Инновационные гибридные иммуномодуляторы растений на основе хитозана и биоактивных антиоксидантов и прооксидантов

Инновационные гибридные иммуномодуляторы растений на основе хитозана и биоактивных антиоксидантов и прооксидантов

Автор: Попова Э.В., Домнина Н.С., Сокорнова С.В., Коваленко Н.М., Тютерев С.Л.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Иммунитет и защита растений

Статья в выпуске: 1 т.56, 2021 года.

Бесплатный доступ

При инфицировании растений патогенами происходит смещение равновесия между окислительными процессами и антиоксидантной активностью в сторону усиления образования активных форм кислорода (АФК), что влияет на ход развития болезни и по-разному проявляется у фитопатосистем, различающихся по типу паразитизма. В ряде случаев для защиты растений от патогенов необходима генерация АФК (биотрофы), тогда как в других (некротрофы) - наоборот, требуется присутствие антиоксидантов. Влияя определенным образом на индукцию АФК и антиоксидантов, можно регулировать восприимчивость и устойчивость растений к патогенам разной трофности. Нами впервые созданы инновационные гибридные иммуномодуляторы (Хит-Ван+СК), в структуре которых имеются фрагменты биологически активных веществ, обладающих антиоксидантным и прооксидантным действием. Основой таких систем служит хитозан (Хит), содержащий ковалентно присоединенный ванилин (Хит-Ван), который понижает количество АФК за счет стимулирования клеточной антиоксидантной активности (антиоксидантное действие), и связанную лабильной ионной связью салициловую кислоту (СК), наоборот, генерирующую АФК (прооксидантное действие). Изучено действие созданных систем при формировании иммунного ответа растениями-хозяевами ( Triticum aestivum L.) при заражении патогенами с разным типом питания: гемибиотрофом Cochliobolus sativus Drechs (темно-бурая пятнистость) и биотрофом Puccinia recondita Roberge ex Desmaz f. sp. tritici (бурая ржавчина). Показано, что хитозан, содержащий ионно-связанную СК (Хит+СК), повышает устойчивость пшеницы к биотрофу P. recondita и гемибиотрофу C. sativus , тогда как (Хит-Ван) эффективно индуцирует устойчивость только к гемибиотрофу C. sativus. Эффективность (Хит+СК) как индуктора устойчивости в 1,2-2,0 раза превышает индуцирующее действие хитозана. Установлено, что по отношению как к биотрофу, так и к гемибиотрофу гибридные иммуномодуляторы (Хит-Ван+СК) при молярном соотношении ванилина и салициловой кислоты в диапазоне 1:1-1:2 демонстрируют высокую иммуномодулирующую активность независимо от величины молекулярной массы хитозана, что выражается в снижении площади поражения листьев темно-бурой пятнистостью и бурой ржавчиной более, чем в 10 раз по сравнению с контролем. Биологическая эффективность гибридной системы как иммуномодулятора коррелирует с содержанием в ней СК, что подтверждает участие сигнальной салицилатной системы в индукции иммунитета. Установлено, что важную роль в проявлении индуцированной устойчивости гибридными иммуномодуляторами играют антиоксидантные ферменты (супероксиддисмутаза, каталаза и пероксидаза), регулирующие соотношение между окислительными процессами и антиоксидантной активностью. Результаты изучения влияния созданных гибридных систем на основе хитозана (Хит-Ван+СК) на активность антиоксидантных ферментов в системе пшеница- C. sativus показали, что повышение устойчивости растений к патогенам реализуется через контроль интенсивности окислительно-восстановительных процессов в растениях, который обусловлен присутствием в структуре гибридных иммуномодуляторов определенного про- и антиоксидантного баланса. Предложен механизм поведения гибридных иммуномодуляторов, обеспечивающий повышение болезнеустойчивости растений на начальных этапах внедрения патогена, который заключается в способности экзогенной СК, связанной с хитозаном лабильной ионной связью, ингибировать каталазу и пероксидазу, в результате чего в клетках накапливается перекись водорода, способная усиливать экспрессию генов, определяющих защиту от патогенов.

