Вплив фітопатогенних бактерій на активність фотосинтетичного апарату сої

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України

Вплив фітопатогенних бактерій на активність фотосинтетичного апарату сої

Г.Б. Гуляєва

кандидат біологічних наук

Huliaieva H. Zhytkevych N. Hnatiuk T., Paty- ka V.

D.K. Zabolotnyi Institute of Microbiology and Virology of NAS of Ukraine,

Influence of phytopathogenic bacteria on the activity of soy photosynthetic apparatus

Goal. To determine the differences in the impact of artificial infection with different in spread and harmfulness strains of bacterial pathogens -- Pseudomonas savastanoi pv. glycin- ea (angular spot) and Hanthomonas fuscans pv. fuscans (small black spot) on the parameters of photochemical activity of the photosynthetic apparatus of soybean (Glycine max). Methods. Classical microbiological, biophysical, statistical. The biophysical method of induction of chlorophyll fluorescence was used to assess the condition and activity of the photosynthetic apparatus of soybean plants under artificial infection with bacterial strains. Results. The tendency was fixed to increase the minimum fluorescence (F0) of soybean leaves infected with P. savastanoi pv. glycinea B9190, as well as its reduction by lesions of X. fuscans pv. fuscans B9283. In the leaves of the affected plants, the suppression of the fluorescence maximum (Fm) by 16.2% was detected at infection with P. savastanoi pv. glycinea B9190 and its increase by 14.1% under the influence of X. fuscans pv. fuscans B9283. Quantum efficiency of photosystem II (FSII) -- F v/Fm parameter -- decreased by 11.5% in leaves affected by P. savastanoi pv. glycinea B9190, while infection with X. fuscans pv. fuscans B9283 - increased that parameter by 7.1%. Indicator “decrease in chlorophyll fluorescence” (Rfd value), which is closely correlated with photosynthetic activity by inoculation of soybean plants with strains of P. savastanoi pv. glycinea B9190 and X. fuscans pv. fuscans B9283, was suppressed almost equally -- by 6.7 and 6.1%, respectively. Conclusions. Artificial infection with the most common and harmful pathogen P. savastanoi pv. glycinea B9190 significantly adversely affected the fast “light” and slow “dark” reactions of photosynthesis by reducing the content of active chlorophyll, inhibiting its resynthesis, deteriorating the maximum quantum efficiency of FSII, and reducing carbon assimilation. The photosynthetic apparatus of soybeans proved to be more resistant to X. fuscans pv. fuscans B9283. The pathogen suppressed only the “dark” processes of photosynthesis, which can affect plant productivity. The potential efficiency of carbon assimilation (Rfd value) was suppressed almost equally -- by 6.7 and 6.1% in the case of artificial infection of soybean plants with phytopathogenic strains -- P. savastanoi pv. glycine B9190 and X. fuscans pv. fuscans B9283, respectively. Thus, the ability of the bacterial pathogen to have a more destructive and rapid effect on the plant organism gives it advantages to spread, scale and capture certain ecological niches and increase the manifestation of harmfulness.

Key words: soybean, Psevdomonas savastanoi pv. glycinea, Hanthomonas fuscans pv. fuscans, induction of chlorophyll fluorescence, photosynthesis.

