Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

УСТОЙЧИВОСТЬ ПШЕНИЦЫ ТИМОФЕЕВА К БУРОЙ РЖАВЧИНЕ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ ГЕНЕРАЦИЕЙ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА И ПОДАВЛЕНИЕМ ОБРАЗОВАНИЯ ГАУСТОРИЙ ГРИБА Puccinia triticina

Пожерукова В.Е. 1 Плотникова Л.Я. 1 Дегтярев А.И. 1
1 Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина Минсельхоза РФ
Вид Triticum timopheevii Zhuk. устойчив к ржавчинным болезням, но его защитные механизмы не исследованы. Изучена устойчивость двух образцов T. timopheevii: к-38555 и к-30920 – к западносибирской популяции возбудителя бурой ржавчины Puccinia triticina Erikss. на ювенильной стадии развития растений. Образцы T. timopheevii были полиморфны по симптомам, более устойчивый к-38555 состоял из иммунных и устойчивых (в соотношении 25:75), а к-30920 – из иммунных, устойчивых и восприимчивых растений (30:55:15). Динамика генерации активных форм кислорода (АФК) в двух образцах была сходной: супероксид-анион О2- накапливался в период 0,5–2 сут, а перекись водорода Н2О2 – через 3–10 сут после инокуляции, причем содержание О2- было выше в более устойчивом образце к-38555, а Н2О2 – в менее устойчивом к-30920. С помощью световой микроскопии и методов цитохимии изучены особенности развития гриба P. triticina и локализация О2- и Н2О2 в листьях T. timopheevii. Повышение содержания АФК коррелировало с отмиранием аппрессориев на устьицах (О2-), реакцией сверхчувствительности (О2- и Н2О2) и ограничением развития колоний и пустул на поздних этапах патогенеза (Н2О2). Одновременно на всех растениях значительная часть колоний с единичными гаусториями прекращала развитие независимо от АФК (в среднем ½ от нанесенного инокулюма). Вероятно, устойчивость T. timopheevii к P. triticina определяется как механизмами, опосредованными накоплением АФК, так и ингибированием развития гаусторий.
Triticum timopheevii
Puccinia triticina
активные формы кислорода
реакция сверхчувствительности (СВЧ)
биотрофия
1. Дорофеев В.Ф., Удачин Р.А., Семенова Л.В. Пшеницы мира [Под ред. В.Ф. Дорофеева]. – Л.: ВО Агропромиздат, 1987. – 560 с.
2. Михайлова Л.А., Квитко К.В. Лабораторные методы культивирования возбудителя бурой ржавчины пшеницы Puccinia recondita f. sp. tritici Rob. ex Desm. // Микология и фитопатология. – 1970. – Т. 4. – С. 269–273.
3. Плотникова Л.Я. Влияние поверхностных свойств и физиологических реакций растений-нехозяев на развитие клеточных структур ржавчинных грибов // Цитология. – 2008. – Т. 50. – С. 439–446.
4. Плотникова Л.Я. Участие активных форм кислорода в защите линий пшеницы с генами устойчивости видов рода Agropyron от бурой ржавчины // Физиология растений. – 2009. – Т. 56. – С. 200–209.
5. Плотникова Л. Я. Иммунологические особенности действия гена устойчивости пшеницы к бурой ржавчине Lr23. II. Цитофизиологические аспекты взаимодействия Puccinia triticina с растениями // Микология и фитопатология. – 2013. – Т. 47. – С. 58–63.
6. Плотникова Л.Я., Пожерукова В.Е., Митрофанова О.П., Айдосова А.Т. Преодоление интрогрессированных от Triticum timopheevii генов устойчивости к бурой ржавчине пшеницы в Западной Сибири: III Всерос. съезд по защите растений (С-Пб., 16–20 дек. 2013 г.). – С. 444–446.
7. Фатхутдинова Д.Р., Сахатбутдинова А.Р., Максимов И.В., Яруллина Л.Г., Шакирова Ф.М. Влияние салициловой кислоты на антиоксидантные ферменты в проростках пшеницы // Агрохимия. – 2004. – № 8. – С. 27–31.
8. Asthir B., Koundal A., Bains N.S., Mann S.K. Stimulation of Antioxidative Enzymes and Polyamines during Strip Rust Disease of Wheat // Biol. Plant. – 2010. – Vol. 54. – Р. 329–333.
9. Bindschedler L.V., Minibayeva F., Gardner S.L., Gerrish C., Davies D.R., Bolwell G.P. Early Signalling Events in the Apoplastic Oxidative Burst in Suspension Cultured French Bean Cells Involve cAMP and Ca2+ // New Phytol. – 2001. – Vol. 151. – Р. 185–194.
10. Boller T., Keen N.T. Perception and Transduction of Elicitor Signals in Host-Pathogen Interactions // Mechanisms of Resistance to Plant Diseases. – Dordrecht: Kluwer, 2000. – Р. 189–230.
11. Heath M.C. Involvement of Reactive Oxygen Species in the Response of Resistant (Hypersensitive) or Susceptible Cowpeas to the Cowpea Rust Fungus // New Phytol. – 1998. – Vol. 138. – Р. 251–263.
12. Heath М.C. Non-host resistance and nonspecific plant defenses // Current Opin. Plant Biol. – 2000. – Vol. 3. – Р. 315–319.
13. Mains E.B., Jackson E.S. Physiological Specialization in the Leaf Rust Wheat Puccinia triticina Erikss. // Phytopathology. – 1926. – Vol. 16. – Р. 89–120.
14. Mendgen K., Wiesel S.G.R., Jux A., Hoffmann J., Boland W. Volatiles Modulate the Development of Plant Pathogenic Rust Fungi // Planta. – 2006. – Vol. 224. – Р. 1353–1361.
15. Wang C.-F., Huang L.-L., Buchenauer H., Han Q.-M., Zhang H.-C., Kang Z.-S. Histochemical Studies on the Accumulation of Reactive Oxygen Species (O2- and H2O2) in the Incompatible and Compatible Interaction of Wheat – Puccinia striiformis f. sp. tritici // Physiol. Mol. Pl. Pathol. – 2007. – Vol. 71. – Р. 230–239.