Еще

Хитозан, индуцированная устойчивость, салициловая кислота, ванилин, пшеница, темно-бурая пятнистость, бурая ржавчина

Короткий адрес: https://sciup.org/142229460

IDR: 142229460   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2021.1.158rus

Список литературы Инновационные гибридные иммуномодуляторы растений на основе хитозана и биоактивных антиоксидантов и прооксидантов

  • Гультяева Е.И., Шайдаюк Е.Л., Шипилова Н.П., Левитин М.М., Колесникова О.А., Маслова И.В., Вусатюк М.П. Фитосанитарный мониторинг болезней пшеницы в Северо-западном регионе в 2015 году. Защита и карантин растений, 2016, 4: 29-31.
  • Санин С.С., Назарова Л.Н. Фитосанитарная обстановка на посевах пшеницы в Российской Федерации (1991-2008 гг.). Защита и карантин растений, 2010, 2: 20-26.
  • Гришечкина Л.Д., Долженко В.И. Эффективность и экологическая безопасность современных фунгицидов для защиты зерновых культур. Агрохимия, 2013, 2: 28-33.
  • Тютерев С.Л. Природные и синтетические индукторы устойчивости растений к болезням. СПб, 2014.
  • Gozzo F., Faoro F. Systemic acquired resistance (50 years after discovery): moving from the lab to the field. J. Agric. Food Chem, 2013, 61(51): 12473-12491 (doi: 10.1021/jf404156x).
  • Thakur M., Sohal B.S. Role of Elicitors in inducing resistance in plants against pathogen infection: a review. International Scholarly Research Notices, 2013, 2013: Article ID 762412, (doi: 10.1155/2013/762412).
  • Pieterse C.M., Van Does D., Zamioudis C., Leon-Reyes A., Van Wees S.C. Hormonal modulation of plant immunity. Annual Review of Cell and Developmental Biology, 2012, 28(1): 489-521 (doi: 10.1146/annurev-cellbio-092910-154055).
  • Spoel S.H., Johnson J.S., Dong X. Regulation of tradeoffs between plant defenses against pathogens with different lifestyles. PNAS, 2007, 104(47): 18842-18847 (doi: 10.1073/pnas.0708139104).
  • Bhat B.S., Shahnaz E. Effectors — role in host-pathogen interaction. Journal of Agriculture and Environmental Sciences, 2014, 3(2): 265-285.
  • Luna E., Bruce T.J., Roberts M.R., Flors V., Ton J. Next-generation systemic acquired resistance. Plant Physiology, 2012, 158(2): 844-853 (doi: 10.1104/pp.111.187468).
  • Озерецковская О.Л., Васюкова H.H., Чаленко Г.И., Герасимова Н.Г., Ревина Т.А., Валуева Т.А. Процесс раневой репарации и индуцированная устойчивость клубней картофеля. Прикладная биохимия и микробиология, 2009, 45(2): 220-222.
  • Glazebrook J. Contrasting mechanisms of defense against biotrophic and necrotrophic pathogens. Annual Review of Phytopathology, 2005, 43: 205-227 (doi: 10.1146/annurev.phyto.43.040204.135923).
  • Vargas W.A., Sanz Martin J.M., Rech G.E., Rivera L.P., Benito E.P., Diaz-Minguez J.M., Thon M.R., Sukno S.A. Plant defense mechanisms are activated during biotrophic and necrot-rophic development of Colletotricum graminicola in maize. Plant Physiology, 2012,158(3): 13421358 (doi: 10.1104/pp.111.190397).
  • Dieryckx C., Gaudin V., Dupuy J-W., Bonneu M., Girard V., Job D. Beyond plant defense: insights on the potential of salicylic and methylsalicylic acid to contain growth of the phytopath-ogen Botrytis cinerea. Frontier in Plant Science, 2015, 6: 859-867 (doi: 10.3389/fpls.2015.00859).
  • Zakariyya F., Wahyu Susilo A., Iman Santoso T., Susilo Addy H., Pancaningtyas S. Role of exogenous salicylic acid and benzoic acid applications to vascular streak dieback disease attack on cocoa seedlings. Pelita Perkebunan (a Coffee and Cocoa Research Journal), 2018, 34(1): 33-39 (doi: 10.22302/iccri.jur.pelitaperkebunan.v34i1.305).
  • Shetty N.P., Jorgensen H.J.L., Jensen J.D., Collinge D.B., Shetty H.S. Roles of reactive oxygen species in interactions between plants and pathogens. Eur. J. Plant Pathol., 2008, 121: 267-280 (doi: 10.1007/s10658-008-9302-5).
  • Zurbriggen M.D., Carrillo N., Hajirezael M.R. ROS signaling in the hypersensitive response. Plant Signaling and Behavior, 2010, 5: 393-396 (doi: 10.4161/psb.5.4.10793).
  • Ahanger R.A., Bhat H.A., Ganie S.A., Lone A.A., Bhat T.A., Wani I.A., Khan O.A., Ganai S.A. Reactive oxygen species and their role in plant defense against pathogen ingress. International Journal of Pharmacy Review & Research, 2014, 4(1): 68-74.