Мета. Визначити відмінності впливу штучного інфікування різними за поширенням і шкодочинністю штамами збудників бактеріальних хвороб -- Pseudomonas savastanoi pv. glycinea (кутаста плямистість) та Хanthomonas fuscans pv. fuscans (чорна дрібна плямистість) на параметри фотохімічної активності фотосинтетичного апарату сої (Glycine max). Методи. Класичні мікробіологічні, біофізичні, статистичні. Біофізичний метод індукції флуоресценції хлорофілу застосовували для оцінки стану й активності фотосинтетичного апарату рослин сої за штучного інфікування бактеріальними штамами. Результати. Встановлено тенденцію до зростання мінімальної флуоресценції (F0) листків сої, заражених P. savastanoi pv. glycinea В-9190 та її зниження за ураження X. fuscans pv. fuscans В-9283. У листках уражених рослин виявлено пригнічення показника максимуму флуоресценції (Fm) на 16,2% за інфікування P. savastanoi pv. glycinea В-9190 та її збільшення -- на 14,1% за впливу X. fuscans pv. fuscans В-9283. Квантова ефективність фотосистеми ІІ (ФСІІ) -- параметр F/Fm -- зменшувався на 11,5% у листках, уражених P. savastanoi pv. glycinea В-9190, тоді як за інфікування X. fuscans pv. fuscans В-9283 -- зростав на 7,1%. Показник «зниження флуоресценції хлорофілу» (величина Rfd), що тісно корелює з фотосинтетичною активністю за інокуляції рослин сої штамами P. savastanoi pv. glycinea В-9190 і X. fuscans pv. fuscans В-9283, пригнічувався майже однаково -- на 6,7 і 6,1% відповідно. Висновки. Штучне інфікування найбільш поширеним і шко- дочинним збудником P. savastanoi pv. glycinea В-9190 істотно негативно впливало на швидкі «світлові» та повільні «темнові» реакції фотосинтезу через зниження вмісту активного хлорофілу, пригнічення його ресинтезу, погіршення максимальної квантової ефективності ФСІІ і зниження асиміляції вуглецю. Фотосинтетичний апарат сої виявився стійкішим до X. fuscans pv. fuscans В-9283. Патоген пригнічував лише «темнові» процеси фотосинтезу, що може позначатися на продуктивності рослин. Потенційна ефективність асиміляції вуглецю (величина R1d) пригнічувалася майже однаково -- на 6,7 і 6,1 % за штучного інфікування рослин сої фітопатогенними штамами -- P. savastanoi pv. glycineа В-9190 іX. fuscans pv. fuscans В-9283 відповідно. Отже, здатність бактеріального збудника більш деструктивно й швидко впливати на рослинний організм дає йому переваги для поширення, мас- штабування та захоплення певних екологічних ніш і збільшення прояву шко- дочинності.

Ключові слова: соя, Psevdomonas savastanoi pv. glycinea, Xanthomonas fuscans pv.fuscans, індукція флуоресценції хлорофілу, фотосинтез.

інфікування соя фітопатогенний

Одним з істотних чинників зниження продуктивності культурних рослин є бактеріальні хвороби [1]. Бактеріальні патогени, потрапляючи до організму рослини-живи- теля, спричинюють цілу низку негативних наслідків, поступово порушуючи рослинний метаболізм. Є повідомлення про пригнічення імунітету рослин ефекторними білками бактеріальних патогенів. Зокрема, встановлено, що бактеріальний патоген Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 пригнічує вроджений імунітет рослин за допомогою ефекторних білків, що вводяться системою секреції типу III (T3SS) [2]. Виявлено інгібуючий вплив ефекторів типу ІІІ з ізолятів оливкового патогену P. savastanoi pv. savastanoi NCPPB 3335 на ранні захисні реакції рослин, зокрема продукцію ROS, і відкладення калози та здатність пригнічувати відповіді ефекторного імунітету, індуковані безефекторним полімутантом P. syringae pv. tomato DC3000 (DC3000D28E) в Nicotiana [3]. Серед 19 білків, що регулюють P. syringae pv. tomato DC3000, були ідентифіковані білки, які беруть участь в окисно-відновній регуляції, ліпідному обміні і фотосинтезі [4]. За аналізу послідовності геному, патогенного до квасолі, Xanthomonas fuscans subsp. fuscans штам 4834-R, установлено, що цей збудник має сильний потенціал адаптації до різноманітних середовищ, що є характерним для ксантомонад [5].