Изучение взаимодействия патогенных грибов с устойчивыми видами (видами-нехозяевами) необходимо для развития теории иммунитета растений. Кроме того, выявление комплекса механизмов, стабильно защищающих виды-нехозяева от болезней, важно для создания культурных растений с длительной устойчивостью к болезням. Вид Triticum timopheevii Zhuk. считается эталоном устойчивости к грибным заболеваниям и используется в качестве донора генов для селекции пшеницы [1]. Однако механизмы его устойчивости к болезням, включая бурую ржавчину, вызываемую Puccinia triticina Erikss., мало исследованы.

В последние десятилетия большое внимание уделяется изучению роли активных форм кислорода (АФК) в защите растений. Установлено, что окислительный взрыв – универсальная реакция на стрессы, вызываемые действием абиотических и биотических факторов [10]. В устойчивости растений к болезням наиболее изучено значение двух форм АФК – супероксид-аниона О2- и перекиси водорода Н2О2 . Основная часть исследований была проведена на растениях класса Двудольные, а также клеточных культурах разных видов. Доказано, что генерация АФК происходит при заражении устойчивых растений авирулентными штаммами микроорганизмов или обработке продуктами их обмена – элиситорами защитных реакций. АФК оказывают многообразное действие на патогенез: разрушают клетки паразитов; запускают сигнальную трансдукцию, приводящую к активации набора защитных механизмов; участвуют в реализации реакции сверхчувствительности (СВЧ) и в укреплении клеточных стенок [10, 11]. Как правило, окислительный взрыв протекает двухэтапно, первый пик возникает через 5–60 мин после узнавания патогенов элиситоров, а второй – через несколько суток и связан с синтезом белков de novo [9, 10]. Исследования роли окислительного взрыва во взаимодействиях злаков с ржавчинными грибами немногочисленны. На модели «возбудитель желтой ржавчины P. Striiformis f. sp. tritici – мягкая пшеница» показано, что в устойчивом сорте, в сравнении с восприимчивым, была значительно повышена активность ферментов про/антиоксидантной системы на стадии образования пустул [8]. На этой же модели продемонстрировано, что устойчивость сорта была связана с накоплением в клетках О2- и Н2О2, а также развитием реакции СВЧ [15]. В то же время генерация О2- имела решающее значение в устойчивости линий пшеницы с интрогрессированными генами к P. triticina [4].

