CC BY
5УДК 58.018:58.04
Применение элиситоров для улучшения адаптивности растений в условиях ЭкоКосмоДома
Е.А. Крюков B.C. Заяц И.В. Налетов
ЗАО «Струнные технологии», г. Минск, Беларусь
ГГ
Рассмотрено влияние элиситора, выделенного из трутовика лакированного [Ganoderma lucidum (Curt.)) и использованного в концентрациях! х 10~3 мл/л, 2 х 10~3 мл/л и 3 х Ю 3 мл/л, на рост и развитие томата обыкновенного [Solanum lycopersicum L.) и перца овощного [Capsicum аппиит L.). Элиситор вносился в субстрат путём полива экспериментальных культур раз в две недели. Во время вегетации растений проводились морфологические наблюдения за ними, измерялись их высота и продолжительность периода до наступления фазы цветения.
Ключевые слова:
адаптация растений, перец овощной (Capsicum annuum L], стимуляторы роста,
томат обыкновенный (Solanum lycopersicum L], трутовик лакированный (Ganoderma lucidum [Curt.]],
ЭкоКосмоДом (ЭКД), элиситоры.
UDC 58.018:58.04
The Use of Elicitors to Improve the Adaptability of Plants Under the EcoCosmoHouse Conditions
Y. Krukau V. Zayats I. Naletov
Unitsky String Technologies Inc., Minsk, Belarus
PP
There is a review of the influence of elicitor, obtained from reishi mushroom (Ganoderma lucidum (Curt.)) and used in concentrations of 1 * 10~3 ml/l, 2 x 10~3 ml/l and 3 * 10~3 ml/I, on the growth and development of tomato [Solanum lycopersicum L.) and vegetable pepper [Capsicum annuum L.). Elicitor was introduced into the substrate by irrigating experimental vegetables every two weeks. During the plants growing observation of their morphological structure was performed, as well as their height and the duration of the period before the flowering phase were measured and assessed.
Keywords:
adaptation of plants, EcoCosmoHouse (ECH), elicitors, growth promoters, reishi mushroom (Ganoderma lucidum (Curt.)), tomato (Solanum lycopersicum L.l vegetable pepper (Capsicum annuum L.)
Введение
В замкнутой экосистеме при неправильном культивировании или временном выходе из строя оборудования растения могут столкнуться со многими неблагоприятными факторами, такими как ограниченный доступ к свету и воде, высокий уровень патогенной нагрузки, повышенный риск заражения, засоление. При продолжительной засухе сельскохозяйственные культуры испытывают стресс, влекущий за собой снижение урожайности.
Известно, что применение экзогенных элиситоров приводит к снижению различных нежелательных реакций растений на любое неблагоприятное воздействие, что в свою очередь положительно сказывается на количестве получаемой продукции. Повышение стрессоустой-чивости организмов в замкнутых экосистемах (например, в ЭкоКосмоДоме (ЭКД)) требуется для создания комфортной и безопасной среды, максимально длительное время обеспечивающей жителей ЭКД всем необходимым.
Элиситоры - вещества биогенного и абиогенного происхождения, индуцирующие устойчивость и вызывающие множественные защитные реакции в ответ на неблагоприятные воздействия [1]; вносят весомый вклад в выживаемость и приспосабливаемость растений, помогая формированию химических и физических барьеров и механизмов [2, 3]. Кроме того, они способствуют эффективному использованию ресурсов и получению значительного количества питательных веществ из окружающей среды. Согласно научным исследованиям к биогенным элисито-рам относят белки [4], гликопротеины, олигосахариды [5] и липиды. Данные вещества могут применяться как для обработки семян и почвы, так и для листовой или корневой подкормки. Некоторые элиситоры имеют гормоны, которые стимулируют рост культур и улучшают их физиологическое состояние [6]. Они также содержат питательные вещества (аминокислоты и витамины), которые положительно влияют на растения. При правильном использовании элиситоров можно добиться стабильного роста и более высоких урожаев.
