У дослідженні проведено інфікування рослин ярої пшениці сорту Омська 33 збудником фузаріозною кореневої гнилі Fusarium (F.) oxysporum Schlectend.:Fr. і сапрофітні цвілевих грибів Aspergillus niger. Насіння інокулював в суспензії спор фітопатогенів (1 • 104 КУО / см3) протягом доби перед посадкою. Індекс розвитку захворювання і довжину проростків оцінювали на 14 день після посадки рослин. Зміст малонового діальдегіду (МДА), активність розчинних і пов'язаних з клітинною стінкою лектинів, каталази, аскорбатпероксидази і розчинної пероксидази оцінювали на 7 добу після інфікування. Встановлено, що F.оxysporum підвищував активність лектинів клітинної стінки, але обидва патогена інгібували активність розчинних лектинів і довжину коренів проростків. При цьому рівень МДА, активність аскорбатпероксидази і розчинної пероксидази збільшувалися у рослин, інфікованих F. оxysporum, A. niger підвищував активність каталази. Мабуть, в залежності від спеціалізації фітопатогена рослини активують різні сигнальні системи, необхідні для формування захисних реакцій.

Анотація наукової статті по агробіотехнології, автор наукової роботи - Невмержицька Юлія Юріївна, Шаймулліна Гульназ Хідіятовна, Тимофєєва Ольга Арнольдовна


ACTIVITY OF LECTIN PROTEINS AND ANTIOXIDANT ENZYMES IN THE WHEAT GERMS, INFECTED WITH MICROMYCETES

In the research presented data of infection contamination of spring wheat plants Omskaya 33 variety by Fusarium root rot pathogen Fusarium (F.) oxysporum Schlectend.:Fr. and saprophytic molds Aspergillus niger. The seeds were inoculated in suspension with spores of phytopathogens (1 • 104 CFU / cm3) within one day. The disease development index and the length of germs was assessed in 14 days after planting. The content of malondialdehyde (MDA), activity of soluble lectins and cell wall lectins, catalase, ascorbate-peroxidase and soluble peroxidase was evaluated in 7 days post infection. It is found that F. oxysporum increased the activity of cell wall lectins but both pathogens inhibited the activity of soluble lectins and length of roots germs. The level of MDA, activity of ascorbate-peroxidase and soluble peroxidase increased in plants infected with F. oxysporum; A. niger increased the activity of catalase. It appears that, depending on the phytopathogen specialization plants activate different signaling systems necessary for the formation of protective responses.


Область наук:

  • Агробіотехнології

  • Рік видавництва: 2016


    Журнал: Известия Самарського наукового центру Російської академії наук


    Наукова стаття на тему 'Активність лектинового білків і антиоксидантних ферментів в проростках пшениці, інфікованих мікроміцетами'

    Текст наукової роботи на тему «Активність лектинового білків і антиоксидантних ферментів в проростках пшениці, інфікованих мікроміцетами»

    ?УДК 58.071

    АКТИВНІСТЬ лектинового БІЛКІВ І АНТИОКСИДАНТНИХ ФЕРМЕНТОВ В проростки пшениці, ІНФІКОВАНИХ мікроміцетів

    © 2016 Ю.Ю. Невмержицька, Г.Х. Шаймулліна, О.А. Тимофєєва

    Казанський (Приволзький) федеральний університет

    Стаття надійшла до редакції 24.05.2016

    У дослідженні проведено інфікування рослин ярої пшениці сорту Омська 33 збудником фузаріоз-ної кореневої гнилі Fusarium (F.) oxysporum Schlectend.:Fr. і сапрофітні цвілевих грибів Aspergillus niger. Насіння інокулював в суспензії спор фітопатогенів (И04 КУО / см3) протягом доби перед посадкою. Індекс розвитку захворювання і довжину проростків оцінювали на 14 день після посадки рослин. Зміст малонового діальдегіду (МДА), активність розчинних і пов'язаних з клітинною стінкою лектинів, каталази, аскорбат-пероксидази і розчинної пероксидази оцінювали на 7 добу після інфікування. Встановлено, що F.оxysporum підвищував активність лектинів клітинної стінки, але обидва патогена інгібували активність розчинних лектинів і довжину коренів проростків. При цьому рівень МДА, активність аскорбатпероксидази і розчинної пероксидази збільшувалися у рослин, інфікованих F. оxysporum, A. niger підвищував активність каталази. Мабуть, в залежності від спеціалізації фітопатогена рослини активують різні сигнальні системи, необхідні для формування захисних реакцій.