Целью работы было исследование значения генерации супероксид-аниона и перекиси водорода в устойчивости образцов T. timopheevii к бурой ржавчине.

Материалы и методы исследований

Растительный материал. Образцы вида Triticum timopheevii Zhuk. к-30920 и к-38555 были получены из коллекции Всероссийского института растениеводства им. Н.И. Вавилова (ВИР). Для сравнения результатов в опытах использовали восприимчивый к бурой ржавчине сорт яровой мягкой пшеницы T. Aestivum L. Памяти Азиева. Исследования проводили на 20-дневных растениях в стадии 2-х листьев, выращенных в почве при 16-часовом освещении.

Заражение и культивирование листьев, оценка типа реакции. Урединиоспоры популяции P. triticina были собраны на сортах мягкой пшеницы в Западной Сибири (г. Омск) в 2013 г. Инокулюм для экспериментов размножали на растениях сорта Памяти Азиева. Эксперименты осуществляли на отрезках листьев, их жизнеспособность поддерживали 0,004 % раствором бензимидазола [2]. Инокуляцию проводили суспензией урединиоспор P. triticina (10–12 тыс. спор/ мл). Контрольные растения обрабатывали дистиллированной водой.

Тип реакции растений на заражение определяли через 10 сут после инокуляции (п/ин) при появлении пустул на листьях. Для оценки применяли 5-балльную шкалу: 0 – иммунитет, без симптомов; 0; – мелкие некротические или хлоротические пятна; 1 – мелкие пустулы с зонами некроза; 2 – мелкие и средние пустулы с большими зонами некроза; 3 – пустулы среднего размера с зонами хлороза; 4 – крупные пустулы. Растения с типом реакции 0–2 балла считали устойчивыми, 3–4 балла – восприимчивыми [13]. Оценку проводили на 20 растениях образцов T. timopheevii и 5 T. aestivum в двух повторностях.

Определение содержания супероксид-аниона и перекиси водорода. Содержание О2- оценивали акцепторным методом по окислению адреналина и превращению его в адренохром [7]. Оптическую плотность растворов измеряли при 490 нм на спектрофотометре СФ-26. Содержание Н2О2 в листьях определяли по превращению ксиленолового оранжевого, оптическую плотность раствора определяли при 560 нм [9]. Анализы проводили через 0,5; 1; 2; 3; 5; 10 сут п/ин, в 2-х биологических (по отрезкам 10 листьев) и 3-х аналитических повторностях.

Локализация АФК в тканях и цитологические исследования. АФК определяли путем витального окрашивания листьев: О2- – 0,1 %-ым водным раствором нитросинего тетразолия (НСТ) («Acros», США); Н2О2 – 0,02 %-ым водным 3,3’-диамино-бензидин тетрахлоридом (ДАБ) («Sigma», США) с помощью вакуум-инфильтрации листьев. НСТ образовывал синее, а ДАБ – вишневое соединение [3, 11]. Через 30 мин материал фиксировали в лактофеноле. Для выявления структур гриба те же листья окрашивали 1 %-ым анилиновым синим («Sigma», США) в лактофеноле, затем дифференцировали окраску насыщенным водным раствором хлоралгидрата («Acros», США) [3]. Цитологические исследования проводили на 10 растениях каждого образца T. timopheevii, а также 5 растениях мягкой пшеницы с помощью светового микроскопа Axioscop («Carl Zeiss», ФРГ). Размеры колоний и пустул измеряли с помощью окуляр-микрометра, площадь вычисляли по формуле площади эллипса. В статье приведены средние значения по всем данным и их стандартные ошибки.

Результаты исследования и их обсуждение

На листьях восприимчивого сорта T. aestivum развивались крупные пустулы (балл 4), а образцы T. timopheevii в целом проявили устойчивость к ржавчине. В более устойчивом образце к-38555 75 % растений были иммунны (балл 0, 0;), 25 % – устойчивы (балл 1). В образце к-30920 наблюдался больший полиморфизм растений: 30 % были иммунны (балл 0, 0;), 55 % – устойчивы (балл 1–2), 15 % – восприимчивы (балл 3). Пустулы на листьях к-38555 и к-30920 были существенно меньше, чем на мягкой пшенице (в 11,5 и 7,5 раза соответственно) (таблица).

