ЦИТОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЗАИМООТНОШЕНИЙ ОРГАНИЗМОВ В ПАТОСИСТЕМЕ «Puccinia triticina Erikss. – ВИДЫ СЕМЕЙСТВА Pоaceae Barnh.» (16.03.2009)

Автор: Плотникова Людмила Яковлевна

Возрастная устойчивость

Пристальное внимание исследователей направлено на гены возрастной устойчивости, поскольку сорта, созданные на их основе в центре CIMMYT, доказали длительную устойчивость (Singh, 2003). Проведенные нами исследования впервые выявили общие закономерности взаимодействия P. triticina с линиями ТсLr12, ТсLr13, ТсLr22a, ТсLr34, ТсLr35, ТсLr37. Установлено, что на устьицах происходил нестабильный окислительный взрыв, что приводило к частичному ингибированию развития инокулюма (рис. 7). В части инфекционных мест (29-60%) гриб был способен проникать в ткани и формировать колонии различного размера с небольшим числом гаусториев. Типичной реакции СВЧ не наблюдалось, но в зоне отмирающих колоний и вокруг пустул происходило медленное разрушение клеток растений. Через 3–5 сут после инокуляции в зоне колоний наблюдался синтез каллозы – маркера окислительных процессов. В этих же локусах выявлен лигнин, обогащенный сирингином, с зеленой автофлуоресценцией, отличающийся по спектру свечения от лигнина в тканях линий TcLr19 и TcLr24. Подавление развития колоний коррелировало с интенсивностью синтеза каллозы и лигнина в их зоне. В то же время лигниновые отложения не создавали барьера на пути распространения мицелия. Поэтому, вероятно, фунгицидное действие проявляли предшественники лигнина.

Мы полагаем, что стабильная защита линий с генами возрастной устойчивости обеспечивается двумя механизмами: 1) пассивными механизмами, слабо стимулирующими морфогенез, что приводит к отмиранию значительной части инокулюма на поверхности и в тканях растений; 2) индуцированной устойчивостью, развивающейся в тканях вследствие окислительного взрыва на части устьиц, впоследствии она усиливается при выделения элиситоров из отмирающих клеток гриба. В сумме эти механизмы обеспечивают плейотропное действие генов возрастной устойчивости на развитие бурой ржавчины: снижение степени поражения, уменьшение размеров пустул и редукцию спорогенеза.

В целом, полученные результаты показывают, что эффективные гены устойчивости экспрессируются в разных тканях и определяют систему защитных

механизмов на разных этапах патогенеза (рис. 7). В значительной части линий эффективная устойчивость реализуется без реакции СВЧ.

6. Влияние системной приобретенной устойчивости (SAR)

на развитие бурой ржавчины пшеницы

Цитологические аспекты влияния SAR на развитие ржавчинных болезней не изучены. SAR стимулировали индукторами с известными механизмами действия. Салициловая (СК) и янтарная кислоты (ЯК) в использованных концентрациях индуцируют окислительный взрыв, Бион – синтез PR-белков.

В тканях линий ТсLr19 и ТсLr24 SAR приводила к подавлению авирулентных изолятов на ранних этапах развития. При этом СК в большей степени усиливала реакции растений линии TcLr24: реакцию СВЧ, синтез каллозы, лигнификацию, разрушение инфекционных структур гриба. ЯК повышала устойчивость линии ТсLr19, при этом интенсивность реакции СВЧ не усиливалась, но наблюдался синтез каллозы и растворимых фенолов в больших зонах листа. По нашему мнению, в тканях линии TcLr24 усиливалась интраклеточная, а в линии TcLr19 – экстраклеточная генерация активных форм кислорода. Бион ускорял реакцию СВЧ и появление лигнина с зеленой автофлуоресценцией. SAR повышала устойчивость растений к вирулентным изолятам, при этом рост колоний и спорогенез существенно подавлялись. Характерными реакциями были слабый синтез

Рис. 7. Схема взаимоотношений P. triticina с устойчивыми линиями пшеницы и проявлений защитных механизмов в патогенезе.