    Ключові слова: яра пшениця, фітопатогени, пектин, перекисне окісленіеліпідов, антиоксидантні ферменти

    Захворювання, що викликаються грибними фітопато-генами, призводять до втрат урожаю і знижують якість сільськогосподарської продукції. Великого значення набуває вивчення молекулярних механізмів формування стійкості рослин до різних захворювань, зокрема, до таких, як фузаріоз. Глобальне потепління клімату і незадовільні умови зберігання зерна ведуть до його зараження Аспер-Гілл і забруднення зерна афлотоксину.

    Відомо, що класичний лектин - агглютинин зародка пшениці проявляє високу специфічність до N-ацетилглюкозамін і олігомерів хітину, що свідчить про його захисної ролі при зараженні рослин хітінсодержащімі фітопатогенами [1]. Міжклітинний впізнавання, очевидно, є першим етапом взаємини рослини-господаря і мікроорганізму, і роль рецепторів в розпізнаванні чужорідних інфекційних структур можуть виконувати лектини, пов'язані з клітинною стінкою [2]. З іншого боку, патогенез рослин супроводжується посиленням окислювальних процесів, які мають велике значення для реалізації захисних реакцій [3]. Утворені активні форми кисню можуть впливати на метаболічні процеси як рослини, так і Фітоп-тогена. Однак у стійких рослин окислювальні процеси можуть компенсуватися за рахунок більшого вмісту антиоксидантів. Механізми стійкості рослин до специфічних і неспецифічних фітопатогенів є складні і недостатньо вивчені процеси.

    Мета роботи: з'ясування впливу інфікування специфічним і неспецифічним фітопато-генами на про- та антиоксидантний статус рослин ярої пшениці.

    Матеріали і методи досліджень. Об'єктом дослідження були проростки ярої пшениці Triticum aestivum L. сорту Омська 33. Насіння

    Невмержицька Юлія Юріївна, кандидат біологічних наук, доцент кафедри ботаніки та фізіології рослин. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Шаймулліна Гульназ Хідіятовна, аспірантка Тимофєєва Ольга Арнольдовна, доктор біологічних наук, професор кафедри ботаніки та фізіології рослин. E-mail: Olga. Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    стерилізували 70% етиловим спиртом, промивали стерильною дистильованою водою і інокулював в суспензії спор фітопатогенів (И04 КУО / см3) протягом доби. Інфекційними агентами служили збудник фузаріозною кореневої гнилі Fusarium (F.) oxysporum Schlectend.:Fr. і сапрофітний пліснявий гриб Aspergillus niger. Гриби були виділені з насіння пшениці, районованих для Республіки Татарстан сортів і селекційних ліній. Після інфікування насіння вирощували в кюветах на водопровідній воді при штучному освітленні з 12-ти годинним фотоперіодом протягом 7 і 14 діб. Контрольні рослини росли на водопровідній воді. Коріння 7-добових проростків використовували для визначення вмісту малонового діальдегіду, активності лектинового білків і антиоксидантних ферментів. Індекс розвитку захворювання [4] і довжину коренів листя визначали на 14 добу після інфікування.