Характеристика взаимодействия P. triticina с растениями видов пшеницы и накопление АФК в зоне колоний

Образец

Тип реакции, балл

Вариант взаимодействия1

Размеры колоний2, тыс. мкм3

Размеры пустул3, тыс. мкм3

Количество гаусторий, шт./ колонию4

АФК, содержание5, локализация,

время после инокуляции

О2–

Н2О2

T. aestivum

4

V

670,1 ± 84,2

371,2 ± 49,1

14,5 ± 1,8

 

+ под пустулами, 10 сут

T. timopheevii

к-38555

0

I

II

+++ аппрессории, 0,5 сут

0;

III

14,5 ± 1,1

2,1 ± 0,2

+++ мезофилльные клетки, 1–2 сут

+++ мезофилльные клетки,

3–10 сут

IV

13,2 ± 1,1

30,1 ± 2,5

49,2 ± 5,1

1,5 ± 0,2

2,1 ± 0,2

3,4 ± 0,5

+ мезофилльные клетки,

3–5 сут

1

V

80,5 ± 9,8

34,3 ± 4,1

5,2 ± 0,6

++ мезофилльные клетки,

5–10 сут

T. timopheevii

к-30920

0

I

II

+++ аппрессории, 0,5 сут

0;

III

15,6 ± 1,5

 

2,3 ± 0,2

+++ мезофилльные клетки, 1–2 сут

+++ мезофилльные клетки

3–10 сут

IV

13,4 ± 1,2

29,7 ± 3,3

48,5 ± 5,4

1,4 ± 0,1

2,3 ± 0,2

3,8 ± 0,4

+ клеточные стенки

3–5 сут

1–2

3

V

89,6 ± 11,4

157,6 ± 19,5

48,6 ± 6,4

98,6 ± 12,6

8,7 ± 1,5

10,7 ± 1,5

++ 5–10 сут

Примечания. 1 I – остановка на стадии ростковой трубки; II – гибель на стадии аппрессория или подустьичной везикулы; III – гибель колоний с реакцией СВЧ; IV – гибель колоний без СВЧ; V – колонии с пустулами. 2, 3 – 10 сут п/ин. 4 – 3 сут п/ин; 5 + – низкое; ++ – умеренное; +++ – высокое.

poger1.wmf poger2.wmf

а б

Рис. 1. Содержание супероксид-аниона (а) и перекиси водорода (б) в листьях Triticum timopheevii и. T. aestivum (мкМ/ г сырой массы). Интактные растения (контроль): 1 – T. aestivum; 2 – к-38555; 3 – к-30920; зараженные растения; 4 – T. aestivum; 5 – к-38550; 6 – к-30920

poger3.tif

Рис. 2. Развитие инфекционных структур P. triticina на листьях T. aestivum (а–в, з) и T. timopheevii (г–ж, и–м) и накопление АФК: а – аппрессорий на устьице, 1 сут п/ин; б – колония с гаусториями, 3 сут п/ин; в – урединиопустула, 10 сут п/ин; г – ростковая трубка без аппрессория, 1 сут п/ин; д – аппрессорий, погибший на устьице, 0,5 сут п/ин; е – клетки, погибшие в результате реакции СВЧ (стрелки), 2 сут п/ин; ж – вакуолизированные гифы и гаустории (стрелки), 3 сут п/ин, з – аппрессорий на устьице восприимчивого сорта, митохондрии окрашены НСТ, 0,5 сут п/ин; и – накопление O2- в подустьичной везикуле в месте контакта с устьицем (стрелки), 0,5 сут п/ин; к – накопление О2- в цитоплазме клетки, погибшей в результате реакции СВЧ (стрелки), 2 сут п/ин; л – накопление Н2О2 в цитоплазме клеток, погибших в результате реакции СВЧ (стрелки), 3 сут п/ин; м – Н2О2 в цитоплазме отмирающих клеток и на клеточных стенках (стрелки), 10 сут п/ин. Обозначения: А – аппрессорий, Г – гаустория, ИГ – инфекционная гифа, М – митохондрия, МКГ – материнская клетка гаустории, КС – клеточная стенка, ПВ – подустьичная везикула, РТ – ростковая трубка, С – спора, У – устьице, УП – урединиопустула

poger4.wmf

а)

poger5.wmf

б)

