112 С.Н. Удинцев, Т.И. Бурмистрова, А.В. Заболотская, Т.П. Жилякова

Размещено на http://www.allbest.ru/

Механизмы индукции резистентности растений к фитопатогенам гуминовыми веществами

С.Н. Удинцев

В обзоре представлены основные результаты экспериментальных исследований и практического применения гуминовых веществ (ГВ) в качестве индукторов резистентности растений к фитопатогенам. В качестве ведущего механизма действия ГВ обсуждается сигнальный путь, в котором принимают участие ауксин-индолил-3-уксусная кислота и фермент пероксидаза. Данные, представленные в настоящем обзоре, позволяют сформулировать научно обоснованный подход к разработке высокоэффективных препаратов - индукторов устойчивости растений на основе ГВ, источником которых является, в частности, торф, ресурсы которого в Томской области одни из самых крупных в мире.

Ключевые слова: индуцированная резистентность растений; фитопатогены; гуминовые вещества; пероксидаза; индолил-3-уксусная кислота; активные формы кислорода.

Поиск эффективных препаратов для борьбы с фитопатогенами приобретает все большую актуальность. Так, только в период с 1993 по 2008 г. за счет болезней зерновых, в первую очередь гнилей, потери зерна в России превысили 230,6 млн т, что составляет в среднем от 6 до 29% ежегодного валового сбора [1]. Для решения этой проблемы в сельскохозяйственной практике все более широко применяются препараты третьего поколения фунгицидов - индукторов устойчивости к патогенам. Подобные препараты, обладая широким спектром защитных эффектов, не проявляют непосредственного токсического воздействия по отношению к патогену, растениям и животным и не оказывают негативного воздействия на рост растений [2-3]. гуминовый резистентность растение фитопатоген

Роль пероксидаз в формировании индуцированной резистентности растений

Согласно современным представлениям, индуцированная резистентность развивается при воздействии на растения элиситоров (индукторов устойчивости) [3, 4]. Элиситоры активируют комплексную сеть сигнальных путей, включающую такие регуляторные молекулы, как салициловая и жасмониевая кислоты (SA и JA) и их производные, индолил-3-уксусная кислота (IAA) и другие соединения, в результате чего индуцируется синтез de novo белков, связанных с патогенезом (pathogenesis-related proteins, PR), которые подразделяются, в зависимости от их биохимических и молекулярных особенностей, на 17 субсемейств. Функции PR-белков существенно шире, чем участие в защитных механизмах: они всегда в определенных количествах присутствуют в клетках, играя важную роль в различных процессах регуляции роста и развития растений [5-7].

PR-белки реализуют различные механизмы защиты клеток, наиболее ранним из которых является повышение образования активных форм кислорода (АФК). Среди всех АФК наибольшую роль играет перекись водорода H₂O₂, регулирующая в растительной клетке совокупность молекулярных, биохимических и физиологических реакций. В частности, это соединение способно инициировать октадеканоидный метаболический путь, ведущий к биосинтезу JA и ее производных. Незначительное увеличение уровня H₂O₂ повышает толерантность клеток к стрессу, а гиперпродукция («окислительный взрыв») не только создает высокотоксичное микроокружение, но и провоцирует локальный ответ, завершающийся апоптозом - формой программируемой смерти клеток в месте инфекции, что в комплексе является элементами ограничения клеточного распространения патогена либо повышением резистентности клетки к абиотическим стрессам. Таким образом, H₂O₂ опосредует взаимодействие между сигнальными путями и сама является сигнальной молекулой, ответственной за перекрестную резистентность клеток к различным экстремальным воздействиям [8].

Существуют четыре механизма, объясняющие образование H₂O₂ в растительной клетке. Один из них функционирует на уровне внешней поверхности плазменной мембраны и опосредован PR-белком - ферментом NADPHзависимой оксидазой. Три механизма реализуются на уровне матрикса клеточной стенки и включают участие пероксидазы, поли(ди)аминоксидазы и оксалат оксидазы. В отличие от последних двух ферментов, которые участвуют в процессах образования непосредственно перекиси водорода, NADPH-зависимая оксидаза и пероксидаза катализируют начальное образование аниона супероксида, который далее дисмутирует в H₂O₂ [9, 10]. Из всех перечисленных ферментов, участвующих в индукции системной резистентности, наибольший интерес вызывает пероксидаза.