    Розчинні лектини екстрагували 0,05 н HCl, лектини клітинної стінки - 0,05% розчином тритона-Х-100 за методом, описаним в роботі [5]. Для визначення кількості білка використовували метод Bradford [6]. Лектинового активність розраховували по мінімальній кількості білка, що викликає аглютинацію еритроцитів (мкг білка / мл) -1 [7]. Рівень перекисного окислення ліпідів (ПОЛ) визначали по накопиченню його продукту - малонового діальдегіду (МДА) [8]. Активність розчинної пероксидази визначали за методом [9], аскорбатпероксидази - за методом [10], каталази за методом [11]. Досліди були проведені в трьох біологічних повторностях. Результати дослідів представлені на малюнках і в таблицях як середнє арифметичне і їх стандартні помилки.

    Результати та обговорення. Вибір фітопатогени-нів для дослідження був обумовлений їх спеціалізацією, тобто приуроченість до певного живильному субстрату - гриби роду Fusarium spp. (F. oxysporum, F. culmorum, F. avenaceum, F. moniliforme) є збудниками кореневої фузаріозною гнилі пшениці, тоді як A.niger - це збудник чорної плесневідной гнилі цибулі і часнику [12]. У рослин, інфікованих F. oxysporum, спостерігали загнивання коренів, побуріння підстав стебел проростків. Індекс розвитку захворювання у рослин цього варіанту

    склав 62%. При зараженні Л. niger видимих ​​змін у виросли рослин не спостерігалося, тоді як загиблі проростки загнили і були покриті грибницею з чорними спорами. Інфікування насіння Б. охуврогіш призвело до зниження схожості до 26%, Л.niger - до 50%, тоді як в контрольному варіанті схожість склала 97%. Вивчення довжини проростків показало, що фітопатогенні гриби не впливали на висоту листя, але значно інгібували зростання коренів проростків пшениці (рис.1).

    запускає реакцію надчутливості клітин [13]. На підставі отриманих нами даних про реакцію активності лектинів на інфікування, можна припустити, що рослини ярої пшениці сорту Омська 33 мають більшу чутливість до Б. охуврогіш в порівнянні з грибом Л. niger. Це підтверджують результати експериментів по визначенню впливу мікроміцетів на інтенсивність ПОЛ мембран (рис. 3).

    Мал. 1. Довжина листя (А) і коренів (Б) 7-ми добових проростків ярої пшениці Омська 33 при інфікуванні фітопатогенами: 1 - контроль; 2 - F. oxysporum, 3 - A niger

    В наступній частині нашої роботи ми досліджували зміни активності лектинового білків, викликані інфікуванням фітопатогенів. Лектини це особливий клас білків, що володіють здатністю оборотно і специфічно зв'язуватися з вуглеводними залишками різної хімічної природи. Оскільки до складу клітинних стінок фітопатогенів входять вуглеводні компоненти, то це властивість лектинів може забезпечувати рослинам здатність розпізнавати цілий ряд фітопатогенів навіть по слабких відмінностей в вуглеводної структурі поверхонь мікроорганізмів, що дозволяє розглядати лектини, що входять до складу клітинних стінок, як рецепторів в міжклітинних взаємодіях з фітопатогенами. У наших експериментах активність розчинних лектинів знижувалася під впливом як специфічного фіто-патогена F. oxysporum, так і неспецифічного A niger, при цьому інгібуючий ефект F. oxysporum на активність розчинних лектинів був виражений сильніше в порівнянні з A. niger (рис. 2 ). Активність лектинів клітинної стінки значно зростала під впливом F. oxysporum, тоді як у варіанті з A. niger активність лектинів клітинної стінки була як у контрольних рослин (рис. 2). Отримані дані свідчать про участь лектинів в процесі взаємодії клітин зі специфічними і неспецифічними патогенами.