Рис. 3. Соотношение вариантов взаимодействия P. triticina с образцами T. timopheevii к-38555 (a) и к-30920 (б). Варианты: I – остановка на стадии ростковой трубки, II – прекращение развития на стадии аппрессория/ подустьичной везикулы, III – гибель колоний с реакцией СВЧ, IV – гибель колоний без СВЧ, V – колонии с пустулами

 

Биохимические исследования показали фоновый уровень супероксид-аниона и перекиси водорода (1,6–1,9 мкмоль/г сырой массы листьев) в контрольных незараженных листьях всех образцов, их содержание достоверно снижалось к концу эксперимента (рис. 1). В зараженных листьях T. aestivum О2- оставался на исходном уровне, а содержание Н2О2 увеличивалось на стадии образования пустул. В листьях образцов T. timopheevii усиление генерации О2- отмечено через 0,5–2 сут п/ин, оно было более выражено в образце к-38555, позже содержание О2- снижалось до исходного уровня. Повышение содержания Н2О2 установлено через 3 сут п/ин (в 1,5–1,6 раза по сравнению с исходным), затем в более устойчивом образце к-38555 ее уровень оставался стабильным, а в к-30920 повышался.

Биотрофный паразит P. triticina образует набор специализированных инфекционных структур для взаимодействия с растением на клеточном уровне. Цитологические исследования показали, что на листьях мягкой пшеницы все споры образовывали ростковые трубки, а затем аппрессории на устьицах через 0,5 сут п/ин. Цитоплазма аппрессориев перемещалась в подустьичные везикулы, оставляя на устьицах пустые оболочки (рис. 2, а). Позже в мезофилле формировались инфекционные гифы, на их концах образовывались материнские клетки гаусторий (МКГ), а через 1 сут п/ин в клетки растений проникали гаустории, необходимые для питания гриба. Гифы имели плотную цитоплазму, образовывали много МКГ и гаусторий (рис. 2, б, таблица). Все колонии сформировали крупные пустулы через 10 сут п/ин (рис. 2, в).

На двух образцах T. timopheevii выявлены 5 вариантов взаимодействия P. triticina с растениями, их соотношение отличалось на разных растениях (рис. 3, а, б):

I – часть спор прекращала развитие на стадии ростковых трубок (рис. 2, г);

II – значительная доля инокулюма (на к-38555 5–55 %, на к-30920 – 5–30 %) погибала на стадии аппрессория, реже – подустьичной везикулы (рис. 2, д);

III – отмирание колоний происходило после внедрения 2–3 гаусторий в мезофилльные клетки и сопровождалось реакцией СВЧ. Сначала происходил коллапс клеток, а через 1 сут их цитоплазма разрушалась и интенсивно окрашивалась анилиновым синим (рис. 2, е);

IV – гибель мелких колоний (в среднем 54 % на к-38555 и 48 % на к-30920) происходила через 3–5 сут п/ин без реакции СВЧ. Колонии по размерам распадались на 3 группы, установлена высокая корреляция между размерами колоний и числом гаусторий в них (r = 0,85). Клетки гриба были слабо окрашены, что свидетельствует об их вакуолизации (рис. 2, ж). После абортации отмечены отложения на стенках, контактировавших с грибом (таблица);

V – колонии формировали пустулы. На устойчивых растениях окраска клеток растения в зоне колоний усиливалась через 5 сут п/ин, и к моменту спороношения они отмирали, образуя визуальные зоны некроза вокруг пустул, одновременно появлялись отложения на клеточных стенках. На восприимчивых растениях образца к-30920 образовывались пустулы большего размера без цитологических признаков несовместимости.