Элиситорами являются вещества как биогенного, так и абиогенного происхождения. К биогенным элисито-рам относятся продукты метаболизма и фрагменты клеточных стенок насекомых, патогенных и непатогенных микроорганизмов, растений. Абиогенные элиситоры предполагают различные способы воздействия: физическое (ультрафиолетовые лучи, магнитные поля, радиационное излучение и др.) или химическое (например, влияние оксидов тяжёлых металлов).
Среди биогенных элиситоров выделяют консервативные молекулярные лиганды неспецифических элиситоров (MAMPs), характерные для патогенов, но отсутствующие в растительной клетке. Они распознаются ею как чужеродные и индуцируют запуск первичного иммунного ответа (PTI) не только у культур, подверженных данному патогену, но и у множества других видов. Трансмембранные паттерн-распознающие рецепторы (PRRs) обуславливают запуск неспецифических механизмов физиологического ответа. Взаимодействие PRRs растений с MAMPs гриба (различные белки, ксиланаза, полимер N-ацетил-О-глюкозамин и др.) ведёт к активации PTI (рисунок 1).
В ответ на контакт с MAMPs происходит повышение концентрации ионов Саг+, а также выделение активных форм кислорода (АФК), азота, выработка фитоалексинов. Кроме того, активируются транскрипционные факторы, наблюдается продуцирование хитиназы, глюканазы, этилена, жасмоновой и салициловой кислот, а также образование ауксиновых, цитокининовых и гиббереллиновых форм [7].
Эволюционное развитие патогенов позволило им сформировать тактику обхода защиты PTI. Такой эффект достигается путём возникновения мутаций в генах, которые обеспечивают патогенам нераспознаваемость PRRs, или ингибированием активности рецепторов. Второй блокадой защиты культур, образовавшейся в ходе коэволюции с патогенами, является специфический иммунитет (ETI), обусловленный взаимодействием R-генов (генов растения) с эффекторами Avr-генов (генов патогена) [8,9]. Результат R/Avr-взаимодействия - реакция сверхчувствительности, которая в большинстве случаев приводит к продуцированию клетками фитоалексинов, что влечёт за собой гибель заражённых клеток (рисунок 2). Гибель клеток сопровождается быстрым образованием барьера из перидермы, что подавляет рост и развитие паразитических организмов и останавливает их распространение [10,11].
Процессы, индуцируемые PTI и ETI, отличаются концентрацией синтезируемых гормонов, скоростью иммунного ответа, сигнальными путями. Конечным результатом ETI является отбор высокоспецифичных R-белков, быстро подавляющих развитие болезни [12,13].
В отделе биотехнологий ЗАО «Струнные технологии» (г. Минск, Беларусь) выполнены работы по изучению эли-ситорного действия препаратов, созданных на основе сапрофитного гриба - трутовика лакированного (Ganoderma lucidum (Curt.)). Его вытяжка получена путём экстракции раствором щёлочи при нагревании. После проведены очистка и разбавление водой до образования 0,1-процентного рабочего раствора.
Цель исследования - анализ влияния данного препарата на формирование системной устойчивости к патогенам у перца овощного [Capsicum аппиит L.) и томата обыкновенного [Solanum lycopersicum L.) исходя из их хозяйственной ценности и повседневного использования в питании человека.
Материалы исследования и ход работы
В качестве объекта исследования выступили листья 14-дневных растений, у которых листовая платина уже достигла конечного размера, а биохимические параметры позволяли изучать необходимые для эксперимента процессы.
Посев семян осуществлялся в кассеты, наполненные универсальным почвогрунтом, в которых опытные образцы доращивались до стадии ветвления (высота 5-7 см). Уже сформированные молодые растения перца и томата переносились в отдельные ёмкости.
Опираясь на результаты исследований [10,13], в эксперименте применяли три различные концентрации элиситора (1 х ю-3 мл/л, 2 х Ю~3 мл/л, 3 х 10~3 мл/л], которые вносились в субстрат путём полива раз в две недели (рисунок 3].
