ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2011, № 5, с. 532-538
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
УДК 632.656:581.1
УЧАСТИЕ САЛИЦИЛОВОЙ КИСЛОТЫ В УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ
К ПАРАЗИТИЧЕСКИМ НЕМАТОДАМ
© 2011 г. С. В. Зиновьева*, Н. И. Васюкова**, Ж. В. Удалова*, Н. Г. Герасимова**, О. Л. Озерецковская**
* Центр паразитологии Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, 119071 Москва, Ленинский просп., 33 ** Институт биохимии им. А.Н. Баха, 119071 Москва, Ленинский просп., 33
E-mail: zinovievas@mail.ru Поступила в редакцию 04.04.2010 г.
На модельной системе томаты Lycopersicon esculentum (Mill.) — галловая нематода Meloidogyne incognita (Kofoid et White, 1919) Chitwood, 1949, раса 1, изучали роль салициловой кислоты (СК) как возможного компонента передачи сигналов при инвазии растений паразитическими нематодами при индуцированной устойчивости. Было показано, что обработка семян томатов перед посадкой СК повышала устойчивость восприимчивых сортов растения к нематодам, причем защитный эффект усиливался при применении композиции СК с хитозаном — биогенным элиситором устойчивости. Наблюдалась стимуляция роста и развития растений под влиянием испытуемых препаратов. Повышение устойчивости томатов связано с повышением активности фенилаланинаммиаклиазы, увеличением содержания СК в инвазированных нематодой тканях томатов, что существенным образом отражается на развитии нематод.
Фитопаразитические нематоды поражают все виды сельскохозяйственных растений во всех регионах мира. Общемировые потери от паразитических нематод по последним данным оцениваются более чем в 100 млрд. долларов США.
Эффективных и экологически безопасных способов защиты растений от паразитических нематод до сих пор не найдено. Одним из перспективных направлений является индуцирование у растений устойчивости к болезням и стрессам с помощью элиситоров, которые во многих случаях могут связываться с рецепторами растительной клетки и далее через сигнальные системы растений воздействовать на экспрессию генов, определяющих ответную реакцию растений в ответ на инвазию паразитических нематод.
Установлено, что процесс распознавания эли-ситоров в растениях осуществляется с помощью сигнальных систем, которые определяют реакцию клеток на различные химические и физические воздействия (Тарчевский, 2002). Наиболее известными медиаторами сигнальных систем являются салициловая (СК) и жасмоновая кислоты. Эти кислоты являются участниками системной сигнальной трансдукции, связанной с транслокацией стрессовых сигналов от поверхности инвази-рованной клетки до ядра, а также дистанционно по всем клеткам, усиливая экспрессию защитных генов. В зависимости от типа инфицирования и характера стресса растения активируют различные сигнальные системы с целью обеспечения опти-
мальной защиты своих тканей. В настоящее время имеются данные, показывающие, что СК играет центральную роль в защите растений от био-трофных патогенов, которые питаются живыми клетками хозяина. Участие СК в создании иммунного статуса растения связывают с ее тремя функциями. Во-первых, СК является мобильной молекулой, которая способна выступать в роли клеточного сигнала, воспринимающего, умножающего и передающего информацию из клетки, атакуемой патогеном, на ее генетический аппарат, где и происходит экспрессия защитных генов. Во-вторых, СК является участником функционирования нескольких сигнальных систем, объединяя их в комплексную сеть регуляторных взаимоотношений. В-третьих, СК способна ин-гибировать активность каталазы — фермента, де-токсицирующего перекись водорода, что приводит к "окислительному взрыву" в месте атаки патогеном или обработки элиситором, а также возникновению микровзрывов в местах, удаленных от места первоначальной инфекции, которые вызывают индуцированную устойчивость.
Количество СК в растительных тканях возрастает вслед за инфекцией не только в месте проникновения патогена (локальная устойчивость), но и в отдаленных участках растения (системная индуцированная устойчивость — СИУ). СИУ продолжительно защищает растения от широкого спектра патогенов, включая вирусы, бактерии, грибы и оомицеты (ОшгаП;, Эоп§, 2004). Прояв-
ление СИУ связывают с активацией ряда PR1-re-нов (Ward et al., 1991; Ryals et al., 1996; Maleck et al., 2000) и согласованным действием их продуктов. PR-белки служат мощным молекулярным маркером СИУ (Nibbe et al., 2002). Удаление эндогенной СК приводит к неспособности растений индуцировать СИУ, в результате чего ткани растения становятся восприимчивыми к патогенной инфекции (Gaffney et al., 1993; Qin et al., 1994).
СК-сигнализация осуществляется при участии регуляторного белка NPR1, который является важным компонентом, играющим ключевую роль в NPR1-зависимой СК-сигнализации и индукции СИУ. Установлено, что белок NPR1 присутствует в растении в двух различных конформациях — в мономерной форме и в виде высокомолекулярного комплекса, образованного из мономерных остатков (Qin et al., 1994; Kinkema et al., 2000). Активной формой NPR1 для индукции PR1-белков является мономер. Именно мономер способен передвигаться в ядро и взаимодействовать с факторами транскрипции TGA, которые участвуют в СК-индуцирован-ной экспрессии PR-генов (Feng et al., 2003; Durrant, Dong, 2004; Васюкова, Озерецковская, 2007). Накопление СК или нанесение экзогенной СК на ткани растения стимулировало перемещение NPR1 в ядро, что необходимо для активации сигнализации (Despres et al., 2000). Белок NPR1 обнаруживается в ядре непосредственно перед СИУ (Dong, 2001).