Пероксидаза, а точнее, обширное мультигенное семейство ферментов - классических пероксидаз растений класса III, содержащих в качестве простетической группы гем b (фотогемин IX) и два иона Ca²⁺, относят к 9-му классу PR-белков. Растительные пероксидазы не только аккумулируются локально в месте инфекции или при воздействии абиотических факторов, но и экспрессируются системно и, как и другие PR-белки, всегда присутствуют в растениях в определенном количестве. Они участвуют в регуляции широкого спектра физиологических процессов в течение всего цикла жизни растений благодаря большому количеству изоформ и множественности реакций, катализируемых ими. Основная функция пероксидаз - катализировать окисление перекисью водорода H₂O₂ различных электрон-донорных субстратов, в первую очередь полифенольной структуры. В то же время при избытке субстратов, обладающих высоким восстанавливающим потенциалом, пероксидазы начинают проявлять оксигеназную активность, катализируя генерацию H₂O₂ [11]. В частности, этот феномен имеет место при избытке ауксина-индолил-3-уксусной кислоты (IAA) и обусловлен наличием в молекуле фермента дополнительного специфического центра связывания с этим соединением. Подобный механизм формирования индуцированной резистентности, получивший название IAA-пероксидазный сигнальный путь, описан сравнительно недавно [12]. В процессе индукции резистентности участие пероксидаз определяется не только генерацией высокотоксичных молекул H₂O₂, но и установлением структурных барьеров в результате стимуляции процессов лигнификации и суберизации клеточной оболочки, формирования перекрестных сшивок полисахаридов стенки клетки, опосредованных окислением их компонента - феруловой кислоты [9].

Показано, что уровень пероксидаз в клетках сортов растений, устойчивых к патогенам, выше, чем восприимчивых. Такие данные получены, в частности, для картофеля [13] и гороха [14].

Учитывая широкий диапазон эффектов пероксидаз, поиск эффективных индукторов резистентности растений активно ведется среди соединений, способствующих повышению в растительных клетках уровня этих ферментов. Перспективными для решения задачи рассматриваются средства природного происхождения [15]. Особый интерес в качестве источника получения новых эффективных индукторов резистентности, функционирующих посредством IAA-пероксидазного сигнального пути, вызывают гуминовые вещества (ГВ), в течение многих лет успешно применяющиеся в растениеводстве. ГВ обладают способностью регулировать метаболизм растительной клетки, влияя на проницаемость мембран, транспорт ионов, процессы фотосинтеза, синтез АТФ, аминокислот, белков, углеводов и нуклеиновых кислот, регулируя активность многих ферментов [16]. ГВ являются регуляторами роста растений, проявляя ауксиноподобные свойства [17].

Фунгистатические эффекты препаратов на основе ГВ

В литературе имеются многочисленные данные, свидетельствующие о фунгистатическом эффекте препаратов на основе ГВ. В экспериментах in vitro препараты ГВ подавляли возбудителей корневой, стеблевой, плодовой гнилей различных сельскохозяйственных культур: снижали рост мицелия Fusarium culmorum и Alternaria alternata [18], радиальный рост и герминацию спор F. oxysporum f.sp. melonis и F. oxysporum f.sp. lycopersici [19], подавляли рост F. solani [20], снижали выраженность ранних проявлений гнили A. solani [21], подавляли рост мицелия Choanephora cucurbitaru [22]. Ингибирование роста F. oxysporum выявлена при применении препаратов на основе ГВ, полученных из сфагнового торфа Томской области [23].

В полевых исследованиях препараты на основе ГВ при различных схемах их применения повышали естественную резистентость герани к возбудителям серой гнили Botrytis cinerea [24], огурца - к корневым гнилям Pythium ps. и антракнозу тыквенных культур Colletotrichum lagenarium [25], арахиса - к корневым гнилям F. oxysporum Schlecht и возбудителю антракноза Aspergillus niger Vantighn [26], гороха - к корневым гнилям Pythium ultimum [27], картофеля - к A. solani [21], бобовых - к грибам Rhizoctonia solani, F. solani [28] и возбудителям шоколадной пятнистости листьев, вызываемой Botrytis fabae Sardine [29], корней мандарина - к гнилям Fusarium sp. [20], томатов - к Cladosporium fulvum и A. solani [2]. Отмечена более выраженная степень снижения пораженности возбудителями корневой гнили пшеницы Helmintosporium sativum, F. oxysporum, A. alternata в условиях Западной Сибири при предпосевной обработке семян и вегетирующих растений препаратом на основе комплекса ГВ торфа [23].