•MMMMMM«!
i
MAMPs
tf 1 I
«HtMMMtHMUillfiMMMMI
(PRRs)
IMtMMMMMMMM*
I
Вторичные посредники \
Формирование локальной и системной устойчивости
PR-белки АФК
Фитоалексины Лигнин
Тионины Салициловая кислота
Дефензины Жасмоновая кислота
Образование перидермального барьера
Рисунок 2 - Упрощённая схема протекания реакции сверхчувствительности
о°о
Таблица 1 - Прирост томата обыкновенного, выращиваемого на твёрдом субстрате под влиянием грибного элиситора
Рисунок 3 - Схема постановки эксперимента по воздействию элиситора в разных концентрациях на ростовые и физиологические показатели растений, культивируемых на твёрдом субстрате
В качестве действующего вещества использован экзогенный элиситор, полученный методом экстракции из трутовика лакированного.
Затем растения перенесли в камеру роста, характеризующуюся следующими климатическими параметрами: температура 25 °С, интенсивность освещения 6000 лк, 14-часовой фотопериод. Питательная среда добавлялась по мере необходимости во все варианты эксперимента. В течение 40 дней измерялась высота опытных образцов.
Помимо этого, проверялась устойчивость растений к заболеваниям, вызываемым несовершенными грибами: у томата - к альтернариозу и фомозу, у перца - ан-тракнозу и церкоспорозу. Заражение проводилось путём опрыскивания здоровых культур водной грибной вытяжкой, полученной в результате смыва с заражённых растений.
Результаты исследования
Томат обыкновенный [Solanum lycopersicum L.)
В таблице 1 представлены результаты измерений высоты двух образцов в первые 40 дней роста томата обыкновенного, выращиваемого на твёрдом субстрате под влиянием грибного элиситора. Исследования велись до фазы цветения.
Объект измерения Прирост, %
Контрольный вариант
Образец №1 1415,38
Образец №2 1175
Средний показатель 1295,19
3 х 1Q-3 мл/л
Образец №1 1088,89
Образец №2 1583,33
Средний показатель 1336,11
2 х 1Q-3 мл/л
Образец №1 1314,29
Образец №2 1000
Средний показатель 1157,15
1 х ю-3 мл/л
Образец №1 1077,78
Образец №2 1450
Средний показатель 1263,89
Согласно [10] рассматриваемый элиситор является стимулятором роста, основной параметр его эффективности -скорость прироста. При использовании элиситора в концентрации 3 х Ю~3 мл/л зафиксирована средняя скорость прироста 2,05 см/сут, что на 11,8 % больше контрольного показателя; для концентрации 2 х ю-3 мл/л - 1,87 см/сут (больше на 2 %); для концентрации 1 х Ю-3 мл/л -1,96 см/сут (больше на 7 %).
Самое существенное влияние на итоговую скорость роста оказала концентрация 3 х Ю~3 мл/л, при которой средняя скорость прироста больше на 6 % по отношению к контрольному варианту (рисунок 4]. При этом наблюдается повышенная индукция роста на начальных периодах развития растения при добавлении элиситора (рисунок 5].
Максимальная скорость прироста отмечена при концентрации 3 х Ю~3 мл/л в середине вегетации (2,8 см/сут]. Такое изменение может быть связано с увеличением под действием внесённых соединений синтеза первичных и вторичных метаболитов.
Первое цветение томата обыкновенного зафиксировано на 40-е сутки после посадки. Количество цветков составило в среднем 5-8 шт.
