например, света видимой части спектра, излучаемого полупроводниковыми светодиодами, что позволяет снизить энергопотребление в 20 раз по сравнению с традиционными осветительными приборами.
Цель исследований заключалась в оценке влияния красного и синего света, примененного на ранних этапах развития проростков томата, на последующую чувствительность к грибным болезням на естественном инфекционном фоне, а также в выявлении роли антоцианинов в этом процессе.
Методика. Объектом изучения служили три образца томата Ly-copersicon esculentum Mill. — сорт Дубок селекции Всероссийского НИИ селекции и семеноводства овощных культур (ВНИИССОК, Московская обл.), характеризующийся холодостойкостью, высокой урожайностью и толерантностью к Phytophtora infestans DB, образец Craigella Tm-1/Tm-1, полученный из Всероссийского НИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова (ВИР, г. Санкт-Петербург), несущий гены устойчивости к дикому штамму ВТМ и обладающий повышенной урожайностью, и образец Мо 605 из коллекции маркерных образцов томата (ВНИИИССОК), характеризующийся повышенным накоплением антоцианинов. Семена изучаемых образцов бы-
119
ли получены из генетической коллекции лаборатории молекулярных и га-метных методов селекции ВНИИССОК и высеяны 5 февраля 2008 года. Темновые 5-суточные проростки перенесли в оранжерею с естественным освещением. Дополнительно 15-суточные проростки освещали КС и СС (соотношение 1:2, суммарная интенсивность — 95-100 мкмоль*м-2,с-1). Такое соотношение длин волн в световом потоке было выбрано на основании наших предварительных исследований и работ A.L. Mancinelli с соавт. (14), показавших, что для высокого уровня экспрессии антоцианинов требуется взаимодействие криптохромов — фоторецепторов СС и фитохромов — фоторецепторов КС. Источником спектрального света служила светодиодная панель фирмы «Оптоника» (Россия) (преимущество полупроводниковых светодиодов в том, что они дают узкий диапазон длин волн и практически не нагреваются). Проростки томата досвечивали в климокамере при температуре 22-23 °С в период суток с 1700 до 2400. Таким образом, был создан 16-часовой световой день — оптимальный для проростков томата, причем досвечивание КС и СС дополняло естественное сбалансированное по спектральному составу освещение, необходимое для нормального развития растений. Досвечивание проводили 4 раза до и 14 раз после пикировки. В контроле растения не досвечивали.
Обработанные спектральным светом и стандартные образцы пикировали в горшки, полученную рассаду высаживали в пленочную теплицу. Эксперимент закладывали методом рендомизированных блоков. Комплексную оценку устойчивости к болезням проводили по оптимизированной нами традиционной методике (15) на естественном инфекционном фоне в два срока: 31 июля (в период массового сбора плодов) и 25 сентября (завершение уборки урожая и вегетации). Сроки оценки были приурочены к наибольшей степени проявления заболеваний на естественном инфекционном фоне. Обработку результатов осуществляли методом дисперсионного анализа по известным методикам (16) (пакет прикладных программ Microsoft Excel 2003).
Результаты. Дополнительная обработка спектральным светом 15-суточных проростков способствовала ускорению роста и развития растений (у образцов Дубок и Craigella Tm-1/Tm-1 изменения были значимыми на 1 % уровне, у образца Мо 605 — незначимыми) (табл. 1).
1. Показатели роста и развития проростков разных образцов томата при дополнительной обработке спектральным светом на ранних этапах онтогенеза (пленочная теплица Всероссийского НИИ селекции и семеноводства овощных культур, 2008 год)
Образец Высота, мм Число настоящих листьев, шт. Длина 3-го настоящего листа, мм
К КС + СС| разница К |кс + сС разница к |кс + сС разница
Мо 605 33,75 50,00 + 16,25 3,67 4,12 +0,45 22,70 48,00 +25,30
Дубок 41,80 86,00 +44,20 4,30 5,90 +1,60 49,20 99,00 +49,80
Craigella Tm-
1/Tm-1 32,00 76,80 +44,80 3,60 5,20 +1,60 34,50 76,00 +47,50
НСР01=18,10 НСР01= 0,94 НСР01=23,09
П р и м е ч а н и е. К — контроль (без досвечивания), КС и СС — соответственно красный и си-
ний свет. Представлены значения хср.