Однією з найбільш поширених і шко- дочинних хвороб рослин сої у більшості регіонів земної кулі є кутаста плямистість, або бактеріальний опік, збудник -- Psevdomonas savastanoi pv. glycinea, що уражує листковий апарат у різні фази розвитку [6, 7]. За даними досліджень в Україні, виявлено, що сою уражують такі бактеріальні патогени: P. savastanoi pv. glycinеa, Xanthomonas axonopodis pv. glycines, Pantoea agglomerans, а також Curtobacterium flaccumfaciens pv. flaccumfaciens. Деякі види трапляються рідко, зокрема Х. fuscans pv. fuscans (збудник чорної дрібної плямистості) [8].

Відомо, що зміни функціональної активності фотосинтетичного апарату позначаються безпосередньо на ефективності фотосинтетичних процесів і відповідно продуктивності культурних рослин [9]. Також відомо, що флуоресценція хлорофілу має тісний зворотний зв'язок із процесом фотосинтезу, що дає змогу за змінами відповідних параметрів флуоресценції хлорофілу швидко і неінвазивно оцінити стан і активність фотосинтетичного апарату [10]. За допомогою методу індукції флуоресценції хлорофілу досліджено особливості впливу на фотосинтетичний апарат абіотичних і біотичних чинників [10, 11]. Виявлено високу чутливість параметрів індукції флуоресценції хлорофілу до пошкоджень за ураження рослин хворобами, шкідниками, до впливу несприятливих чинників й умов довкілля, особливостей генотипу досліджених видів, дії гербіцидів та інших біологічно активних речовин [12 - 14]. Останнім часом метод індукції флуоресценції хлорофілу застосовують для визначення фітотоксичності [6].

Установлено, що різні бактеріальні пато- гени призводять до зниження параметрів флуоресценції Fv/Fm, Ф PSI, і Ft [15].

Отже, опираючись на літературні джерела наведені вище, слід зазначити, що недостатньо дослідженим залишається питання стосовно відмінностей впливу різних за поширеністю і шкодочинністю патогенів на метаболізм рослини-живителя. З огляду на це доцільним є порівняння особливостей впливу найбільш шкодочинного і поширеного збудника P. savastanoi pv. glycinea і менш шкодочинного збудника -- Х. fuscans pv. fuscans на фотосинтетичний апарат рослин сої.

Мета досліджень -- визначити відмінності впливу штучного інфікування різними за поширенням і шкодочинністю штамами збудників бактеріальних хвороб -- P. savastanoi pv. glycinea (кутаста плямистість) та Х. fuscans pv. fuscans (чорна дрібна плямистість) на параметри фотохімічної активності фотосинтетичного апарату сої (Glycine max).

Матеріали та методи досліджень. Дослідні рослини сої вирощували в умовах теплиці (вегетаційний дослід). У фазі 4 - 6-ти листків по 4 відібрані дослідні рослини кожного варіанта штучно інфікували P. savastanoi pv. glycinea (збудник кутастої плямистості сої) й Х. fuscans pv. fuscans (збудник чорної дрібної плямистості), одержані з Української колекції мікроорганізмів Інституту мікробіології і вірусології (ІМВ) ім. Д. К. Заболотного НАН України. Дослід проводили за такою схемою: 1 -- контроль (інокуляція стерильною водогінною водою); 2 -- штучне інфікування фітопатогенними бактеріями P. savastanoi pv. glycinea штам ІМВ В-9190; 3 -- штучне інфікування фітопатогенними бактеріями X. fuscans pv. fuscans штам ІМВ В-9283. Повторність у досліді 4-разова. Фотохімічну активність листків сої вимірювали біофізичним методом індукції флуоресценції хлорофілу (ІФХ) через 8 днів від початку інокуляції.