Обозначения: АФК – активные формы кислорода; СК – салициловая кислота; я – ядро; PR –PR-белки; – реакция СВЧ; – разрушение клеток на поздних этапах патогенеза; – каллоза; – лигнин с желтой автофлуоресценцией; – лигнин с зеленой автофлуоресценцией

каллозы и лигнина с зеленой автофлуоресценцией. После обработки растений линии ТсLr24 Бионом происходило разрушение инфекционных структур вирулентного изолята, аналогичное наблюдавшемуся в контрольных устойчивых растениях.

Влияние SAR на возрастную устойчивость изучали в полевых и лабораторных условиях. Эффект зависел от генотипа растений и индуктора. Бион приводил к более сильному подавлению ржавчины, чем ЯК, развитие болезни сильнее подавлялось на линии ТсLr34. Цитофизиологические исследования показали, что SAR мало влияла на проникновение в ткани, но подавляла развитие колоний гриба. Наблюдалось усиление реакции СВЧ, синтеза каллозы и лигнина с зеленой автофлуоресценцией. Обработка Бионом стимулировала разрушение инфекционных структур P. triticina в тканях линии TcLr37.

Исследования SAR, стимулированной индукторами с известным механизмом действия, подтвердили ряд выдвинутых предположений: о взаимосвязи синтеза каллозы с окислительным взрывом, об участии PR-белков в разрушении инфекционных структур гриба; о взаимосвязи накопления лигнина с зеленой автофлуоресценцией с развитием индуцированной устойчивости.

заключение

Проведенные исследования выявили характерные цитофизиологические особенности взаимодействия P. triticina с видами-нехозяевами. На примере семейства Poaceae продемонстрирован комплекс механизмов, определяющий видовой иммунитет. На наборе интрогрессивных линий пшеницы доказано, что механизмы устойчивости видов-нехозяев экспрессируются в разных тканях и на разных этапах патогенеза. Полученная нами информация расширяет представления о фундаментальных основах иммунитета растений, а также может быть использована для создания растений с различными механизмами устойчивости.

Результаты исследований позволили сделать выводы об основах видового иммунитета растений к Puccinia triticina Erikss.:

1. В процессе сопряженной эволюции вид Puccinia triticina приобрел способность воспринимать свойства растений семейства Poaceae Barnh. в качестве стимулов для развития инфекционных структур на поверхности и в тканях листа. Иммунитет к P. triticina видов других семейств определяется отсутствием адекватных стимулов для развития инфекционных структур гриба.

2. Впервые продемонстрировано, что устойчивость видов злаков к P. tri-ticina определяется комплексом сходных неспецифических факторов, которые могут комбинироваться в одном генотипе или быть распределены между растениями в популяциях.

3. Впервые экспериментально продемонстрировано, что при интрогрессии генетического материала видов родов Aegilops, Agropyron, Secale, Triticum в геном Triticum aestivum L. гены устойчивости обеспечивают экспрессию набора защитных механизмов видов-нехозяев в эпидермисе и мезофилле листьев линий пшеницы.

4. Впервые проведены системные исследования цитофизиологических механизмов устойчивости к бурой ржавчине, детерминируемых эффективными генами устойчивости изогенных линий сортов Тэтчер и Новосибирская 67. Разработана классификация генов по цитофизиологическим механизмам устойчивости. Выявлены цитологические маркеры механизмов, которые могут быть использованы для создания образцов с различными сочетаниями факторов резистентности к болезни.

5. Впервые продемонстрирован механизм устойчивости в форме окислительного взрыва на устьицах при контакте аппрессориев P. triticina c линиями пшеницы, несущими интрогрессированные гены родов Aegilops, Agropyron и вида T. timopheevii. В тканях линий с генами Lr23, Lr24, Lr37 установлен механизм защиты, приводящий к разрушению инфекционных структур гриба и, вероятно, связанный с накоплением PR-белков.

6. Длительная устойчивость линий пшеницы обеспечивается подавлением образования инфекционных структур гриба на поверхности и тканях растений, а также развитием комплекса защитных реакций: окислительным взрывом на устьицах и в мезофилльных клетках, синтезом фенольных соединений, реакцией сверхчувствительности, индуцированной устойчивостью.

