Введение к работе
Актуальность исследований. Одной из первоочередных задач современной биологии является выявление путей формирования устойчивости растений к патогенным микроорганизмам. Важную роль в регуляции взаимоотношений системы «растение - патоген» играют активные формы кислорода [Тарчевский, 2000; Ramputh et al, 2002]. Так резкое и многократное повышение уровня АФК (оксидативный взрыв) при инфицировании индуцирует в растениях каскад защитных реакций [Huckelhoven, Kogel, 2003; Bollwel, Daudi, 2009], а их низкая концентрация способствует росту патогенов [Narasimhan et al, 2001; Aver'yanov et al, 2007].
До недавнего времени считалось, что основным регулятором уровня АФК при инфицировании являются растения, а возможный вклад гриба в данный процесс даже не рассматривался. Однако, имеются данные об участии патогенных грибов в регуляции содержания АФК, как через продукцию Н2Ог [Аверьянов и др., 2007], так и через ее утилизацию [Zhang et al, 2004; Tanabe et al, 2009].
В настоящее время интенсивно исследуется сигнальная роль салициловой и жасмоновой кислот, индуцирующих продукцию АФК, в защите растений от патогенов [Allen, Tresini, 2000; Ладыженская, Проценко, 2002; Озерецковская и др., 2008; Шакирова и др., 2011]. Предполагается, что салицилатный сигналинг влияет на устойчивость растений к грибным патогенам с биотрофным типом питания, а жасмонатный - определяет развитие устойчивости к некротрофам. Относительно путей регуляции защитного ответа растений сигнальными молекулами при инфицировании возбудителями грибных болезней со смешанным (гемибиотрофным) типом питания сведения весьма противоречивы [Озерецковская, 2009; Максимов и др., 2011].
Возбудитель септориоза Septoria nodorum Berk поражает мягкую пшеницу Triticum aestivum L. и другие виды злаков, что приводит к значительным потерям урожая. В связи с этим исследования роли про-/ антиоксидантной системы в формировании устойчивости к S. nodorum весьма актуальны. Они имеют большое теоретическое и практическое значение для защиты сельскохозяйственных растений.
Цель работы - выявить закономерности функционирования про-/антиоксидантной системы растений пшеницы при инфицировании возбудителем септориоза Septoria nodorum Berk и обработке сигнальными молекулами.
Задачи исследований:
проанализировать изменения в содержании АФК, активности оксидоредуктаз в растительных тканях при инфицировании S. nodorum и обработке салициловой и жасмоновой кислотами;
изучить экспрессионную активность генов пероксидазы и оксалатоксидазы, интенсивность накопления лигнина в растениях пшеницы при инфицировании различными по агрессивности штаммами гриба S. nodorum и обработке сигнальными молекулами;
- выявить роль грибной каталазы в регуляции уровня Н2Ог в растительных
тканях и проявлении агрессивности патогена;
- провести сравнительную оценку транскрипционной активности генов
оксалатоксидазы и пероксидазы в растениях пшеницы различной устойчивости
при инфицировании возбудителем септориоза.
Научная новизна. Получены оригинальные экспериментальные данные об изменении экспрессии генов оксидоредуктаз в растениях пшеницы при инфицировании различными по агрессивности штаммами S. nodorum и воздействии сигнальных молекул. Выявлено, что салициловая и жасмоновая кислоты оказывают защитное действие на растения пшеницы при инфицировании S. nodorum, индуцируя в них генерацию супероксидного радикала и перекиси водорода. Получены новые данные о защитных свойствах сигнальных молекул против возбудителя септориоза, обусловленные активацией оксалатоксидазы, анионной пероксидазы, ингибиторов протеиназ и снижением активности каталазы. Впервые показано, что одним из факторов, обеспечивающих агрессивность и патогенность гриба S.nodorum, является высокая экспрессионная активность гена каталазы, участвующей в регуляции уровня Н2О2 в растительных тканях.
Практическая значимость работы. Выявлена связь устойчивости пшеницы к возбудителю септориоза с уровнем экспрессионной активности генов оксидоредуктаз в растениях. Результаты исследований детализируют представления о механизмах фитоиммунитета и могут быть использованы для разработки экологически безопасных средств защиты растений, новых методов ДНК-диагностики уровня устойчивости растений к грибным патогенам. Научные положения исследований рекомендуется использовать в качестве учебного материала по дисциплинам: физиология растений, биохимия, защита растений, фитопатология.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 6-й межд. науч.-практ. конф. «Биологическая защита растений как основа экологического земледелия и фитосанитарной стабилизации агроэкосистем» (Краснодар, 2010), межд. конф. «Актуальные проблемы ботаники и экологии» (Ялта, 2010), 2-й и 3-й Всерос. школе-конф. по физико-химической биологии и биотехнологии «Биомика - наука XXI века» (Уфа, 2011, 2012), 7-м съезде общества физиологов растений России «Физиология растений фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий» (Нижний Новгород, 2011), межд. науч.-практ. конф. «Интегрированная защита растений: стратегия и тактика» (Минск, 2011), Всерос. конф. молодых учёных «Биология будущего: традиции и инновации» (Екатеринбург, 2012), 8-м межд. симпозиуме по фенольным соединениям: фундаментальные и прикладные аспекты (Москва, 2012).
Связь с научными программами. Работа поддержана грантами: АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» №2.1.175676; ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № 16.740.11.0061, ГК № П339); РФФИповолжьеа № 11-04-97037; ФЦП
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (ГК№ 16.512.11.2014).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, результатов исследований и их обсуждения, заключения, выводов и списка цитируемой литературы, содержащего 317 источников. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста, иллюстрирована 6 таблицами и 31 рисунком.