Таким образом NPR1-зависимая СК-сигнали-зация участвует в формировании иммунного статуса растения от биотических патогенов, активируя экспрессию защитных генов, ответственных за структурную и функциональную целостность растений.
В настоящее время признано, что СК является одной из ключевых молекул СК-зависимого сигнального пути формирования индуцированной устойчивости, однако исследование ее роли осложняется тем, что в каждой патосистеме существует своя специфика участия СК в индуцировании защитных механизмов.
Участие СК-сигнализации во взаимоотношениях фитонематод и растений исследовали на мутантах Arabidopsis thaliana при заражении цисто-образующей нематодой Heterodera schachtii. Было показано, что устойчивость растений к нематодам связана с СК-сигнализацией, которая осуществляется при участии белка NPR1. У мутантов арабидопсиса, дефицитных по содержанию СК (sid2-1, pad4-1 и NahG), наблюдалась повышенная восприимчивость к нематоде, обработка с помощью СК снижала восприимчивость растений. Проведенные исследования показали также, что индуцирование экспрессии PR-генов, наблюдаемое при инвазии растений нематодами, связано с
СК-сигнализацией, в то время как экспрессия PR-2и PR-5не зависит от СК (Wubben etal., 2008).
Установлена роль СК как медиатора передачи сигнала в устойчивых растениях томатов с геном Mi при заражении их галловой нематодой Meloid-ogyne incognita (Branch et al., 2004). Проведенные исследования на двух группах трансгенных му-тантных растений томатов, как восприимчивых, так и устойчивых (с генами устойчивости) к галловой нематоде, у которых была нарушена передача сигнала с участием СК или жасмоновой кислоты, привели к заключению, что в передаче сигнала на геном в устойчивом растении принимает участие именно СК.
Ранее нами были получены данные, которые показали увеличение количества СК в инвазиро-ванных галловой нематодой тканях томатов, обработанных биогенными элиситорами (Васюкова и др., 2003). На этой же системе паразит—хозяин: томаты—галловая нематода, было показано, что различные способы обработки томатов СК (погружение корней в растворы СК, опрыскивание растений, внесение под корень) снижают зараженность корней галловой нематодой (Sirohi etal., 2006; Molinari, 2008), что указывает на то, что СК может выполнять роль элиситора устойчивости томатов к нематодам.
В данной работе на модельной системе томаты Lycopersicon esculentum (Mill.) — галловая нематода M. incognita (Kofoid et White, 1919) Chitwood, 1949, раса 1 была изучена роль СК как возможного компонента передачи сигналов при инвазии растений паразитическими нематодами при индуцированной устойчивости.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В работе были использованы растения томатов F1 Сольвейг с генами устойчивости к галловой нематоде (гены Mi), а также F1 Карлсон, восприимчивый к нематоде (индекс устойчивости ~30%). В качестве индуктора СИУ был использован водорастворимый низкомолекулярный хитозан.
Семена томатов перед высадкой в грунт выдерживали в течение 2 ч в водных растворах хитозана (100 мкг/мл), СК в различных концентрациях и смеси хитозана и СК. Семена контрольных растений томатов замачивали в воде. Через 3 нед после прорастания часть растений инвазировали нематодой — 3000 личинок на растение. Заражение растений и их выращивание проводили по общепринятым методикам (Зиновьева, Удалова, 1994).
Опыты проводили в 10-кратной повторности. О системном защитном действии хитозана судили по степени зараженности корней томатов галловой нематодой через 40 сут после внесения инвазии. Подсчитывали также число галлов на корнях растений, размеры самок нематод и их
Таблица 1.
Содержание СК (мг/г сырой ткани) в тканях устойчивых и восприимчивых к нематодам томатов
Исследуемый орган Восприимчивый сорт Карлсон Устойчивый сорт Сольвейг НСР
Здоровые растения
Листья 5 41 29
Корни 221 407 128
Инвазированные растения
Листья 147 322 104
Корни 573 421 132
Примечание. НСР — наименьшая существенная разница при Р = 0.05 (для табл. 1—7).
плодовитость. На 7-е сут после инвазии отбирали ткани листьев, стеблей и корней, которые использовали в дальнейших экспериментах для определения биохимических показателей иммунного состояния растений.
Содержание СК определяли в листьях и корнях здоровых и инвазированных М. incognita томатов, обработанных хитозаном. СК экстрагировали по методу (Meuwly, Metraux, 1993) и определяли с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (HPLC) на приборе HPLC-system "Стайер" (Россия) на колонке Luna "Phenomenex" (Россия) CI8 (250 х 4.8 мм х 5 мкм), петля 20 мкм. Д
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.