Влияние β-1,3-глюкана на защитные реакции растений томата при фузариозном увядании

  • Людмила Федоровна Кабашникова Институт биофизики и клеточной инженерии, Национальная академия наук Беларуси
  • Святослав Николаевич Шпилевский Институт биофизики и клеточной инженерии, Национальная академия наук Беларуси
  • Ирина Николаевна Доманская Институт биофизики и клеточной инженерии, Национальная академия наук Беларуси
  • Виктория Ивановна Лукша Институт биофизики и клеточной инженерии, Национальная академия наук Беларуси

Аннотация

К объективным причинам значительного снижения урожая культуры томата можно отнести заражение возбудителями грибных болезней. В этой связи изучение структурно-функциональных особенностей инфицированного растения представляет важный этап на пути выяснения механизмов устойчивости и создания системы эффективной защиты от болезней грибной этиологии. Изучено влияние препарата, включающего β-1,3-глюкан и водорастворимый полимер на основе сополимера акриламида с акрилатом натрия (ВРП), на развитие патогенного гриба Fusarium oxysporum sp. (Fus. oxy.) на твердой среде Чапека. В лабораторных условиях исследовано формирование защитных реакций, протекающих
в листьях 60-дневных растений томата (Lycopersicon esculentum Mill., сорт Тамара) при искусственном фузариозном заражении. Оценка влияния β-1,3-глюкана и ВРП на рост грибного мицелия свидетельствует, что площадь колоний гриба увеличивается по отношению к контрольному варианту в 4,0 и 4,7 раза соответственно, следовательно, эти соединения не обладают антифунгальной активностью и, более того, стимулируют рост колоний гриба in vitro. Защитное действие препарата, содержащего β-1,3-глюкан и водорастворимый полимер, изучено путем предварительного опрыскивания растений томата, которые переносили из почвенной культуры на водопроводную воду и инфицировали спорами гриба Fus. oxy. через корневую систему. Обнаружено, что обработка растений томата β-1,3-глюканом индуцирует защитные реакции, которые характеризуются повышением содержания активных форм кислорода, полифенолов и антоцианов на фоне увеличения экспрессии генов PR-белков − β-1,3-глюканазы (Glu) и хитиназы (Chi) в листьях томата при инфицировании Fus. oxy. Количественный анализ содержания фотосинтетических пигментов показал, что патогенный гриб оказывает негативное действие на пигментный аппарат, снижая содержание хлорофиллов и каротиноидов в листьях томата, тогда как предварительная обработка растений препаратом, включающим β-1,3-глюкан и ВРП, способствует существенному увеличению содержания фотосинтетических пигментов. Полученные результаты создают научную основу для использования β-1,3-глюкана в овощеводстве для повышения болезнеустойчивости растений томата.

Биографии авторов

Людмила Федоровна Кабашникова, Институт биофизики и клеточной инженерии, Национальная академия наук Беларуси

член-корреспондент НАН Беларуси; доктор биологических наук, доцент; заведующий лабораторией прикладной биофизики и биохимии.

Святослав Николаевич Шпилевский, Институт биофизики и клеточной инженерии, Национальная академия наук Беларуси

научный сотрудник лаборатории прикладной биофизики и биохимии.

Ирина Николаевна Доманская , Институт биофизики и клеточной инженерии, Национальная академия наук Беларуси

кандидат биологических наук, доцент; старший научный сотрудник лаборатории прикладной биофизики и биохимии.

Виктория Ивановна Лукша , Институт биофизики и клеточной инженерии, Национальная академия наук Беларуси

кандидат биологических наук; старший научный сотрудник лаборатории прикладной биофизики и биохимии.