7. Впервые продемонстрировано, что в процессе микроэволюции при преодолении генов устойчивости пшеницы свойства ржавчинного гриба изменяются в двух направлениях: 1) последовательной адаптации к химическим стимулам растений и усиления морфогенеза инфекционных структур; 2) постепенной утраты элиситоров, что приводит к снижению интенсивности комплекса защитных реакций в разных тканях растений.

8. Впервые проведено цитофизиологическое исследование возрастной устойчивости пшеницы к бурой ржавчине и установлено, что она обеспечивается набором механизмов: подавлением образования инфекционных структур на поверхности и в ткани листьев; окислительным взрывом при контакте части аппрессориев с устьицами; развитием индуцированной устойчивости.

9. Системная приобретенная устойчивость имеет различное влияние на патогенез в несовместимых и совместимых комбинациях. Выявлены дифференцированное взаимодействие индукторов (салициловой, янтарной кислот и Биона) с генотипами растений и активация различных комплексов защитных реакций.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

Монографии, учебники

1. Плотникова Л.Я. Иммунитет растений и селекция на устойчивость к болезням и вредителям / Л.Я. Плотникова; под ред. Ю.Т.Дьякова. – М.: КолосС, 2007. – 359 с. – (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений).

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и зарубежных изданиях

2. Юдкин Л. Ю. Ультраструктура септального аппарата грибов – паразитов растений / Л. Ю. Юдкин, Л. Я. Плотникова // Микология и фитопатология. – 1983. – Т.17. – Вып. 2. – С. 116–121.

3. Рейтер Б. Г. Расоспецифическая устойчивость и эктофитная стадия развития бурой ржавчины пшеницы / Б. Г. Рейтер, Л. Я. Плотникова, Л. Ю. Юдкин // Микология и фитопатология. – 1985. – Т.19. – Вып. 4. – С. 334–337.

4. Плотникова Л. Я. Клеточные механизмы иммунитета к бурой ржавчине видов-нехозяев и устойчивых видов злаков / Л. Я. Плотникова, Ю.К. Кнаус // Микология и фитопатология. – 2007. – Т. 41. – № 5. – С. 461–470.

5. Плотникова Л. Я. Цитофизиологические особенности проявления генов устойчивости к бурой ржавчине, перенесенных в мягкую пшеницу от дикорастущих злаков / Л. Я. Плотникова, Ю.К. Кнаус, Л.В. Мешкова // Микология и фитопатология. – 2007. – Т. 41. – № 4. – С. 362–373.

6. Плотникова Л. Я. Ультраструктурная основа биотрофных взаимоотношений возбудителя бурой ржавчины и мягкой пшеницы / Л. Я. Плотникова // Цитология. – 2007. – Т. 49. – № 10. – C. 881–888.

7. Плотникова Л. Я. Клеточные особенности иммунной реакции пшеницы с геном Lr19 на заражение возбудителем бурой ржавчины / Л. Я. Плотникова // Цитология. – 2008. – Т.50. – № 2. – C. 124–131.

8. Плотникова Л. Я. Влияние поверхностных свойств и физиологических реакций растений-нехозяев на развитие клеточных структур ржавчинных грибов / Л. Я. Плотникова // Цитология. – 2008. – Т.50. – № 5. – C. 439–446.

9. Плотникова Л. Я. Цитологические, молекулярные и генетические основы видового иммунитета растений к грибным патогенам / Л. Я. Плотникова // Микология и фитопатология. – 2008. – Т. 42. – №5. – С. 393–410.

10. Плотникова Л. Я. Влияние салициловой и янтарной кислот на цитофизиологические реакции пшеницы, инфицированной бурой ржавчиной / Л.Я. Плотникова, Т. Ю. Штубей // Цитология. – 2009. – Т. 51. – №1. – С. 41–50.

11. Плотникова Л. Я. Участие активных форм кислорода в защите линий пшеницы с генами устойчивости видов рода Agropyron от бурой ржавчины / Л.Я. Плотникова // Физиология растений. – 2009. – Т. 56. – №2. – С. 200–209.


загрузка...