Механизмы действия ГВ как индукторов резистентности

Данные многих исследований позволяют предполагать, что фунгистатический эффект ГВ связан с индукцией ими резистентности растений с участием упомянутого выше IAA-пероксидазного механизма [12]. При обработке гуматом натрия семян томатов активность пероксидазы у сорта, устойчивого к C. fulvum и A. solani, возросла в 1,8 раза [2]. Возрастание устойчивости к неблагоприятным факторам при воздействии препаратов ГВ, сопровождающееся повышением уровня пероксидаз, отмечено у семян гороха [30]. IAA в составе ГВ впервые были идентифицированы Muscolo A. et al. в 1998 г., и в настоящее время ауксиноподобный эффект ГВ связывают именно с данным соединением [31]. Показано, что IAA находится преимущественно во фракциях ГВ с относительно низкой молекулярной массой (<3 500 Да), достигая уровня 37 нмоль мг-¹ углерода [32]. Содержание IAA в среднекислых торфах Томской области составляет 69,3-120,7 мкг/кг-¹ сухой массы, в торфах высокой степени заболоченности достигает 210, низкой степени - 134 мкг/кг-¹ сухой массы; наиболее высокий уровень IAA характерен для вторично трансформированных торфяно-болотистых почв [10, 33]. Более значительно содержание IAA в кислых почвах по сравнению с щелочными, ГВ которых проявляют преимущественно гиббереллиноподобный эффект [34]. У ГВ, выделенных из кислых почв, выше показатели отношения углерода к азоту и отношения углерода гуминовых веществ к общему углероду [35].

В культуре растительных клеток ГВ, полученные из кислых почв с наибольшей ауксиноподобной активностью, индуцировали наиболее высокий уровень активности и полиморфизма пероксидазы [35]. В экспериментах in vitro с использованием каллусных культур показано, что способность стимулировать рост клеток и повышать уровень пероксидазы, сравнимая с эффектами IAA, зависит как от молекулярной массы ГВ, так и от их структуры. IAA-подобный эффект отмечен преимущественно у фракций ГВ с относительно низкой молекулярной массой (< 3 500 Да), характеризующихся наличием карбоксильных, пептидных и углеводных групп, остатков органических кислот, бетаина. Фракции с молекулярной массой более 3 500 Да, содержащие сахароподобные, полиэфирные, фенольные и жирнокислотные остатки, данного вида активности не проявляли [36-38]. Именно низкомолекулярные фракции ГВ, содержащие преимущественно гидроксильные, хиноидные и карбоксильные группы, обладали наибольшей антифунгальной активностью [32, 22].

Индукция образования АФК в растениях при воздействии ГВ связана с наличием у последних прооксидантных свойств. Ди- и тригидроксифенольные и хинонные структуры ГВ вызывают повышение в клетках уровня стабильных радикалов бензосемихинонов, способных повреждать клеточные структуры патогенов непосредственно либо в результате образования радикала супероксида, который при дефиците фермента супероксиддисмутазы превращается в перекись водорода H₂O₂ [7]. Перекись водорода определяет цитотоксическое действие ГВ, в частности по отношению к возбудителям Fusarium sp. Trans [39].

Таким образом, на основании данного обзора литературы можно сделать вывод о перспективах применения препаратов на основе ГВ, в том числе торфа, ресурсы которого в Томской области являются одними из самых крупных в мире, в качестве препаратов для индукции резистентности растений к фитопатогенам. Эффективность таких препаратов может определяться в значительной степени воздействием ГВ на такой механизм формирования резистентности, как образование активных форм кислорода в ходе IAAпероксидазного сигнального пути, и в значительной степени будет зависеть от молекулярной массы, структуры и состава ГВ.

Литература

1. Санин С.С., Назарова Л.Н. Фитосанитарная обстановка на посевах пшеницы в Российской Федерации (1991-2008 гг.). Аналитический обзор // Защита и карантин растений. 2010. № 2. С. 69-88.