Для уточнения роли АФК в патогенезе была изучена локализация О2- и Н2О2 в тканях. Выявлено присутствие О2- и Н2О2 в поврежденных клетках на срезах листьев как контрольных, так и инфицированных листьев всех образцов, остальные части контрольных растений не окрашивались. Вероятно, накопление АФК связано с травматической реакцией, что объясняет фоновый уровень О2- и Н2О2 в листьях. На зараженных листьях мягкой пшеницы НСТ окрашивал только гранулярные структуры в аппрессориях через 0,5 сут п/ин, что, очевидно, связано с дегидрогеназной активностью митохондрий гриба (рис. 2, з). В листьях T. timopheevii локализация О2- зависела от варианта взаимодействия с грибом. В варианте I окрашивались только митохондрии в кончиках ростковых трубок. В варианте II отмечено интенсивное накопление О2- в цитоплазме аппрессориев (реже подустьичных везикул) через 0,5 сут п/ин, проникновение в ткани ингибировалось (рис. 2, и). Цитоплазма замыкающих клеток устьиц не окрашивалась, что свидетельствует об экстраклеточной генерации О2-, оно было сильнее выражено у образца к-38555. В варианте III О2- накапливался в мезофилльных клетках, погибших в результате реакции СВЧ после внедрения гаусторий через 1–2 сут п/ин (рис. 2, к), но позже исчезал. В остальных вариантах О2- не обнаружен.

В инфицированных листьях мягкой пшеницы слабое накопление Н2О2 обнаружено под пустулами через 10 сут п/ин. В листьях T. timopheevii высокое содержание Н2О2 отмечено в цитоплазме клеток, отмерших в результате реакции СВЧ через 3 сут п/ин (вариант III) (рис. 2, л), зоны некроза и локализации Н2О2 совпадали. Через 5 сут п/ин слабое увеличение Н2О2 выявлено на стенках клеток в зоне абортивных колоний без реакции СВЧ (вариант IV). В зоне небольших колоний с мелкими пустулами, окруженными некрозом (вариант V), отмечено повышение содержания Н2О2 в цитоплазме и на клеточных стенках через 5–10 сут п/ин (рис. 2, м). На восприимчивых растениях T. timopheevii существенного накопления АФК в течение патогенеза не установлено.

Таким образом, в устойчивых растениях T. timopheevii выявлено повышение уровня АФК на разных этапах патогенеза. Оно коррелировало с отмиранием аппрессориев, реакцией СВЧ, а также ограничением размеров колоний и пустул на поздних этапах патогенеза (варианты II, III, V). Не отмечено взаимосвязи между АФК и подавлением развития на поверхности растений, а также абортацией колоний с малым числом гаусторий (варианты I и IV).

Результат патологического процесса зависит от взаимодействия двух организмов, при этом имеют значение как особенности патогена, так и интенсивность защитных реакций растений. Полиморфизм растений внутри образцов может быть связан с генетической неоднородностью T. timopheevii. Этот вид мало окультурен и возделывался в форме стародавних сортов-популяций в Закавказье [1]. Кроме того, причиной возникновения выявленных вариантов взаимодействия могут быть различия по вирулентности между клонами P. triticina. Это предположение подтверждается тем, что в Западной Сибири отмечена потеря устойчивости набора интрогрессивных линий с генами T. timopheevii [6].

Нами впервые изучена генерация АФК при развитии бурой ржавчины на растениях устойчивого вида T. timopheevii. Полученные результаты подтверждают сложившееся представление о двухфазном характере окислительного взрыва, однако новым фактом является то, что первый пик был связан с накоплением О2-, а второй – Н2О2. Ранее при заражении устойчивого сорта мягкой пшеницы P. striiformis f. sp. tritici было показано одновременное накопление О2- и Н2О2 в пораженных клетках, при этом реакция СВЧ развивалась медленно (3 сут вместо 1 сут в наших экспериментах) [15]. На этой же модели получены данные о повышенной активности супероксиддисмутазы, преобразующей О2- в Н2О2, а также ферментов, способных образовывать и утилизировать Н2О2 (диаминоксидазы, полиаминоксидазы, пероксидазы) в устойчивом сорте [8]. При взаимодействии возбудителя ржавчины Uromyces vignae Barclay с иммунным сортом вигны О2- не выявлен, но отмечено накопление Н2О2 и повышение активности пероксидаз в клетках, погибших в результате реакции СВЧ [11]. Можно предположить, что динамика генерации разных форм АФК связана с индивидуальными особенностями партнеров или активностью элементов про/антиоксидантной системы растений.

