Введение к работе
Актуальность темы.
По экономической значимости бобовые растения семейства Fabaceae (подсемейства Mimosoideae, Caesalpinoideae, Papilionoideae) ставят на второе место после злаковых культур (ван Беркум, Эрдли, 2002). Это объясняется не только пищевой и технической ценностью представителей подсемейства Papilionoideae, но и их значением для агросистем, где они являются поставщиками форм азота, доступных для соседствующих с ними растительных культур, неспособных ассимилировать атмосферный азот самостоятельно.
Формирование бобово-ризобиального симбиоза представляет собой цепь морфо-физиологических процессов у обоих симбионтов и во многом зависит от успешности прохождения его начальных этапов, которые в настоящее время остаются еще недостаточно изученными, особенно при неблагоприятных условиях. Познание физиолого-биохимических механизмов начальных этапов взаимодействия симбионтов может способствовать разработке мер, направленных на существенное повышение эффективности симбиоза.
Триггерами симбиотических взаимодействий являются специфические фенольные соединения, синтезируемые растением-хозяином. Они выступают в качестве сигнальных молекул со стороны растения и способствуют активизации микросимбионта: вызывают хемотаксис, экспрессию nod- генов, размножение ризобий в ризосфере и ризоплане. Второй аспект действия фенольных соединений – участие в процессах ауторегуляции, связанных с контролированием инфекционных процессов, формированием примордий клубеньков, нодуляцией. Такая роль может быть отведена как эндогенным фенольным соединениям растений, участвующим в контролировании проникновения ризобий в ткани корня, так и входящим в состав семенных и корневых экссудатов, регулирующих концентрацию микросимбионта в ризосфере, от которой может зависеть число формирующихся на корнях клубеньков (Мишустин, Шильникова, 1973).
Системы ауторегуляции бобового растения, вероятно, призваны обеспечивать строго нормированное проникновение бактерий в определенные корневые локусы и формирование количества клубеньков, соответствующего энергетическим возможностям растения. Поэтому ауторегуляция нодуляции имеет особое значение для растения в неблагоприятных условиях его существования. При этом роль растительных фенольных соединений, способных участвовать в системах контролирования начала взаимодействий и инфицирования в условиях действия неблагоприятных внешних факторов (низких температур, недостатка освещения и др.), остается практически неизученной. Выявленные особенности изменения в обмене и свойствах растительных фенольных соединений в неблагоприятных для симбиоза условиях позволят прогнозировать активность формирования симбиоза и будут содействовать поиску способов его регуляции при действии неблагоприятных факторов.
Цель и задачи исследования. Цель работы: изучение роли фенольных соединений в регуляции начальных этапов формирования симбиоза между бобовыми растениями и Rhizobium при неблагоприятных для его становления условиях температуры, освещения.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
1. Изучить влияние абиотических факторов (температуры, условий гидрокультуры) на обмен фенольных соединений в корнях проростков гороха в связи с инокуляцией их Rhizobium.
2. Выяснить роль эндогенных фенольных соединений в контролировании инфицирования корней гороха бактериями Rhizobium в условиях разных температур.
3. Изучить локализацию фенольных соединений в корневых тканях после инфицирования клубеньковыми бактериями корней растений при разных температурах.
4. По показателям ПОЛ определить температурную зависимость проявления защитных реакций в корнях проростков гороха после инокуляции их ризобиями и изучить участие в регуляции ПОЛ эндогенных фенольных соединений.
5. По характеру взаимодействия эпидермальных клеток корня с Rhizobium установить локализацию участков корней, различающихся по восприимчивости к микросимбионту, у проростков, испытывавших действие разных температур.
6. Изучить влияние температуры на ПОЛ после инокуляции Rhizobium в различных по восприимчивости к микросимбионту участках корней.
7. Изучить влияние температуры на обмен фенольных соединений и выяснить характер их участия в защитных реакциях корневых клеток в различающихся по чувствительности к Rhizobium участках корней проростков гороха.
8. Изучить особенности экссудации корнями фенольных соединений и участия их в регуляции численности бактерий Rhizobium в ризосфере в зависимости от температуры и освещения.
9. Оценить роль эндогенных фенольных соединений в контролировании инфицирования корней проростков бобовых растений в светонезависимый период их развития и роль фенольных соединений, выделяемых корнями в ризосферу, в регуляции взаимодействия симбионтов на стадии преинфекции и в последующие периоды после инокуляции в зависимости от условий освещения и температуры среды.