2. Поликсенова В.Д. Индуцированная резистентность растений к патогенам и абиотическим стрессовым факторам (на примере томата) // Вестник БГУ. 2009. сер. 2. № 1. С. 48-60.

3. Тютерев С.Л. Механизмы действия фунгицидов на фитопатогенные грибы. СПб. :

ИПК «Нива», 2010. 172 с.

4. Zhao J., Davis L.C., Verpoorte R. Elicitor signal transduction leading to production of plant secondary metabolites // Biotechnol. Adv. 2005. Vol. 23. Р. 283-333.

5. Garcia-Brugger A., Lamotte O., Vandelle E. Early signaling events induced by elicitors of plant defences // Molec. Plant-Microbe Interact. 2006. Vol. 7. Р. 711-724.

6. Scherer N.M., Thompson C.E., Freitas L.B. Patterns of molecular evolution in pathogenesisrelated proteins // Genetics & Molec. Biol. 2005. Vol. 28. Р. 645-653.

7. Loon L.C., Rep M., Pieterse C.M.J. Significance of inducible defence-related proteins in infected plants // Ann. Rev. Phytopathol. 2006. Vol. 44. Р. 135-162.

8. Neill S.J., Desikan R., Clarke A. Hydrogen peroxide and nitric oxide as signaling molecules in plants // J. Experim. Botany. 2002. Vol. 53. Р. 1237-1247.

9. Almagro L., Ros L V.G., Belchi-Navarro S. Class III peroxidases in plant defence reactions //

J. Experim. Botany. 2009. Vol. 60(2). Р. 377-390.

10. Szajdak L., Maryganova M. Occurrence of auxin in some organic soils // Agron. Res. 2007. № 5(2). Р. 175-187.

11. Passardi F., Zamocky M., Favet J. Phylogenetic distribution of catalase-peroxidases: are these patches of order in chaos? // Gene. 2007. Vol. 397. Р. 101-113.

12. Газарян И.Г., Хуштульян Д.М., Тишков В.И. Особенности структуры и механизма действия пероксидаз растений // Успехи биологической химии. 2006. Т. 46. С. 303-322.

13. Граскова И.А., Антипина И.В., Потапенко О.Ю., Войников В.К. Влияние патогена на динамику активности внеклеточной пероксидазы суспензионных клеток картофеля // J. Stress. Physiology & Biochemistry. 2005. Vol. 1(1). Р. 16-20.

14. Козявина К.Н. Изменение активности антиоксидантной ферментной системы и фрагментации ДНК Pisum sativum L. при апоптозе и некрозе под действием двухвалентных ионов магния и экстракта триходермы : автореф. … канд. биол. наук. Воронеж, 2010. 24 с.

15. Wedge D.E., Smith B.J. Discovery and evaluation of natural product-based fungicides for disease control of small fruits // Disease management of fruits and vegetables. Springer Netherlands, 2006. Vol. 2. Р. 1-14.

16. Pflug W., Ziechman W. Humic acids and disruption of bacterial cell wall by isozyme // Soil Boil Biochem. 1982. Vol. 14. Р. 165-166.

17. Шаповал О.А., Вакуленко В.В., Прусакова Л.Д. Регуляторы роста растений // Защита и карантин растений. 2008. № 12. С. 53-88.

18. Moliszewska E., Pisarek T. Influence of humic substances on the growth of two phytopathogenic soil fungi // Environ. Int. 1996. Vol. 22. Р. 579-584.

19. Loffredo E., Mariagrazia B., Fedele C., Nicola S. In vitro assessment of the inhibition of humic substances on the growth of two strains of Fusarium oxysporum // Cooper. J. Intern. Soc. Soil. Sci. 2007. Vol. 1. Р. 1-18.

20. El-Mohamedy R. S.R., Ahmed M.A. Effect of Biofertilizers and Humic Acid on control of Dry Root Rot Disease and Improvement Yield Quality of Mandarin (Citrus reticulate Blanco) // Research J. Agric. & Biol. Sci. 2009. Vol. 5(2). Р. 127-137.

21. Abd-El-Kareem F., Abd-El-Latif F. M., Fotouh Y.O. Integrated Treatments Between Humic Acid and Sulfur for Controlling Early Blight Disease of Potato Plants under Field Infection // Res. J. Agric. & Biol. Sci. 2009. Vol. 5(6). Р. 1039-1045.