    Відомо, що лектини, виділені з різних рослин, здатні специфічно взаємодіяти з різними структурами грибних і бактеріальних клітин: Phytophtora infestans, P. megasperma var. sojae, P. megasperma f. sp. glycinea, Verticillium dahliae, Helminthosporium sativum, Ustilago tritici, Tilletia tritici, Ceratocystis fimriata, Trichoderma viride, Fusarium solani, Argobacterium tumefaciens, Pseudomonas solanacearum. В системі картопля - Phytophtora infestans взаємодія між лектинами і патогенними грибами здійснюється за принципом рецептор-ліганд. При цьому рослинний глікопротеїн виконує функції рецептора, який взаємодіє з лігандом фіто-патогена з утворенням міжклітинної контакту,

    Мал. 2. Активність розчинних лектинів (А) і лектинів клітинної стінки (Б) в 7-ми добових проростках ярої пшениці сорту Омська 33 при інфікуванні патогенними грибами: 1 - контроль; 2 - F. оxysporum, 3 - Л. т§ег

    Активація процесу ПОЛ мембран, викликана посиленою генерацією активних форм кисню (АФК), є одним з найбільш ранніх ефектів, які спостерігаються у рослин при впливі різних стресових факторів, в тому числі і інфікування фітопатогенами [14]. Одним з відносно стабільних продуктів ПОЛ мембранних ліпідів в клітці виступає МДА, по накопиченню якого можна судити про ступінь окислювального стресу [15]. Як видно з рис. 3 фітопатогени F. охуврогіш підвищує інтенсивність утворення МДА в коренях ярої пшениці, тоді як Л nigeг не впливав на цей показник.

    Мал. 3. Вплив фітопатогенів на вміст малонового діальдегіду (А), активність каталази (Б), ас-корбатпероксідази (В) і розчинної пероксидази (Г) в коренях 7-ми добових проростків ярої пшениці сорту Омська 33: 1 - контроль; 2 - F. оxysporum, 3 - Л. т§ег

    Як відомо, утворюється при патогенезі в клітинах рослин пероксид водню Н2О2 виконує сигнальну і захисну функції [3]. В нейтралізації Н2О2 беруть участь різні антиоксидантні ферменти, в тому числі каталаза і пероксидаза. Згідно з нашими дослідженнями в коренях проростків пшениці збільшувалася активність каталази при інфікуванні A. niger, тоді як F. oxysporum знижував активність каталази (рис. 3).

    Відомо, що патогени або елісітори можуть не тільки активувати, а й загальмовує експресію деяких генів, наприклад, каталази і аскорбатпе-роксідази [16]. У той же час активація каталази підсилює вірулентність патогена за рахунок зниження концентрації Н2О2 і придушення окисного вибуху [17]. Підтримка в клітинах пшениці певного рівня H2O2 може бути одним з механізмів захисту від високопатогенного збудника F. oxysporum. З іншого боку, згідно з відомостями літератури, в компенсаторному механізмі антиоксидантної захисту велике значення відводиться аскорбатпероксидази [18], і ефективний захист від АФК здійснюється тільки при супутньому збільшенні активності каталази і аскорбатпероксидази [19]. У наших експериментах у відповідь на інфікування як A. niger, так і F. oxysporum (рис. 3). Активність аскорбатпероксидази значно збільшилася, причому більшою мірою під впливом F. oxysporum. Слід зазначити, що недолік активності каталази часто компенсується зростанням активності аскорбатпероксидази [20], що, ймовірно, ми і спостерігаємо при інфікуванні рослин F. oxysporum. У відповідь на зараження мікроміцетами активність розчинної пероксидази зростала тільки під впливом F. oxysporum (рис. 3). Потрібно відзначити, що активування пероксидази під впливом збудника захворювання є характерною відповідної біохімічної реакцією рослин, по якій можна судити про стійкість рослин. Однак підвищена пероксидазна активність не завжди корелює зі стійкістю і не завжди її індукує.

    Таким чином, ми встановили, що F. oxysporum викликає окислювальний вибух в клітинах коренів проростків пшениці, у гасінні якої беруть участь пероксидази. Пероксидази стимулюють процеси лігніфікації і суберінізаціі клітинних стінок в процесі патогенезу [20], що може бути одним з механізмів захисту від специфічних патогенів. У відповідь на зараження неспецифічним інфекційним мікроміцетів A. niger в клітинах коренів пшениці не змінювалося зміст продуктів ПОЛ, активізувалася каталаза і аскорбатпероксидази. Мабуть, в залежності від спеціалізації фітопато-гена рослини активують різні сигнальні системи, необхідні для формування захисних реакцій.