Рисунок 4 - Томат обыкновенный, выращенный на твёрдой среде с добавлением грибного элиситора: а - контрольный вариант; б - в концентрации 3 х ю~3 мл/л; в - в концентрации 2 х ю-3 мл/л; г - в концентрации 1 х ю~3 мл/л
ГО ГО ГО ГО ГО ГО Г-О ГО ГО ГО ГО
СЧ1СЧ1СЧ1СЧ1СЧ1СЧ1СЧ1СЧ1СЧ1СЧ1СЧ1 . - - - . - . - . - . - - - . -ООООООООООООООООООО C4JC4JC4JC4JC4JC4JC4JC4JC4JC4JC4JC4JC4JC4JC4JC4JC^ Сч] Сч] Сч] Сч] ГО ГО ГО ГО ГО ГО ГО ГО ГО ГО ГО ГО ГО ГО ГО ООООООООООООООООООО
C4J СО СО C4i
СЧ1 СЧ1 СЧ1 СЧ1 О
О OJ
— Контрольный вариант 2хЮ~3мл/л ЗхЮ-3мл/л 1 х ю~3 мл/л
Рисунок 5 - График скорости прироста томата обыкновенного под влиянием грибного элиситора, использованного в трёх концентрациях, по сравнению с контрольным вариантом
Под влиянием грибного элиситора в концентрациях 1 х ю-3 мл/л и 2 х Ю-3 мл/л растения успешно сформировали завязь. Цветки томатов в этих вариантах обладали увеличенной механической тканью, что способствует лучшему плодоношению и снижает риск срыва плода до его созревания. Усиление концентрации не привело к повышению механической ткани в плодоножках (цветоножках).
При индуцируемом заражении томата обыкновенного водной вытяжкой возбудителей альтернариоза и фомоза контрольный вариант подвергся наибольшему воздействию грибов, что выражалось в обширной пятнистости листьев и дальнейшем увеличении диаметра пятен. На растениях, обработанных элиситором в концентрациях 2 х Ю~3 мл/л и 1 х ю 3 мл/л, проявление патогенной нагрузки было заметно в меньшей степени. Пятнистость оказалась локальной, не распространяющейся по всему образцу, уже появившиеся пятна не расширялись. При использовании препарата в концентрации 3 х ю-3 мл/л заражения не наблюдалось, что говорит о более полной индукции защитного генетического потенциала растений.
Перец овощной [Capsicum аппиит L.)
В таблице 2 представлены результаты измерений высоты двух образцов перца овощного, выращиваемого на твёрдом субстрате под влиянием грибного элиситора, в течение 40 дней до наступления фазы цветения.
Таблица 2 - Прирост перца овощного, выращиваемого на твёрдом субстрате под влиянием грибного элиситора
Объект измерения Прирост, %
Контрольный вариант
Образец №1 557,14
Образец №2 616,67
Средний показатель 586,91
3 х ю-3 мл/л
Образец №1 550
Образец №2 650
Средний показатель 600
2 х ю-3 мл/л
Образец №1 650
Образец №2 542,86
Средний показатель 596,43
1 хЮ-3 мл/л
Образец №1 542,86
Образец №2 608,33
Средний показатель 575,6
Наибольший показатель среднего прироста (600 %) за весь период вегетации отмечался при использовании
грибного элиситора в концентрации 3 * 10~5 мл/л. Для объективной оценки фиксировалась также скорость прироста в сутки (рисунок 6).
— Контрольный вариант 2хЮ~3мл/л 3 х 1[г3 мл/л 1 х 1 о-3 мл/л
Рисунок 7 - Перец овощной, выращенный на твёрдой среде
с добавлением грибного элиситора: а - контрольный вариант; б - в концентрации 3 х ю-3 мл/л; - в концентрации 2 х ю-3 мл/л; г - в концентрации 1 х ю-3 мл/л
Рисунок 6 - График скорости прироста перца овощного под влиянием элиситора, использованного в трёх концентрациях, по сравнению с контрольным образцом
Скорость прироста на 40-й день опыта в варианте с использованием элиситора в концентрации 3 * 10~5 мл/л составила 1,13 см/сут, что на 19,8 % больше контрольного показателя; для концентрации 2 х ю-3 мл/л -1,23 см/сут (больше на 27,4 %); для концентрации 1 х Ю~3 мл/л наивысшее значение наблюдалось 12.02.2023 и составило 0,72 см/сут, что на 55 % больше по сравнению с контрольным вариантом (рисунок 6). Самый значительный прирост связан с активацией генов синтеза первичных и вторичных метаболитов в ответ на действие элиситора. На 68-е сутки экспериментальные образцы перца овощного достигли размера своего физиологического сортового максимума примерно на одном уровне (рисунок 7).