Литература

  1. Shakirova FM. Nespecificheskaya ustoychivost’ rasteniy k stressovym faktoram i yeyo regulyatsiya [Nonspecific resistance of plants to stress factors and its regulation]. Ufa: Gilem; 2001. 160 p. Russian.
  2. Peresypkin VF, editor. Bolezni sel’skokhozyaystvennykh kul’tur [Diseases of agricultural crops]. Kiev: Urozhay; 1991. T. 3. 512 p. Russian.
  3. Sidorova SF. Vertitsilleznoe i fuzarioznoe uvyanie odnoletnikh sel’skokhozyaystvennykh kul’tur [Verticillous and fusarium wilting of annual crops]. Moscow: Kolos; 1983. 157 p. Russian.
  4. Leubner-Metzger G. Functions and regulation of β-1,3-glucanase during seed germination, dormancy release and afterripening. Seed Science Research. 2003;13(1):17–34.
  5. Leclercq J, Fliegmann J, Tellstroem V. Identification of a multigene family encoding putative beta-glucan-binding proteins in Medicago truncatula. Journal of Plant Physiology. 2008;165(7):766–776.
  6. Sriram S, Misra RS, Sahu AK, Maheswari SK. A cell wall glucan elicitor induces resistance in taro against Phytophthora leaf blight. Journal of Plant Diseases and Protection. 2003;110(1):17–26.
  7. Klarzynski O, Plesse B, Joubert JM, Yvin JC, Kopp M, Kloareg B, et al. Linear β-1,3 glucans are elicitors of defense responses in tobacco. Plant Physiology. 2000;124(3):1027–1038.
  8. Mélida H, Sopeña-Torres S, Bacete L, Garrido-Arandia M, Jordá L, López G, et al. Non-branched β-1,3-glucan oligosaccharides trigger immune responses in Arabidopsis. The Plant Journal. 2018;93(1):34–49.
  9. Inui H, Yamaguchi Y, Hirano S. Elicitor actions of N-acetylchitooligosaccharides and laminarioligosaccharides for chitinase and L-phenylalanine ammonia-lyase induction in rice suspension culture. Bioscience, Biotechnology and Biochemistry. 1997;61(6):975–978.
  10. Cosio EG, Feger M, Miller CJ, Antelo L, Ebel J. High-affinity binding of fungal β-glucan elicitors to cell membranes of species of the plant family Fabaceae. Planta. 1996;200(1):92–99.
  11. Aziz A, Poinssot B, Daire X, Adrian M, Bézier A, Lambert B, et al. Laminarin elicits defense responses in grapevine and induces protection against Botrytis cinerea and Plasmopara viticola. Molecular Plant-Microbe Interactions. 2003;16(12):1118–1128.
  12. Kabashnikova L, Abramchik L, Domanskaya I, Savchenko G, Shpileuski S. β-1,3-glucan effect on the photosynthetic apparatus and oxidative stress parameters of tomato leaves under fusarium wilt. Functional Plant Biology. 2020;47(11):988–997.
  13. Rodrigues-Amaya DB, Kimura M. Handbook for Carotenoid Analysis. Washington, D. C.: HarvestPlus; 2004. 63 p.
  14. LeBel CP, Ischiropoulos H, Bondy SC. Evaluation of probe 2,’7’-dichlorfluorescin as an indicator of oxygen species formation and oxidative stress. Chemical Research in Toxicology. 1992;9:304–307.
  15. Mabry TJ, Markham KR, Thomas MB. The Systematic Identification of Flavonoids. Berlin: Springer; 1970. 354 p.
  16. Nikolaeva TN, Lapshin PV, Zagoskina NV. Metod opredeleniya summarogo soderzhaniya fenol’nykh soedineniy v rastitel’nykh ekstraktakh s reaktivom Folina-Denisa i reaktivom Folina-Chokal’teu: modifikatsiya i sravnenie [Method for determining the total content of phenolic compounds in plant extracts with Folin-Denis reagent and Folin-Chocalteu reagent: modification and comparison]. Khimiya Rastitel’nogo Syr’ya [Chemistry of Plant Raw Material]. 2021;(2):291–299. Russian.
  17. Rebrikov DV, Samatov GA, Trofimov DY, Semenov PA. PTsR v real’nom vremeni [Real-time PCR]. Moscow: GEOTARMedia; 2015. 233 p. Russian.
  18. Cao J, Tan X. Comprehensive Analysis of the Chitinase Family Genes in Tomato (Solanum lycopersicum). Plants. 2019;8(3):52.
  19. Milling A, Babujee L, Allen C. Ralstonia solanacearum extracellular polysaccharide is a specific elicitor of defense responses in wilt-resistant tomato plants. PLoS One. 2011;6(1). DOI: 10.1371/journal.pone.0015853.
  20. Ren Z, Li Z, Miao Q, Yang Y, Deng W, Hao Y. The auxin receptor homologue in Solanum lycopersicum stimulates tomato fruit set and leaf morphogenesis. Journal of Experimental Botany. 2011; 62(8):2815–2826.
  21. Du B, Meenu M, Liu H, Xu B. A Concise Review on the Molecular Structure and Function Relationship of β-Glucan. International Journal of Molecular Sciences. 2019;20(16):4032.
  22. Melo TA, Serra IMRS, Nascimento ITVS. Ascophyllum nodosum seaweed extract effect on morphology and cellulolytic ability of the fungus Fusarium oxysporum f. sp. vasinfectum. Research, Society and Development. 2020;9(11). DOI: https://doi.org/10.33448/rsd-v9i11.991322.