В 2008 году в теплицах ВНИИССОК массовое распространение получили фитопатогенные грибы Alternaria solani Sor. и Botrytis cinerea Pers. На устойчивость растений к этим возбудителям оказали влияние как генотип, так и дополнительная обработка спектральным светом. В период массовой уборки урожая у образца Craigella Tm-1/Tm-1 устойчивость растений не изменялась, у сорта Дубок существенно увеличивалась восприимчивость, у образца Мо 605 статистически значимо возросла устойчивость.
120
121
2. Степень поражения растений патогенными грибами у разных форм томата при дополнительной обработке спектральным светом на ранних этапах онтогенеза (пленочная теплица Всероссийского НИИ селекции и семеноводства овощных культур, 2008 год)
Сорт, образец (фактор А) Степень поражения Altemaria solani по вариантам обработки, балл (фактор Б) Степень поражения Botrytis cinerea по вариантам обработки, балл (фактор Б)
К I КС + СС | разность К | КС + СС | разность
С р о к о ц е н к и — 31 и ю л я 2 0 0 8 г о д а (массовая уборка урожая)
Дубок 0,75 1,95 + 1,20 0,40 0 -0,40
Craigella Tm-1/Tm-1 0,30 0,21 -0,09 0 0,10 +0,10
Мо 605 1,50 0,96 -0,54 0,10 0 -0,10
0,85 1,04 НСР05 = 0,57 0,17 0,03 НСР05 = 0,19
НСР05А = 0,40 НСР05А = 0,13
НСР05В = 0,32 НСР05В = 0,11
С р о к о ц е н к и — 25 с е н т я б р я 2 0 0 8 г о д а (окончание вегетации)
Дубок 1,05 3,70 +2,65 1,80 3,00 + 1,20
Craigella Tm-1/Tm-1 2,10 1,70 -0,40 0,60 1,60 +1,00
Мо 605 3,70 1,30 -2,40 2,40 0 -2,40
2,28 2,23 НСР05 = 0,51 1,60 1,50 НСР05 = 0,67
НСР05А = 0,36 НСР05А = 0,47
НСР05В = 0,29 НСР05В = 0,38
П р и м е ч а н и е. То же, что в таблице 1. Представлены значения хСр.
3. Продуктивность растений у разных форм томата при дополнительной обработке спектральным светом на ранних этапах онтогенеза
(пленочная теплица Всероссийского НИИ селекции и семеноводства овощных культур, 2008 год)
Показатель Сорт Дубок Образец Craigella Tm-1/Tm-1 Образец Мо 605 НСРи
К I КС + СС | разность К | КС + СС разность К I КС + СС | разность
Урожай с куста, г 587,50 707,50 + 120,00 1952,78 2558,00 +605,22 1407,50 2303,60 +896,10 505,90
Число плодов с куста, шт. 10,30 10,00 -0,30 56,00 57,50 +1,50 23,40 37,90 +14,50 31,02
Масса плода, г 57,04 70,75 + 13,71 34,87 44,48 +9,61 60,15 60,78 +0,63 11,16
П р и м е ч а н и е. То же, что в таблице 1. Представлены значения хср.
К концу вегетации более четко проявились разнонаправленные реакции у растений сорта Дубок и образца Мо 605, а у Craigella Tm-1/Tm-1 обнаружилось статистически значимое различие между вариантами по фактору световой обработки в пользу опыта (табл. 2).