Таким образом, средняя скорость прироста в варианте с концентрацией 1 х ю-3 мл/л больше на 3,3 % по сравнению с контрольным образцом, при концентрации 2 х ю-3 -на 10,3 %, при концентрации 3 х Ю3 - на 8,6 %.
Появление бутонов отмечалось во всех вариантах перца овощного через 25-27 дней после пересадки в экспериментальные ёмкости. Цветение происходило неравномерно, на 20-22-й день после появления бутонов. Количество цветков варьировалось от 30 (при концентрации 3 х ю-3 мл/л) до 56 шт. (при концентрации 1 х Ю~3 мл/л).
Каждое растение успешно сформировало одну - две завязи. Наибольшее их количество (6 шт.) замечено при концентрации 1 х ю-3 мл/л.
Если оценивать способность противостоять грибковым поражениям (антракноз и церкоспороз), то при всех концентрациях элиситора по сравнению с контрольным вариантом наблюдалось уменьшение очагов грибковых инфекций (на 10-15 %).
Опираясь на достигнутые результаты, можно судить о повышении ежесуточного прироста культур, которые обработаны элиситором, полученным из трутовика лакированного. Можно также утверждать, что влияние грибного элиситора на формирование завязей у перца овощного будет положительным.
Заключение
В ответ на внесение грибного элиситора томат обыкновенный и перец овощной запускают защитные механизмы, провоцирующие синтез гиббереллиновых форм фито-гормона, о чём свидетельствует частичное раннее цветение, наблюдаемое у разных вариантов эксперимента по отношению к контрольному образцу. Это может способствовать сокращению сроков созревания плодов на 15 %.
Элиситор, полученный из трутовика лакированного, защищает томат обыкновенный от альтернариоза и фо-моза. Так, во время эксперимента контрольные растения поражались фомозными грибами, что приводило к увяданию листьев и появлению на них пятнышек; при индуцированном заражении в вариантах с использованием элиситора в разных концентрациях фомоз не развивался, такой же эффект наблюдался и при заражении альтернариозом.
Следовательно, выделенный грибной элиситор можно рассматривать в качестве средства биологической защиты от патогенной нагрузки фомоза и альтернариоза томата, антракноза и церкоспороза перца.
Использование изучаемых концентраций грибного элиситора увеличивало ежесуточный прирост культур по сравнению с контрольным вариантом.
Полученные данные объясняются тем, что неспецифические элиситоры могут играть ведущую роль в индукции иммунного потенциала. В результате возможного образования этилена, жасмоновой и салициловой кислот, а также ауксиновых, цитокининовых и гиббереллиновых форм в ответ на взаимодействие с элиситором растению дан стимул для сопротивления неблагоприятным факторам за счёт своего природного генного потенциала.
В дальнейшей работе планируется провести анализ качества плодов (в том числе проверить концентрацию нитратов), а также установить их размер, массу 1000 семян; изучить содержание сухого вещества, водорастворимых углеводов, витамина С в собранном урожае. Это минимальный набор действий, который помогает оценить качество продукции. Вместе с тем необходимо определить жизнеспособность семян и рассмотреть индукцию иммунитета томата обыкновенного и перца овощного под влиянием элиситоров.
Элиситоры могут активно применяться в условиях замкнутой экосистемы для стимуляции роста и развития культур, а также для защиты от грибковых поражений. Элиситор, выделенный из трутовика лакированного, можно получить в условиях ЭКД при выращивании данного гриба на вторичных растительных субстратах [12].