22. Siddiqui Y., Meon S., Ismail R. In vitro fungicidal activity of humic acid fraction from oil palm compost // Int. J. Agric. Biol. 2009. Vol. 11. Р. 448-452.

23. Сысоева Л.Н., Бурмистрова Т.И., Трунова Н.М. Применение продуктов переработки торфа в качестве индукторов защиты растений от грибных инфекций // Химия растительного сырья. 2008. № 1. С. 123-126.

24. Scheuerell S.J., Mahaffee W.H. Variability associated with suppression of Gray Mold (Botrytis cinerea) on Geranium by foliar applications of nonaerated and aerated compost teas // Plant. Dis. 2006. Vol. 90. P. 1201-1208.

25. Hoitink H.A.J., Ramos L.Z. Disease suppression with compost: history, principles and future // Intern. Conf. «Soil & Compost Eco Biology». Leon - Spain, 2004. Р. 185-198.

26. Ziedan H.E. Soil treatment with biofertilizers for controlling peanut rot and pod Rot diseases in Nobaria Province // Egypt J. Phytopathol. 2000. Vol. 28. P. 17-26.

27. Pascual J.A., Garcia G., Hernandez T., Lynch I. Effectiveness of municipal waste compost and its humic fraction in suppressing Pythium ultimo // Microb. Ecol. 2002. Vol. 44. P. 59-68.

28. Abd-El-Kareem F. Induced Resistance in Bean Plants Against Root Rot and Alternaria Leaf Spot Diseases Using Biotic and Abiotic Inducers under Field Conditions // Res. J. Agric. & Biol. Sci. 2007. Vol. 3(6). Р. 767-774.

29. El-Ghamry A.M., El-Hai K.M.A., Ghoneem K.M. Amino and Humic Acids Promote Growth, Yield and Disease Resistance of Faba Bean Cultivated in Clayey Soil // Australian J. Basic. & App. Sci. 2009. Vol. 3(2). Р. 731-739.

30. Юшкова Е.И. Биологическая активность гуминового комплекса различного происхождения и его влияние на рост и развитие растений : дис. … д-ра биол. наук. Воронеж, 2010. 356 с.

31. Muscolo A., Cutrupi S., Nardi S. IAA detection in humic substances // Soil Biology and Biochemistry. 1998. Vol. 30(8-9). Р. 1199-1201.

32. Quaggiotti S., Ruperti В., Pizzeghello D. Effect of low molecular size humic substances on nitrate uptake and expression of genes involved in nitrate transport in maize (Zea mays L.) // J. Experim. Botany. 2004. Vol. 398. Р. 803-813.

33. Szajdak L., Maryganova V. Quantities of indole-3-acetic acid in secondary transformed peat-moorsh soils // Вестник ТГПУ. 2008. Вып. 4 (78). С. 34-38.

34. Pizzeghello D., Nicolini G., Nardi S. Hormone-like activity of humic substances in Fagus sylvaticae forests // New Phytologist. 2001. Vol. 151 (3). Р. 647-657.

35. Pizzeghello D., Nicolini G., Nardi S. Hormone-like activities of humic substances in different forest ecosystems // New Phytologist. 2002. Vol. 155 (3). Р. 393-402.

36. Muscolo A., Sidari M., Attinа E. Biological Activity of Humic Substances Is Related to Their Chemical Structure // Soil Sci. Soc. Am. J. 2007. Vol. 71. Р. 75-85.

37. Muscolo A., Sidari M., Francioso O. The Auxin-like Activity of Humic Substances is Related to Membrane Interactions in Carrot Cell Cultures // J. Chem. Ecol. 2007. Vol. 33. Р. 115-129.

38. Muscolo A., Sidari M. Carboxyl and Phenolic Humic Fractions Affect Pinus Nigra Callus Growth and Metabolism // Soil. Sci. Soc. Am. J. 2009. Vol. 73. Р. 1119-1129.

39. Saito M., Ichinoi M., Tsuruta O. Usefulness of gel electrophoresic comparison of peroxidase for identification of Fusarium spp. Trans // Mycol. Soc. Japan. 1980. Vol. 21. Р. 229-235.

Размещено на Allbest.ru