    Висновки: встановлено, що інфікування проростків пшениці фітопатогенними грибами Fusarium spp. і Aspergillus niger викликає різну реакцію антиоксидантної системи захисту рослин. В нейтралізації окисного стресу, викликаного грибом Aspergillus niger, переважно беруть участь ферменти аскорбатпероксидази і каталаза, тоді як захист від АФК в разі зараження Fusarium spp. здійснюють пероксидази.

    Робота була виконана в рамках виконання «Плану заходів щодо реалізації програми підвищення конкурентоспроможності ФГАОУ ВПО« КФУ »серед провідних світових науково-освітніх центрів на 2013-2020 р».

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ:

    1. Mirelman, D.E. Inhibition of Fungal Growth by Wheat Germ Agglutinin / D.E. Mirelman, E. Galun, N. Sharon et al. // Nature. 1975. V. 256. P. 414-416.

    2. Toyoda, H. Resistance mechanism of cultured plant cells to tobacco mosaic virus (II) Resistance of calli, protoplasts, cotyledons, leaf discs and intact leaves of tomato plants / H. Toyoda, M. Yamamoto // Ann. Phytopath. Soc. Japan. 1983. V. 49. P. 639-646.

    3. Neil, S.J. Hydrogen peroxide and nitric oxide as signaling molecules in plants / S.J. Neill, R. Desikan, A.Clarke et al. // Journal of Experimental Botany. 2002. V. 53. P. 1237-1247.

    4. Дементьєва, М.І. Фитопатология. - М .: Агропромиздат, 1985. 397 с.

    5. Тимофєєва, О.А. Індуковані модифікаторами цитоскелету зміни активності лектинів при адаптації рослин до низьких температур і обробці АБК / О.А. Тимофєєва, Л.П. Хохлова, Т.В. Трифонова і ін. // Фізіологія рослин. 1999. Т.46. № 2. С.181-186.

    6. Bradford, M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding // Anal. Biochem. 1976. V. 72. P. 248-254.

    7. Lutsik, M.D. Lektiny (Lectins) / M.D. Lutsik, E.N. Panasyuk, A.D. Lutsik // Lvov: Vishcha Shk, 1981. 156 p.

    8. Kumar, G.N. Changes in lipid peroxidation and lipolitic and freeradical scavenging enzyme activities during aging and sprouting of potato (Solanum tuberosum) seed-tubers / G.N. Kumar, N.R. Knowles // Plant. Physiol. 1993. V. 102. P. 115 124.

    9. Єрмаков, А.І. Методи біохімічного дослідження рослин / А.І. Єрмаков, В.В. Арасімовіч, Н.П. Ярош та ін. - Л .: Агропромиздат, 1987. C. 41-45.

    10. Nakano, Y. Hydrogen peroxide is scavenged by ascorbate specific peroxidase in spinach chloroplasts / Y. Nakano, K. Asada // Plant Cell Physiol. 1981. V. 22. P. 867-880.

    11. Лукаткін, А.С. Внесок окисного стресу в розвиток холодового пошкодження в листі теплолюбних рослин. Освіта активованих форм кисню при охолодженні рослин // Фізіологія рослин. 2002. Т. 49. С. 697-702.

    12. Шкаликов, В.А. Захист рослин від хвороб / В.А. Шкаликов, О.О. Белошапкина, Д.Д. Букрєєв та ін. - М .: Колос, 2004. 255 с.

    13. Molodchenkova, O.O. Lectins and defense reactions of plants / O.O. Molodchenkova, V.G. Adamovskaya // Bulletin of the Kharkov National Agrarian University, series Biology. 2014. V. 1. № 31. P. 30-46.