Список основных источников
1. Баранова, £ Н. Проблемы и перспективы генно-инженер-ного подхода в решении вопросов устойчивости растений к засолению (обзор)/E.H. Баранова, A.A. Гулевич // Сельскохозяйственная биология. - 2006. -№1- С. 39-56.
2. Белова, Т.А. Физиологические основы адаптации растений к воздействию солевого стресса / ТА Белова, A.C. Кравченко //Auditorium. - 2018. - № 1 (17). - С. 1-7.
3. Полевой, В.В. Физиология растений: учеб. для биол. спец. вузов/В.В. Полевой. - М.: Высш. шк, 1989. - 464 с.
4. Nürnberger, Т. Fungal Peptide Elicitors: Signals Mediating Pathogen Recognition in Plants/ T. Nürnberger, D. Nenn-stiel//Zeitschrift für Naturforschung С. - 1998. - Vol. 53, iss. 3-4. - P. 141-150.
5. The Regulatory Mechanism of Fungal Eiicitor-lnduced Secondary Metabolite Biosynthesis in Medical Plants / X. Zhai [et a!.)// Critical Reviews in Microbiology. - 2017. -Vol. 43, iss. 2. - P. 238-261.
6. Дьяков, Ю.Т. Грибные элиситоры/Ю.Т. Дьяков//Биотические связи грибов: мосты между царствами: материалы VII все рос. миколог, шк-конф. с между нар. участием, Звенигород, 2-8 авг. 2015 г./Моск. гос. ун-т им. М.В. Ломоносова, Звенигород, биол. ст. им. С.Н. Скадовского. -М.: ЗБС МГУ 2015. - С. 18-38.
I. Gómez-Gómez, L. FLS2: An LRR Receptor-Like Kinase Involved in the Perception of the Bacterial Elicitor Flagellin in Arabidopsis / L. Gómez-Gómez, Т. Boiler // Molecular Cell. -2000. - Vol. 5, iss. 6.-P. 1003-1011.
8. Regulation and Role of Fungal Secondary Metabolites / J. Macheleidt [et al.) //Annual Review of Genetics.-2016. -Vol. 50. - P. 371-392.
9. Patkar, R.N. Fungal Manipulation of Hormone-Regulated Plant Defense/R.N. Patkar, N.I. Naqvi//PLOS Pathogens. -2017. - Vol. 13, No. 6. - 1006334.
10. Заяц, B.C. Протекторная способность экзогенных элиситоров из Ganoderma lucidum при индукции солевого стресса у кресс-салата / B.C. Заяц, И.В. Налетов, ЕЛ. Крюков // Настоящее и будущее биотехнологии растений: материалы междунар. науч. конф., Минск, 24-26 мая 2023 г. / НАН Беларуси, Центр, ботан. сад, Совет ботан. садов стран СНГ при МААН; ред. ВН. Решетников [и др.). - Минск: И ВЦ Минфина, 2023. - С. 75.
II. Ассоциация агрономически ценных микроорганизмов для улучшения плодородия земель /B.C. Заяц [и др.)// Микробные биотехнологии: фундаментальные и прикладные аспекты: материалы XIII междунар. конф., Минск, 6-9 июня 2023 г. / НАН Беларуси. - Минск: Беларус. навука, 2023. - С. 266-267.
12. Буглак, П.А. Выращивание мицелия базидиальных грибов на органических субстратах в условиях замкнутой экосистемы / П. А. Буглак, B.C. Заяц, И.В. Налетов//Безракетная индустриализация ближнего космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы Vмеждунар. науч.-техн. конф., Марьина Гща, 23-24 сент. 2022 г. / ООО «Астроинженер-ные технологии», ЗАО «Струнные технологии»; под общ. ред. А.Э. Юницкого. - Минск: СтройМедиаПроект, 2023. -С. 242-249.
13. Patel, Н. Elicitors in Plant Tissue Culture/Н. Patel, R. Krishna-murthy//Journal of Pharmacognosy and Phytochemistry. -2013. - Vol. 2 iss. 2. - P 60-65.