Дослідження ІФХ листків сої виконували за допомогою портативного приладу «Floratest». Програмне забезпечення «Floratest», що йде у комплекті із приладом, приймає виміряні приладом дані через USB-порт комп'ютера та відображає їх у вигляді таблиць або графіків [12]. Отриманий масив цифрових даних обчислювали за варіантами і наводили у графічному вигляді. Розраховували відповідні критичні параметри ІФХ, що є відображенням змін у функціональних ланках фотосинтетичної системи. Критичні проаналізовані параметри: фонова флуоресценція (F0); Fv = Fm - Fo -- варіабельна флуоресценція; Fm -- максимальний рівень флуоресценції; Fv/Fm -- квантовий вихід фотохімічного перетворення енергії; Rfd -- коефіцієнт зменшення флуоресценції хлорофілу, що корелює з фотосинтетичною активністю -- [10,12,16, 17].

Результати досліджень. За штучного ураження різними за шкодочинністю штамами фітопатогенних бактерій родів Pseudomonas i Xanthomonas рослин сої було виявлено різні за кінетикою індуковані зміни флуоресценції хлорофілу а в її листках (рис. 1).

Рис. 1. Криві ІФХ за штучного інфікування рослин сої штамами різної поширеності: -- контроль (без ураження); -- Р. savastanoi pv. glycinea В-9190; -- X. fuscans pv. fuscans В-9283

За аналізу критичних параметрів цих кривих виявлено тенденцію до зростання

фонової флуоресценції (F0) листків сої, заражених бактеріями P. savastanoi pv. glycinea В-9190, та тенденцію до зменшення цього показника за ураження X. fuscans pv. fuscans В-9283 (рис. 2, а).

Відомо, що показник F0 відображає інтенсивність флуоресценції хлорофілу а за відкритих реакційних центрів фотосистеми ІІ (ФСІІ), коли всі первинні акцептори електронів -- QA окислені [10]. Зміни величини цього параметра відповідають змінам у вміс- ті хлорофілу [10, 18]. Подібна динаміка змін F0 у листках сої, заражених бактеріями P. savatanoi pv. glycinea В-9190, свідчить про тенденцію до зростання функціонально неактивного хлорофілу. За інфікування X. fuscans pv. fuscans В-9283 спостерігалася тенденція до зменшення мінімальної флуоресценції. Це може свідчити про негативний вплив на вміст хлорофілу, оскільки величина фонової флуоресценції залежить від наявних молекул хлорофілу, що поглинають кванти світла, випромінюючи у вигляді флуоресценції лише невелику їхню частину (близько 3%). У листках рослин, уражених P. savastanoi pv. glycinea В-9190, показник Fm (максимум флуоресценції) знижувався на 16,2%. Зниження величини максимуму флуоресценції, що відповідає флуоресценції при закритих реакційних центрах, коли всі акцептори первинного хінонного акцептора електронів QA відновлені, свідчить про найістотніше зменшення довжини світлозбиральної антени за пригнічення ресинтезу хлорофілу в листках, інфікованих P. savastanoi pv. glycinea В-9190 рослин сої. За інфікування менш поширеним збудником X. fuscans pv. fuscans В-9283 цей показник навпаки -- зростав на 14,1% (рис. 2, б). Тобто ураження менш поширеним збудником не мало негативного впливу на вміст хлорофілу в листках рослин за штучного інфікування.

Показник максимальної квантової ефективності ФСІІ -- параметр Fv/Fm часто застосовують у вигляді маркера за аналізу впливу стресових чинників і біологічно активних речовин [6, 10, 12 - 19]. Зокрема, в роботі C. Rousseau et al. [18] параметр Fv/Fm застосовували для передсимптомної діагностики інфекції, зумовленої X. fuscans subsp. fuscans за ураження цим збудником листків квасолі [19]. Вважається, що істотне зниження Fv/Fm може свідчити про пряме пошкодження ФСІІ [6].