    14. Курганова, Л.Н. Перекисне окислення ліпідів Антіокия-сідантная система захисту в хлоропластах гороху при тепловому шоку / Л.М. Курганова, А.П. Веселов, Т.А. Гончарова, Ю.В. Синіцина // Фізіологія рослин. 1997. Т. 44. № 5. С. 725-735.

    15. Mittler, R. Oxidative stress, antioxidants and stress tolerance // Trends in Plant Science. 2002. V. 7 (9). P. 405-410.

    16. Mittler, R. Post-transcriptional suppression of cytosolic ascorbate oxidase expression durin pathogen-induced programmed cell death in tobacco / R. Mittler, M. Cohen // Plant Cell. 1998. V. 10. P. 461-473.

    17. Ярулліна, Л.Г. Cаліціловая і жасмонової кислоти в регуляції про-антиоксидантного статусу листя пшениці при інфікуванні Septoria nodorum Berk. / Л.Г. Ярулліна, Н.Б. Трошина, Е.А. Черепанова та ін. // Прикладна біохімія та мікробіологія. 2011. Т.47. № 5. С.602-608.

    18. Apel, K. Reactive oxygen species: metabolism, oxidative stress, and signal transduction / K. Apel, H. Hirt // Annu. Rev. Plant Biol. 2004. V. 55. P. 373-399.

    19. Pastori, G.M. Post-transcriptional regulation prevents accumulation of glutathione protein and activity in the bundle sheath cells of maise / G.M. Pastori, P.M. Mullineaux, C.H. Foyer // Plant Physiol. 2000. V. 122. P. 667-676.

    20. Willekens, H. Catalase is a sink for H2O2 and is indispensable for stress defense in C3 plants / H. Willekens, S. Chamnongpol // EMBO J. 1997. V. 16. P. 4806-4816.

    21. Almagro, L. Class III peroxidases in plant defence reactions / L. Almagro, L. V.G. Ros, S. Belchi-Navarro / J. Experim. Botany. 2009. V. 60 (2). Р. 377-390.

    ACTIVITY OF LECTIN PROTEINS AND ANTIOXIDANT ENZYMES IN THE WHEAT GERMS, INFECTED WITH MICROMYCETES

    © 2016 Yu.Yu. Nevmerzhitskaya, G.H. Shaymullina, O.A. Timofeeva

    Kazan (Volga) Federal University

    In the research presented data of infection contamination of spring wheat plants Omskaya 33 variety by Fusarium root rot pathogen Fusarium (F.) oxysporum Schlectend.:Fr. and saprophytic molds Aspergillus niger. The seeds were inoculated in suspension with spores of phytopathogens (1 • 104 CFU / cm3) within one day. The disease development index and the length of germs was assessed in 14 days after planting. The content of malondialdehyde (MDA), activity of soluble lectins and cell wall lectins, catalase, ascorbate-peroxidase and soluble peroxidase was evaluated in 7 days post infection. It is found that F. oxysporum increased the activity of cell wall lectins but both pathogens inhibited the activity of soluble lectins and length of roots germs. The level of MDA, activity of ascorbate-peroxidase and soluble peroxidase increased in plants infected with F. oxysporum; A. niger increased the activity of catalase. It appears that, depending on the phytopath-ogen specialization plants activate different signaling systems necessary for the formation of protective responses.

    Key words: spring wheat, phytopathogens, lectin, lipid peroxidation, antioxidant enzymes

    Yuliya Nevmerzhitskaya, Candidate of Biology, Associate Professor at the Department of Botany and Plants Physiology. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Gulnaz Shaymullina, Post-graduate Student

    Olga Timofeeva, Doctor of Biology, Professor at the Department of

    Botany and Plants Physiology. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.


    Ключові слова: ЯРОВА ПШЕНИЦЯ /фітопатогени /лектинів /Перекисного окислення ліпідів /АНТИОКСИДАНТНІ ФЕРМЕНТИ /SPRING WHEAT /PHYTOPATHOGENS /LECTIN /LIPID PEROXIDATION /ANTIOXIDANT ENZYMES

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити