Особливості патогенезу за ураження бульб Solanum Tuberosum L. збудниками хвороб за застосування мікробіологічних препаратів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Особливості патогенезу за ураження бульб Solanum Tuberosum L. збудниками хвороб за застосування мікробіологічних препаратів

Картопля (Solanum tuberosum L.) належить до найважливіших продовольчих та технічних сільськогосподарських культур [1, 2]. Отриманню високих і стабільних урожаїв якісних бульб останніми роками перешкоджає значне поширення хвороб бактеріальної та мікозно-бактеріальної природи під час її зберігання [3]. Спільна дія на рослину фітопатогенів спричиняє значні патологічні зміни. У разі пошкодження тканин і проникнення фітопатоге- нів активуються певні захисні механізми, що забезпечують обмеження їх поширення [4-7]. Змінюються метаболічні процеси, у т.ч. і біосинтез фенольних сполук, що, як відомо, беруть участь у захисті клітин як від проникнення патогенів, так і від дії їх метаболітів [4, 8-10].

Сучасні тенденції захисту рослин спрямовано на розробку екологічно безпечних методів регулювання розвитку чисельності збудників хвороб [4, 5]. Для підвищення продуктивності і стійкості сільськогосподарських культур у екологічно збалансованому землеробстві перспективним є використання біологічних препаратів на основі асоціативних мікроорганізмів, таких як PGPB (Plant Growth Promoting Bacteria), здатних стимулювати ріст рослин [4, 5, 8]. Теоретичним обґрунтуванням використання бактерій групи PGPB є їх значна питома вага у складі мікрофлори ризосфери рослин, антагонізм до широкого кола патогенів, синтез фізіологічно активних речовин, що визначають корисність їх дії, довготривала ефективність, що зберігається і після завершення вегетації, невелика цільова концентрація. Індукована системна резистентності супроводжується зміцненням клітинної стінки, змінами в перебігу деяких фізіологічних процесів, синтезом захисних метаболітів, спрямованих проти дії патогенів [4, 5, 7, 11].

За останнє десятиліття вченими виявлено і виділено нові метаболіти бактерій роду Pseudomonas, що мають фунгіцидну активність, такі як фуранони, аеругін, мер- капто-4-формілкарбостірил тощо, що пев- ною мірою обумовлено залученням нових фізико-хімічних методів аналізу [7, 11]. Висока екологічна пластичність штамів мі- кробів-антагоністів зумовлюється швидкістю розмноження їх популяцій і колонізацією нових місць існування, адаптаційними можливостями і конкурентоспроможністю в мікробіоценозах рослин, що відіграє важливу роль у реалізації механізму антагоністичної активності [5].

Відомо, що значну роль у реакціях рослин на зараження фітопатогенами відіграють окислювально-відновні процеси, зокрема реакції, що протікають за участю кисневих радикалів [9]. Утворення активних форм кисню (АФК) - синглетного кисню, супероксид-радикала (О-), гідроксил- радикала (ОН^-) і перекису водню (Н₂О₂), т.зв. «окислювального вибуху», є однією з ранніх відповідей на стресовий вплив [6]. АФК мають високу реакційну здатність, можуть пригнічувати активність ферментів, спричиняти зміни нуклеїнових кислот, деградацію білків, змінювати проникність мембран, що своєю чергою зумовлює перекисне окислення ліпідів. У клітинах існує динамічне зрівноваження між утворенням АФК і їх нейтралізацією, що відбувається за допомогою багатокомпонентної системи антиоксидантного захисту (АОС) і складається з низько- і високомолекулярних компонентів [2]. Найважливішими високо- молекулярними антиоксидантами рослин, що безпосередньо знешкоджують АФК, є супероксиддисмутаза (СОД), пероксидаза (ПО), каталаза (КАТ) і поліфенолоксидаза (ПФО) [4, 6, 9]. Ферменти-антиоксидан- ти, що забезпечують комплексний захист біополімерів від АФК, розміщуються в різних клітинних компартментах, мають різну субстратну специфічність і спорідненість до активних форм кисню [6].

Еволюційна мінливість і пластичність збудників хвороб ускладнюють дослідження процесів патогенезу та стійкості рослин, тому метою наших досліджень було вивчення пролонгованої імуности- мулювальної активності сучасних мікробіологічних препаратів на поствегетаційне збереження захисного потенціалу бульб картоплі.

МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Як об'єкти досліджень використовували бульби картоплі, яку вирощували за застосування мікробіологічних препаратів в умовах Полісся (Інститут картоплярства НААН) і зберігали у сховищі з активним вентилюванням упродовж 2009-2013 рр. згідно з методичними рекомендаціями [2]. Досліджували відносно стійкий до хвороб ранньостиглий сорт Скарбниця і відносно сприйнятливий середньоранній сорт Оберіг. Використовували біопрепарат Планриз (на основі бактерій Pseudomonas fluorescence АР-33, 2 л/га), як біологічний контроль - Фітоцид (біопрепарат на основі Bacillus subtilis, 1 л/га), як хімічний - Ровраль Аквафло. Препаратами обробляли бульби перед садінням, пізніше - рослини в період бутонізації та бульби перед закладанням на зберігання. Для досліджень особливостей патогенезу через 4,5 місяця зберігання було відібрано середню пробу бульб. Інокуляцію тканин проводили збудниками фузаріозної сухої гнилі Fusarium sambucinum Fuck. (телеоморфа - Gibberellapulicaris (Fr.) Sacc.) та бактеріальної мокрої гнилі Pectobacterium carotovorum subsp. carotovorum (Pcc; синонім - Erwinia carotovora subsp. carotovora) за загальноприйнятими у фітопатології методиками [2, 12]. Активність поліфенолоксидази (ПФО, К.Ф.1.14.18.1) визначали на 4-5 добу після зараження, за А.Н. Бояркіним [13]. Повторність досліду - 3-5-кратна. Структурно-функціональні перебудови у тканинах бульб вивчали методами світлової мікроскопії. Анатомо-гіс- тологічні дослідження тканин проводили на постійних мікропрепаратах товщиною 10-12 мкм за стандартними протоколами, із використанням мікроскопа AxioScope A-1 Carl Zeiss. Рослинний матеріал фіксували розчином Чемберлена [14]. Зразки зневоднювали і просочували парафіном. Зрізи виготовляли на санному мікротомі. Для визначення локалізації полісахаридів використовували реакцію ШІК [14], відкладення суберину виявляли за допомогою барвника судан ІІІ, морфометричні показники тканин визначали у 10-кратній повторності. Отримані результати обробляли статистично з використанням програм Microsoft Office Exel.

РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ

Проведені польові дослідження засвідчили, що у рослин картоплі, оброблених упродовж трьох років біопрепаратами Фітоцид та Планриз, основою яких є бактерії групи PGPB родів Pseudomonas та Bacillus, підвищувалась стійкість бульб до фітопатогенів у період вегетації та під час їх зберігання, до того ж ураження збудниками хвороб зменшилось в 1,6-2,8 раза [1].

Це пояснюється тим, що бактерії, які стимулюють ріст рослин, продукують антибіотичні сполуки пептидної та низькомолекулярної природи, різноманітні сидерофори та хелатори, що здатні підсилити засвоюваність рослинами макро- та мікроелементів, у т.ч. кальцію, заліза, змінюють стан фосфору з нерозчинного в розчинний, а також підсилюють здатність інших азотфіксуючих бактерій трансформувати атмосферний азот, активізують ферменти, які руйнують клітинні стінки патогенів (хітінази, р-1,3- глюканази), а також їх токсини, регулятори росту рослин та різні сигнальні молекули (ауксини, гібереліни, цитокініни, аб- сцизову кислоту, саліцилати, жасмонати), або, навпаки, ізолюють токсичні органічні речовини, що виробляються патогенними мікроорганізмами [5, 7, 8, 11].

Іншим позитивним аспектом впливу є індукування резистентності рослин до фітопатогенів. Так, спостерігається посилення лігніфіка- ції тканини кореня і підвищення вмісту фітоалексинів у стеблі рослини. За ураження тканин рослин фітопатогенами в їх клітинах збільшується вміст поліфенолів і, відповідно, поліфенолоксидази - ферменту класу оксидоредуктаз, що каталізує окислення о-дифенолу, а також моно-, три- і поліфенолів з утворенням відповідних хінонів.

Вважається, що цей процес є одним із способів знешкодження токсичних продуктів обміну. Крім того, окислені феноли є токсичними для клітин патогенів; беруть участь в інактивації екзоферментів, синтезі фітоалексинів, утворенні лігніну, суберину і генеруванні АФК [6, 8, 10].