  23. Krul LP, Nareyko EI, Matusevich YuI, Yakimtsova LV, Matusevich V. Superabsorbenty na osnove sopolimerov akrilamida s akrilatom natriya [Superabsorbents based on copolymers of acrylamide with sodium acrylate]. Polymer Bulletin. 2000;45(2):159–165.
  24. Fesel PH, Zuccaro A. β-glucan: Crucial component of the fungal cell wall and elusive MAMP in plants. Fungal Genetics and Biology. 2016;90:53-60.
  25. Khan M, Ali S, Al Azzawi TNI, Saqib S, Ullah F, Ayaz A, et al. The Key Roles of ROS and RNS as a Signaling Molecule in Plant-Microbe Interactions. Antioxidants (Basel). 2023;12(2):268.
  26. Vincenzo L, Veronica MT, Cardinali L, Cardinali A. Role of phenolics in the resistance mechanisms of plants against fungal pathogens and insects. In: Imperato F, editor. Phytochemistry: Advances in Research. Kerala, India: Research Signpost; 2006:23–67.
  27. Skadhauge B, Thomsen KK, Wettstein DV. The role of the barley testa layer and its flavonoid content in resistance to Fusarium infections. Hereditas. 1977;126:147–160.
  28. López-Zapata SP, García-Jaramillo DJ, López WR, Ceballos-Aguirre N. Tomato (Solanum lycopersicum L.) and Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici interaction. A review. Revista UDCA Actualidad & Divulgación Científica. 2021;24(1). DOI: https://doi.org/10.31910/rudca.v24.n1.2021.1713.
  29. Srinivas C, Nirmala D, Narasimha Murthy K, Mohan CD, Lakshmeesha TR, Singh B, et al. Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici causal agent of vascular wilt disease of tomato: biology to diversity – A review. Saudi Journal of Biological Sciences. 2019;26(7):1315–1324.
  30. Pshibitko NL, Zenevich LA, Kabashnikova LF. Izmeneniya v fotosinteticheskom apparate pri fuzarioznom uvyanie tomata [Changes in the photosynthetic apparatus during fusarium wilt of tomatoes]. Fiziologiya Rasteniy [Russian Journal of Plant Physiology]. 2006;53(1):25–31. Russian.
  31. Kabashnikova LF. Fotosinteticheskiy apparat i stress u rasteniy [Photosynthetic apparatus and stress in plants]. Minsk: Belaruskaya navuka; 2014. 267 p. Russian.
  32. Sen S, Mukherji S. Season-controlled changes in biochemical constituents and oxidase enzyme activities in tomato (Lycopersicon esculentum Mill.). Journal of Environmental Biology. 2009;30(4):479–483.
  33. Balasubramanian V, Vashisht D, Cletus J, Sakthivel N. Plant beta-1,3-glucanases: their biological functions and transgenic expression against phytopathogenic fungi. Biotechnology Letters. 2012;34(11):1983–1990.
  34. Sela-Buurlage MB, Ponstein AS, Bres-Vloemans SA, Melchers LS, Van Den Elzen PJM, Cornelissen BJC. Only Specific Tobacco (Nicotiana tabacum) Chitinases and β-1,3-Glucanases Exhibit Antifungal Activity. Plant Physiology. 1993;101:857–863.
  35. Wen X, Tengsheng Z, Dandan L, Sufang A, Jinna H, Genyi L. Evolution and Expression Divergence of the Chitinase Gene Family against Leptosphaeria maculans and Sclerotinia sclerotiorum Infection in Brassica napus. Journal of Henan Agricultural Sciences. 2020;49:89–103.
  36. Li J, Zhang R, Qi X, Xie Q, Chen X. A Preliminary Study on Cloning of Chitinase Gene and Relationships to Resistance of Powdery Mildew in Cucumber (Cucumis sativus L.). Molecular Plant Breeding. 2015;13:1584–1591.
  37. Xu J, Xu X, Tian L, Wang G, Zhang X, Wang X, et al. Discovery and identification of candidate genes from the chitinase gene family for Verticillium dahliae resistance in cotton. Scientific Reports. 2016;6:29022.
Опубликован
2024-10-31
Ключевые слова: томаты, активные формы кислорода, полифенолы, хлорофилл, каротиноиды, хитиназа, глюканаза, Fusarium oxysporum sp.
Поддерживающие организации Авторы выражают благодарность Ю. А. Сущевич − кандидату сельскохозяйственных наук, за- ведующему лабораторией иммунитета Республиканского унитарного предприятия «Научно-практический центр зем- леделия Национальной академии наук Беларуси» за предоставленную культуру гриба Fus. oxy., консультации по её выращиванию и процедуре инокуляции растений томата. Работа выполнена в рамках Государственной программы «Наукоемкие технологии и техника» на 2016–2020 годы.
Как цитировать
Кабашникова, Л., Шпилевский, С., Доманская, И., & Лукша, В. (2024). Влияние β-1,3-глюкана на защитные реакции растений томата при фузариозном увядании. Журнал Белорусского государственного университета. Экология, 3, 49-58. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/ecology/article/view/6589
Выпуск
№ 3 (2024): Журнал Белорусского государственного университета. Экология
Раздел
Изучение и реабилитация экосистем