Неоднозначное влияние досветки на показатели устойчивости к грибам у сорта Дубок и образца Craigella Tm-1/Tm-1 при не вызывающем сомнения увеличении продуктивности свидетельствует, что у этих генотипов досветка КС и СС вызывала проявление толерантности к возбудителям грибных болезней.
По отношению к возбудителю серой плесени Botrytis cinerea Pers. у растений сорта Дубок устойчивость в период массовой уборки урожая существенно возросла, к концу вегетации — значимо снизилась. Это, вероятно, связано со старением растений, причем более ранним именно в варианте с дополнительной световой обработкой. Подобная закономерность отмечалась и у образца Craigella Tm-1/Tm-1 (см. табл. 2).
Образец Мо 605 проявил достоверно большую устойчивость к возбудителю как серой плесени, так и альтернариоза (см. табл. 2). У образца Мо 605 существенное возрастание устойчивости под действием обработки спектральным светом мы связываем с генетически детерминированным повышенным содержанием антоцианинов, которое может быть обусловлено усилением флавоноидного метаболизма. Поскольку ген халконсинтазы регулируется КС и СС, дополнительное облучение растений могло повышать уровень его экспрессии и приводить к активации флавоноидного метаболизма, в том числе этапов, связанных с синтезом фитоалексинов и/или антоцианинов, выполняющих протекторную функцию (7-10).
Световая активация всех процессов роста и развития растений томата приводила к тому, что они раньше проходили фенофазы и вступали в фазу плодоношения, в связи с чем существенно возросла продуктивность в опытных вариантах по сравнению с контролем у всех изученных образцов (табл. 3). У сорта Дубок и образца Craigella Tm-1/Tm-1 повышение происходило в большей степени вследствие увеличения массы одного плода, у мутантного образца Мо 605 — в основном за счет числа плодов на одном растении (см. табл. 3).
Итак, энергосберегающая процедура обработки проростков томата спектральным светом позволила (в пределах модификационной изменчивости) ускорить рост и развитие, вызвать толерантность к грибным патогенам и, как результат, увеличить продуктивность растений.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Ж у ч е н к о А.А. Адаптивное растениеводство. Кишинев, 1990.
2. I s l a m S.Z., H o n d a Y., A r a s e S. Light-induced resistance of Broad bean against Botrutis cinerea. Phytopathology, 1998, 146: 479-485.
3. Ш а т и л о В.И. Спектральлный свет как регулятор устойчивости к ВТМ у представителей рода Nicotiana. Журн. Рос. об-ва фитопатологов, 2003, 4: 51-57.
4. Ш а т и л о В.И. Действие спектрального света на противовирусную устойчивость растений томата с генами ТМ-1 и ТМ-2. Мат. Межд. науч.-практ. конф. «Приоритетные направления в селекции и семеноводстве сельскохозяйственных растений в ХХ! веке». М., 2003: 484-494.
5. S a s a k i T., H o n d a Y., U m e k a w a M. e.a. Control of certain diseases of greenhouse vegetables with ultraviolet-absorbing vinyl film. Plant Dis., 1985, 69(6): 530-533.
6. W a d e H., B i b i k o v a T., V a l e n t i n e W. e.a. Interactions within a network of phytochrome, cryptochrome and UV-B phototransduction pathways regulate chalcone synthase gene expression in Arabidopsis leaf tissue. Plant J., 2001, 25(6): 675-685.
7. L o r e n c - K u k u l a K., J a f r a S., O s z m i a n s k i J. e.a. Ectopic expression of
122
anthocyanin 5-O-glucosyltransferase in potato tuber causes increased resistance to bacteria. J. Agricult. Food Chem., 2005, 53(2): 272-281.
8. S u d h a G., R a v i s h a n k a r G.A. Elicitation of anthocyanin production in callus cultures of Daucus carota and the involvement of methyl jasmonate and salicylic acid. Acta Physiol. Plant., 2003, 25(3): 249-256.