У наших дослідженнях за штучного ураження тканин бульб збудниками Fusarium sambucinum та Pectobacterium caroto- vorum активність ПФО зростала у 1,5-1,8 раза. Висока активність ПФО у рослинах свідчить про можливість швидкої репарації пошкоджених патогенами тканин. Найбільша активність ферменту спостерігалась за застосування біопрепарату Фітоцид (0,713-0,981 порівняно з 0,5210,713 ум.од./г інших препаратів). За застосування хімічного фунгіциду Ровраль Аквафло зміни активності ферменту були невисокими.

У сортів, що відрізнялись за стійкістю до фітопатогенів, зміни активності ПФО мали різні особливості (таблиця). ПФО значно активізувалась (на 50,2-59,1%) за інокуляції патогенів у бульб відносно стійкого сорту Скарбниця порівняно з відносно сприйнятливим сортом Оберіг (29,8-39,7%). Активність ПФО у сорту Скарбниця на контролі становила 0,498 порівняно з 0,264 ум.од./г у сорту Оберіг за інокуляції Fusarium sambucinum та відповідно 0,531 порівняно з 0,313 ум.од./г за інокуляції Pectobacterium carotovorum.

Дослідження якісного та кількісного складу фенольних сполук у природній перидермі бульб картоплі, оброблених культуральною рідиною бактерій-антагоністів роду Bacillus, у процесі зберігання засвідчили, що обробка бульб не лише змінювала природну динаміку накопичення фенольних сполук, властиву необробленим бульбам, але й сприяла активації їх біосинтезу (а саме, хлорогенової та кавової кислот), що, на думку авторів, обумовлено наявністю індукторів захисних реакцій серед метаболітів антагоністів або здатністю метаболітів інгібувати ферменти, які каталізують перетворення фенолкарбонових кислот [8, 10].

Відомо, що розвиток Pectobacterium carotovorum під час зберігання картоплі зумовлено продукуванням та секрецією фі- топатогенами набору екзоферментів, що деполімеризують клітинну стінку рослин, насамперед пектатліаз, пектінметилесте- раз, полігалактуроназ та целюлаз, що спричиняють мацерацію тканин [3].

Вважається, що бактерії Рсс не інфікують здорові бульби картоплі, а природним шляхом проникнення цього патогену до бульб є механічне пошкодження його поверхні (збудниками хвороб, шкідниками, під час збирання та транспортування врожаю) [3].

Вплив мікробіологічних препаратів на активність поліфенолоксидази у тканинах бульб картоплі за штучного зараження патогенами, ум.од./г тканини

Рис. 1. Стан клітин навколо провідного пучка у паренхімі бульб (х400): а -- здорової бульби (А -- провідний пучок); б -- за локалізації полісахаридів

Рослини реагують на поранення тканин і на проникнення патогенів активацією певних захисних механізмів, що забезпечує обмеження їх поширення.

Дослідження особливостей перебігу процесу патогенезу Pectobacterium carotovorum проводили на ранніх стадіях (12 доби) у бульб картоплі відносно стійкого середньораннього сорту Скарбниця. З літературних джерел відомо, що основними шляхами поширення хвороб у рослинному організмі є провідні пучки тканин.

На рисунку 1-а зображено провідний пучок здорової паренхімної тканини, насиченої зернами крохмалю нормального розміру. Крохмальні зерна мають у стромі утворювальний центр, навколо якого відкладається крохмаль. Під час поширення хвороби відбувалось розщеплення запасених сполук (на разі - крохмалю) у паренхімній тканині зони провідного пучка, а сам провідний пучок помітно змінювався, оскільки збудник поширювався рослинним організмом саме через провідну і дихальну систему (рис. 1-б). Фіксація процесу відбувалася на його початковому етапі, тому активного руйнування клітин протеолітичними ферментами не спостерігалось.

Крім крохмалю, якого у клітинах бульб картоплі міститься значна кількість, в провідному пучку виявлено лігнін, суберин, феноли та інші білково-ліпідні комплекси, що утворюються клітинами рослин на противагу процесам патогенезу. У клітинах, розміщених поруч з провідним пучком, були відсутні зерна крохмалю, що свідчить про розщеплення і перетворення їх на інші сполуки (рис. 2-а).