Нами виявлено зниження максимальної квантової ефективності ФСІІ (Fv/Fm) на 11,5% у листках сої, уражених P. savas- tanoi pv. glycinea В-9190 (див. рис. 2, в). Порівняно з дією бактеріального інфікування P. savastanoi pv. glycinea В-9190, у листках сої, уражених менш поширеним бактеріальним штамом X. fuscans pv. fuscans В-9283, попри тенденцію до зниження величини F0, виявлено зростання максимальної квантової ефективності ФСІІ на 7,1% (див. рис. 2, в). За різницею впливу зараження різними за поширеністю бактеріальними штамами на величину максимальної квантової ефективності ФСІІ фотосинтетичний апарат сої виявився більш адаптований до X. fuscans pv. fuscans В-9283. Отже, агресивність збудників щодо ураження рослин свідчить про зміни максимальної квантової ефективності ФСІІ.

Рис. 2. Вплив штучного зараження штамами фітопатогенних бактерій роду Pseudomonas і Xanthomonas на флуоресцентні параметри листків сої (а -- F0, б -- Fm, в -- F/Fm, г -- Rdd): 1 -- контроль (вода); 2 -- рослини сої, інфіковані P. savastanoi pv. glycinea В-9190; 3 -- рослини сої, інфікованіX. fuscans pv. fuscans В-9283

Водночас показник «зниження флуоресценції» (величина Rfd), що тісно корелює з фотосинтетичною активністю [17, 18], за інокуляції рослин сої штамами P. savastanoi pv. glycinea В-9190 і X. fuscans pv. fuscans В-9283 пригнічувався майже однаково -- на 6,7 і 6,1% відповідно (див. рис. 2, г).

Отже, дослідний найбільш поширений і шкодочинний штам бактерій P. savastanoi pv. glycinea В-9190 найбільше пригнічував активність фотосинтетичного апарату заражених рослин сої. Водночас до дії штаму бактерій X. fuscans pv. fuscans В-9283 рослини виявилися стійкішими, що пояснює його незначне поширення і відсутність істотної шкодочинності. Більш поширені і шко- дочинні бактерії P. savastanoi pv. glycinea В-9190 деструктивно впливали на фотосинтетичний апарат заражених рослин сої, тоді як до дії менш поширених бактерій X. fuscans pv. fuscans В-9283 її рослини виявилися стійкішими, ймовірно, завдяки біохімічним змінам метаболізму рослин.

Висновки

Штучне інфікування рослин сої найбільш поширеним і шкодочинним збудником P. savastanoi pv. glycinea В-9190 мало істотніший негативний вплив на швидкі «світлові» і повільні «темнові» реакції фотосинтезу через зниження вмісту активного хлорофілу, пригнічення його ресинтезу, погіршення максимальної квантової ефективності ФСІІ й зниження асиміляції вуглецю. Фотосинтетичний апарат сої виявився стійкішим до штаму фітопа- тогенних бактерій X. fuscans pv. fuscans В-9283, спричинюючи неістотне пригнічення «темнових» процесів фотосинтезу, що також може позначатися на продуктивності рослин.

Експериментально доведено, що потенційна ефективність асиміляції вуглецю (величина Rfd) пригнічувалася майже однаково за штучного інфікування рослин сої фітопатогенними штамами -- P. savastanoi pv. glycineа В-9190 і X. fuscans pv. fuscans В-9283 -- на 6,1 і 6,7%.

Найістотнішу різницю в дії дослідних збудників виявлено за впливом на максимальну квантову ефективність ФСІІ. Пригнічення її величини за впливу більш шкодочинного збудника -- P.savastanoi pv. glycineа В-9190 і деяке збільшення її величини за дії менш шкодочинного збудника, який трапляється рідко -- X. fuscans pv. fuscans В-9283. Здатність бактеріального збудника деструктивно і швидко впливати на рослинний організм дає йому переваги для поширення, масштабування, захоплення певних екологічних ніш і збільшення прояву шкодо- чинності.