9. K a n g a t h a r a l i n g a m N., P i e r c e M.L., B a y l e s M.B. e.a. Epidermal
anthocyanin production as an indicator of bacterial blight resistance in cotton. Physiol. Mol.
Plant Pathol., 2002, 61(3): 189-195.
10. G a n d i c o v a M., K o c h k o A., C h e n L. e.a. Development of transgenic plants expressing maize anthocyanin genes and increased blast resistance. Mol. Breed., 2001, 7: 73-83.
11. L o S.C.C., N i c k o l s o n R.L. Reduction of light-induced anthocyanin accumulation in inoculated sorghum mesocotyls — implication for a compensatory role in the defense response. Plant Physiol., 1998, 48(6): 1063-1066.
12. B e n i n g e r C.W., H o s f i e l d G.L., B a s s e t t M.J. e.a. Chemical and morphological
expressionof the B and Asp seedcoat genes in Phaseolus vulgaris. J. Am. Soc. Horticult. Sci.,
2000, 125(1): 52-58.
13. B o v y A., S c h i j l e n E., H a l l R.D. Metabolic engineering of flavonoids in tomato (Solanum lycopersicum): the potential for metabolomics. Metabolomics, 2007, 3(3): 399-412.
14. M a n c i n e l l i A.L., R o s s i F., M o r o n i A. Cryptochrome, phytochrome and anthocyanin production. Plant Physiol., 1991, 96: 1079-1085.
15. Методические указания по селекции и семеноводству овощных культур, возделываемых в защищенном грунте (томат, перец). М., 1979.
16. Д о с п е х о в Б.А. Методика полевого опыта. М., 1985.
1Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина РАН, Поступила в редакцию
127276 г. Москва, Ботаническая ул., 4, 27марта 2009 года
e-mail: otkach@postman.ru;
2ГНУ Всероссийский НИИ селекции и семеноводства овощных культур Россельхозакадемии,
143080 Московская обл., Одинцовский р-н, п/о Лесной городок, e-mail: balashova56@mail.ru
FOTOREGULATION OF EPIGENETIC RESISTANCE TO FUNGAL
DISEASES IN TOMATO
V.I. Shatilo1, I.T. Balashova2, N.A. Ursul2, O.B. Tkachenko1,
V.V. Kondrat’eva1, V.F. Pivovarov2
Using semiconductor light-emitting diodes of the total intensity of 95-100 mkmol • m-2 • s-1 the sprouts of tomato (variety Dubok and sample Craigella Tm-1/Tm-1 with high productivity and resistance to different pathogens and abiotic factors, and marker sample Mo 605) were irradiated with red and blue light at a ratio of 1:2, increasing natural daylight time by 17-24 h. The exposition was shown to accelerate the growth and development of plants, to cause tolerance to fungal pathogens (Alternaria solani Sor. and Botrytis cinerea Pers.) and to increased productivity by 20-60 %.
Научные конференции
VIII МЕЖДУНАРОДНЫЙ СИМПОЗИУМ «НОВЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ РАСТЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ»
22-26 июня 2009 года, г. Москва
Организаторы: МСХ РФ, РАСХН, РАН, Общероссийская академия нетрадиционных и редких растений (АНИРР), ВНИИ селекции и семеноводства овощных культур РАСХН, Институт биохимии им. Баха РАН, Российский государственный аграрный университет — МСХА им. К.А. Тимирязева
НАУЧНЫЕ СЕКЦИИ СИМПОЗИУМА:
1. Интродукция растений и перспективы их практического использования.
2. Регуляторы роста, устойчивость к стрессам.
3. Фотобиология, фотосинтетическая и биологическая продуктивность, физиология и биохимия.
4. Генетика, селекция, семеноводство.
5. Агротехника, механизация и проблемы земледелия.
6. Переработка нетрадиционных и лекарственных растений для производства новых лечебнопрофилактических продуктов и пищевых и биологически активных добавок.
E-mail: vniissok@mail.ru
123