Відомо, що до захисних реакцій рослин у разі патогенезу, поранень і дії інших стресових чинників відносять активацію ферментів, які беруть участь в модифікації клітинної стінки рослин - пероксидази і поліфенолоксидази; у процесі окислення фенольних сполук з утворенням лігніну і суберину та зв'язування із структурними білками клітинної стінки відбувається її зміцнення [4, 5]. Нами було відзначене потовщення клітинних стінок провідного пучка. Рослинні клітини внаслідок дії суберину потовщують клітинні стінки провідних пучків, що є своєрідним бар'єром, який не дає збуднику поширюватись (рис. 2-б). Згідно з літературними джерелами, швидкість утворення цих тканинних бар'єрів залежить від різноманітних чинників, наприклад, структурно-хімічних особливостей фенолів, активності поліфенол- оксидаз тощо [10]. У клітинах паренхіми накопичення суберину не відбувалося (рис. 3).

ВИСНОВКИ

картопля фітоцид планриз імуностимулювальний

Метаболіти бактерій гру пи PGPB родів Pseudomonas та Bacillus, які є основою біопрепаратів Планриз та Фітоцид, виявили імуномоделюючу активність та пролонговану дію в онтогенезі Solanum tuberosum L. Обробка препаратами бульб перед посадкою, рослин під час вегетації та восени підвищувало їх резистентність до фіто- патогенів та покращувало загальний стан бульб картоплі під час їх зберігання.

За ураження бульб картоплі збудниками Fusarium sambucinum та Pectobacterium carotovorum активність ПФО у запасних тканинах значно зростала. Обробка бульб біопрепаратами підвищувала активність ферменту у запасних тканинах у 1,5 та 1,8 раза відповідно. Посилення окислювальних процесів сприяло розвитку індукованої стійкості на тканинному рівні, ознаками якої були потовщення вторинних клітинних стінок, а також інтенсивне відкладення лігніну та суберину в паренхімі, проксимально розташованій навколо провідних пучків, якими поширювалась бактеріальна інф екція (Pectobacterium caroto- vorum).

Результати досліджень підтверджують доцільність використання біопрепаратів Фітоцид та Планриз в агрофітоценозах картоплі для підвищення продуктивності і стійкості культури в екологічно збалансованому землеробстві. У подальшому планується продовжити вивчення індукованої стійкості рослин Solanum tuberosum проти збудників хвороб за застосування мікробіологічних препаратів

ЛІТЕРАТУРА

1.Колтунов В.А. Збереженість і продуктивність картоплі (Solanum tuberosum L.) залежно від обробки хімічними і біологічними препаратами / В.А. Колтунов, Т.В. Данілкова, В.В. Бородай // Вісник Львівського національного аграрного університету. - 2013. - № 17 (2). - С. 311-318. - (Серія: Агрономія).

2.Методичні рекомендації щодо проведення досліджень з картоплею / [В.С. Куценко, А.А. Осипчук, А.А. Подгаєцький та ін.]. - Немішаєве, 2002. - 182 с.

3.Фітопатогенні бактерії. Бактеріальні хвороби рослин: [монографія]. - Т. 1 / Р.І. Гвоздяк, Л.А. Пасічник, Л.М. Яковлева [та ін.]; за ред. В. П. Патики. - К. : Інтерсервіс, 2011. - 444 с.

4.Тарчевский И.А. Сигнальные системы растений / И.А. Тарчевский. - М.: Наука, 2002. - 294 с.

5.Тютерев С.Л. Научные основы индуцированной болезнеустойчивости растений / С.Л. Тютерев. - СПб.: ООО «Инновационный центр защиты растений» ВИЗР, 2002. - 328 с.

6.Mayer АЖ. Polyphenol oxidases in plants and fungi: going places? A review / A.M. Mayer // Phytochemistry. - 2006.- Vol. 67.- P. 2318-2331.

7.Biological control of the potato dry rot caused by Fusarium species using PGPR strains / K. Recep, S.Fikrettin, D. Erkol, E. Cafer // Biological Control. - 2009. - Vol. 50, no. 2. - P. 194-198.

8. Кипрушкина Е.И. Динамика содержания фенольных соединений при хранении клубней картофеля, обработанных биопрепаратами / Е.И. Кипрушкина, В.С. Колодязная // Процессы и аппараты пищевых производств. - 2013. - № 1. - С. 19-25.

9.Индукторы устойчивости растений и активные формы кислорода / Н.Б. Трошина, Л.Г. Яруллина, О.Б. Сурина, И.В. Максимов // Цитология. - 2006. - Вып. 4. - С. 338-342.

9. Активность пероксидазы и полифенолоксида- зы маркер сенсибилизации клубней картофеля / Л.И. Чалова, Д.Э. Ногайдели, К.А. Караваева, O.Л. Озерецковская // Микология и фитопатология. - 1985. - Т. 19, № 6. - С. 495- 498.

Размещено на Allbest.ru