Література

Sйnchez-Moreiras Adela M., Grana Elisa, Reigosa Manuel J., Araniti Fabrizio. Imaging of Chlorophyll a Fluorescence in Natural Compound-Induced Stress Detection. Front. Plant Sci. 2020. V. 11. P. 1991. doi: 10.3389/fpls.2020.583590

Shepherd L.M., Block C.C. Detection of Plant-Pathogenic Bacteria in Seed and Other Planting Material, Second Edition. Ch. 13: Detection of Pseudomonas savastanoi pv. glycinea in Soybean Seeds. 2019. P. 85 - 88. doi: 10.1094/ 9780890545416.013

Патика В.П., Гнатюк Т.Т., Житкевич Н.В. Збудники бактеріальних хвороб сої та їх моніторинг. Вісник аграрної науки. 2015. № 6. C. 15 - 19. doi: 10.31073/agrovisnyk201506-03

Шадчина Т.М., Гуляєв Б.І., Кірізій Д.А. та ін. Регуляція фотосинтезу і продуктивності рослин: фізіологічні та екологічні аспекти. Київ: Фітосоціоцентр, 2006. 384 с.

Misra A.N., Misra M., Singh R. Chlorophyll Fluorescence in Plant Biology. Biophysics. (Misra A.N. (ed.). 2012. Ch. 7. Pablisher: Intech. P. 171- 192. doi: 10.5772/35111

Малиновська І.М., Борко Ю.П. Вплив агротехнічних заходів на ефективність хлорофілу рослин сої. Вісник аграрної науки. 2021. № 2. С. 19 - 25. doi: 10.31073/agrovisnyk202102-03

Гуляєва Г.Б., Токовенко І.П., Богдан М.М. та ін. Метод індукції флуоресценції хлорофілу у фітопатологічних дослідженнях: метод. рекомендації; за ред. Г.Б. Гуляєвої. Київ: ФОП Ямчинський О.В., 2020. 33 с.

Guidi L., Lo Piccolo E., Landi M. Chlorophyll Fluorescence, Photoinhibition and Abiotic Stress: Does it Make Any Difference the Fact to Be a C3 or C4 Species? Front. Plant Sci. 2019. V. 10. P. 174. doi: 10.3389/fpls.2019.00174

Шепелюк М.О., Ковалевський С.Б., Ки- таєв О.І. Флуоресценція хлорофілу та її індукційні зміни в листках деревних рослин в умовах урбанізованого середовища міста Луцька. Науковий вісник НЛТУ України. 2017. Вип. 27 (1). С. 101- 105.

Pйrez-Bueno M.L., Pineda M., Baron M. Phenotyping Plant Responses to Biotic Stress by Chlorophyll Fluorescence Imaging. Front. Plant Sci. 2019. V. 10. P. 1135. doi: 10.3389/fpls.2019.01135

Lichtenthaler H.K., Buschmann C., Knapp M. How to correctly determine the different chlorophyll fluorescence parameters and the chlorophyll fluorescence decrease ratio RFd of leaves with the PAM fluorometer. Photosynthetica. 2005. V. 43(3). P. 379 - 393. doi: 10.1007/s11099-005-0062-6

Lichtenthaler H.K., Ac A., Marek M.V. et al. Differences in pigment composition, photosynthetic rates and chlorophyll fluorescence images of sun and shade leaves of four tree species. Plant Physiol Biochem. 2007. V. 45(8). P. 577 - 588. doi: 10.1016/j.plaphy.2007.04.006

Rousseau C., Belin E., Bove E. et al. High throughput quantitative phenotyping of plant resistance using chlorophyll fluorescence image analysis. Plant Methods. 2013. V. 9. P. 17. doi: 10.1186/1746-4811-9-17

Buschmann C., Lenk S., Lichtenthaler H. Reflectance spectra and images of green leaves with different tissue structure and chlorophyll content. Israel Journal Plant Sci. 2012. № 60. Р. 49 -64. doi: 10.1560/IJPS.60.1-2.49

Размещено на Allbest.ru