Положения, выдвигаемые на защиту:
Активизация метаболизма фенольных соединений в корнях бобовых при инфицировании Rhizobium в неблагоприятных условиях свидетельствует об их участии в ауторегуляции инфекционного процесса.
В контролировании колонизации корней ризобиями важная роль принадлежит лабильной и химически активной группе «растворимых» фенольных соединений, присутствующих в периферических слоях корневого кортекса.
Содержание, состав и физиолого-биохимические свойства «растворимых» липофильных компонентов, а также степень связывания с клеточными стенками определяют приоритетные механизмы участия фенольных соединений в защитных реакциях клеток зон корней с различной восприимчивостью к Rhizobium.
Факторы внешней среды оказывают влияние на количественный и качественный состав фенольных соединений в корневых экссудатах растения-хозяина, изменяя направленность их воздействия на размножение клубеньковых бактерий при колонизации корня.
Научная новизна
Впервые приведены доказательства важной роли фенольных соединений растения-хозяина в ауторегуляции инфицирования корней бобового растения в неблагоприятных условиях.
Впервые представлены данные, свидетельствующие об участии фенольных соединений, выделяемых корневыми клетками во внешнюю среду, в регуляции размножения ризобий в различные периоды после инокуляции ими корней бобового растения и об изменениях этой регуляции под влиянием абиотических факторов.
Впервые показано, что механизмы реализации протекторных функций фенольных соединений зависят от восприимчивости корневых клеток к Rhizobium. Однако они могут различаться и в разных участках восприимчивых к инфицированию зон корней, при этом характер участия фенольных соединений в защитных реакциях в указанных зонах зависит от температуры выращивания.
Впервые в составе эндогенных и выделяемых корнями во внешнюю среду фенольных соединений гороха выявлены N-фенил-2-нафтиламин и сложные эфиры орто-фталевой кислоты. Предполагается, что высокоактивный и высоколипофильный N-фенил-2-нафтиламин способен участвовать в регуляции уровня АФК в корневых клетках. В составе корневых экссудатов гороха это вещество вместе со стильбеном и эфирами орто-фталевой кислоты могут выполнять роль аллелопатических веществ, подавляющих почвенную микрофлору, включая бактерии Rhizobium.
Использованные методические приемы исследования состава фенольных соединений и примененные автором схемы выращивания растений позволили разработать новое перспективное направление и получить принципиально новую информацию о регуляторной роли фенольных соединений при формировании бобово-ризобиального симбиоза.
Теоретическая и практическая значимость
Полученные результаты вносят существенный вклад в познание механизмов ауторегуляции инфицирования бобовых растений Rhizobium и роли в этих механизмах фенольных соединений корней растения-хозяина.
Результаты показывают, что характер участия фенольных соединений в реакциях на инфицирование Rhizobium определяется особенностями обмена фенольных соединений в различающихся по чувствительности к ризобиальной инфекции участках корней, зависимого от температуры выращивания.
В составе корневых экссудатов гороха выявлены конкретные ароматические вещества – N-фенил-2-нафтиламин, стильбен, сложные эфиры орто-фталевой кислоты аллелопатического действия на микрофлору почвы, в том числе подавляющих размножение их микросимбионтов – клубеньковых бактерий.
Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на международном Симпозиуме «Signal system of рlant cell» (Москва, 2001), Всероссийских научных конференциях «Стрессовые белки растений» (Иркутск, 2004), «Устойчивость растений к неблагоприятным факторам внешней среды» (Иркутск, 2007), «Устойчивость организмов к неблагоприятным факторам внешней среды» (Иркутск, 2009), Втором международном симпозиуме «Сигнальные системы клеток растений: роль в адаптации и иммунитете» (Казань, 2006), «VII международном симпозиуме по фенольным соединениям: фундаментальные и прикладные аспекты» (Москва, 2009), а также на научных сессиях Сибирского института физиологии и биохимии растений (1994, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004, 2006).
Публикации: По материалам диссертации опубликовано 45 работ.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, обзора литературы, объектов и методов исследований, результатов и обсуждения, заключения и выводов, а также списка цитируемой литературы, включающего 469 источников (в том числе 327 на иностранных языках) и Приложения. Работа изложена на 328 страницах, содержит 76 рисунков (11 из них в Приложении) и 16 таблиц (6 из них в Приложении).