Выявленные нами варианты взаимодействия P. triticina с растениями T. timopheevii позволяют определить критические моменты патогенеза и оценить влияние АФК на его результаты. Подавление развития грибов до внедрения в ткани (прегаусториальная устойчивость) или после проникновения в единичные клетки растения, отмирающие в результате реакции СВЧ, считается характерным проявлением устойчивости видов-нехозяев. На основании изучения особенностей реакций нехозяев было постулировано, что стабильная защита может определяться механизмами, не связанными с реакцией СВЧ [12]. В целом взаимодействие P. triticina с T. timopheevii соответствуют этим критериям.

Ранее было показано, что образование О2- замыкающими клетками устьиц и накопление его в аппрессориях предотвращало проникновение P. triticina в ткани видов-нехозяев (овса и ячменя), а также линий пшеницы с генами рода Agropyron Lr19, Lr38 [4]. Этот механизм был в меньшей степени значим у T. timopheevii определял гибель только части аппрессориев. Известно, что окислительный взрыв запускает реакцию СВЧ, при этом скорость разрушения клеток зависит от содержания АФК [4]. Вероятно, этот механизм имел ограниченное значение для T. timopheevii, потому что у 20 % растений СВЧ не установлена, а в остальных была связана с 12–20 % взаимодействий. На значительной части (40 %) растений T. timopheevii гриб образовывал пустулы, окруженные зонами отмерших клеток. Вероятно, генерация Н2О2 в зоне таких колоний была связана со вторым пиком окислительного взрыва, а также действием пероксидаз, участвующих в окислении веществ и укреплении стенок с помощью лигнина и сшивок структурных белков [8]. Размеры таких колоний и пустул были существенно меньше, чем на восприимчивых растениях T. aestivum и T. timopheevii, поэтому возможно ингибирующее влияние АФК и индуцируемых ими соединений на развитие патогена и спорогенез.

Для совместимого взаимодействия паразитических грибов с растениями важно не только преодоление механизмов устойчивости, но и установление эффективных трофических связей. Нами впервые показано, что на всех растениях T. timopheevii значительная часть колоний (в среднем около ½ от нанесенного инокулюма) погибала независимо от накопления АФК и реакции СВЧ. Для таких колоний было характерно малое число гаусторий и сильная вакуолизация клеток. Сходный способ ингибирования развития P. triticina был обнаружен и в линии пшеницы с геном Lr23 интрогрессированным от редкого вида T. turgidum [5].

В настоящее время известно, что паразитические грибы воспринимают особенности поверхности, физические и химические свойства растений в качестве стимулов для развития, а при недостаточной стимуляции их морфогенез нарушается. На примере возбудителей ржавчины бобовых культур U. fabae и U. appendiculatus показано, что полисахариды из клеточных стенок и летучие соединения хозяев (нонаналь, деканол и гексенилацетат) усиливают, а фарнезилацетат интенсивно подавляет образование материнских клеток гаусторий [14]. Можно предположить существование у T. timopheevii защитного механизма, нарушающего образование и функционирование гаусторий, следствием чего было нарушение питания и гибель от голодания значительной доли колоний на ранних этапах развития.

Таким образом, полученные результаты показали, что АФК в тканях T. timopheevii участвуют в реализации реакции СВЧ, а также приводят к гибели или ограничением развития P. triticina при внедрении в ткани, проникновении гаусторий в клетки, а также на поздних этапах роста колоний и спорогенезе. Возможно, T. timopheevii обладает дополнительным защитным механизмом, ингибирующим образование гаусторий и нарушающим питание P. triticina.

Рецензенты:

Барайщук Г.В., д.б.н., профессор, профессор ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П.А. Столыпина, г. Омск;

Синдирева А.В., д.б.н., профессор ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П.А. Столыпина, г. Омск.

Работа поступила в редакцию 12.02.2015.


Библиографическая ссылка

Пожерукова В.Е., Плотникова Л.Я., Дегтярев А.И. УСТОЙЧИВОСТЬ ПШЕНИЦЫ ТИМОФЕЕВА К БУРОЙ РЖАВЧИНЕ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ ГЕНЕРАЦИЕЙ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА И ПОДАВЛЕНИЕМ ОБРАЗОВАНИЯ ГАУСТОРИЙ ГРИБА Puccinia triticina // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2-2. – С. 285-292;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=36804 (дата обращения: 08.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074