  • Ali M., Cheng Z., Ahmad H., Hayat S. Reactive oxygen species (ROS) as defenses against a broad range of plant fungal infections and case study on ROS employed by crops against Verticillium dahliae wilts. Journal of Plant Interactions, 2018, 13(1): 353-363 (doi: 10.1080/17429145.2018.1484188).
  • Васюкова Н.И., Озерецковская О.Л., Чаленко Г.И., Герасимова Н.Г., Львова A.A., Ильина А.В, Левов А.Н., Варламов В.П., Тарчевский И.А. Иммунизирующая активность производных хитозана с салициловой кислотой и ее фрагментами. Прикладная биохимия и микробиология, 2010, 46(3): 379-384.
  • Barna B., Fodor J., Harrach B., Pogany M., Kiraly Z. The Janus face of reactive oxygen species in resistance and susceptibility of plants to necrotrophic and biotrophic pathogens. Plant Physiology and Biochemistry, 2012, 59: 37-43 (doi: 10.1016/j.plaphy.2012.01.014).
  • Galvez-Valdivieso G., Mullineaux P.M. The role of reactive oxygen species in signaling from chloroplasts to the nucleus. Physiologia Plantarum, 2010, 138(4): 430-439 (doi: 10.1111/j.1399-3054.2009.01331.x).
  • Baxter A., Mittler R., Suzuki N. ROS as key players in plant stress signalling. Journal of Experimental Botany, 2014, 65: 1229-1240 (doi: 10.1093/jxb/ert375).
  • Карпун Н.Н., Янушевская Э.Б., Михайлова Е.В. Механизмы формирования неспецифического индуцированного иммунитета у растений при биогенном стрессе. Сельскохозяйственная биология, 2015, 50(5): 540-549 (doi: 10.15389/agrobiology.2015.5.540rus).
  • Shetty N.P., Mehrabi R., Lutken H., Haldrup A., Kema G.H.J., Collinge D.B., Jшrgensen H.J.L. Role of hydrogen peroxide during the interaction between the hemibiotrophic fungal pathogen Septoria tritici and wheat. New Phytologist, 2007, 174(3): 637-647 (doi: 10.1111/j.1469-8137.2007.02026.x).
  • Eloy Y.R., Vasconcelos I.M., Barreto A.H., Freire-Filho F.R., Oliveira J.T.A. H2O2 plays an important role in the life style of Colletotrichum gloeosporioides during interaction with cowpea [Vigna unguiculata (L.) Walp.]. The British Mycological Society, 2015, 119: 747-757 (doi: 10.1016/j.funbio.2015.05.001).
  • Torres M.A. ROS in biotic interactions. Physiologia Plantarum, 2010, 138: 414-429 (doi: 10.1111/j.1399-3054.2009.01326.x).
  • Jindrichova B., Fodo J., Sindelarova M., Burketov L., Valentova O. Role of hydrogen peroxide and antioxidant enzymes in the interaction between a hemibiotrophic fungal pathogen, Lepto-sphaeria maculans, and oilseed rape. Environmental and Experimental Botany, 2011, 72(2): 149156 (doi: 10.1016/j.envexpbot.2011.02.018).
  • Gill S.S., Tuteja N. Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants. Plant Physiology and Biochemistry, 2010, 48(12): 909-930 (doi: 10.1016/j.plaphy.2010.08.016).
  • Максимов И.В., Черепанова Е.А. Про/антиоксидантная система и устойчивость растений к патогенам. Успехи современной биологии, 2006, 126: 250-261.
  • Khaledi N., Taheri P., Falahati-Rastegar M. Reactive oxygen species and antioxidant system responses in wheat cultivars during interaction with Fusarium species. Australasian Plant Pathol., 2016, 45: 653-670 (doi: 10.1007/s13313-016-0455-y).
  • Hanifei M., Dehghani H.R., Choukan R. The role of antioxidant enzymes and phenolic compounds in disease resistance to Fusarium oxysporum f. sp. melonis race 1.2. International Journal of Agronomy and Plant Production, 2013, 48: 1985-1996.
  • Oliveira J.T.A., Barreto A.L.H., Vasconcelos I.M., Eloy Y.R.G., Gondim D.M.F., Fer-nandes C.F., Freire-Filho F.R. Role of antioxidant enzymes, hydrogen peroxide and PRproteins in the compatible and incompatible interactions of cowpea (Vigna unguiculata) genotypes with the fungus Colletotrichum gloeosporioides. J. Plant Physiol. Pathol., 2014, 2(3): 1000131 (doi: 10.4172/2329-955X.1000131).
  • Muzzarelli R.A.A. Chitin. Pergamon Press, Oxford, 1977.
  • Погореленко А.Б., Домнина Н.С., Попова Э.В., Тютерев С.Л. Конъюгаты хитозана и аль-дегидпроизводных фенолов. Вестник СПбГУ, серия 4, 2003, 3(20): 97-104.
  • Федосеева Е.Н., Федосеев В.Б. Взаимодействие хитозана и бензойной кислоты в растворах и пленках. Высокомолекулярные соединения, серия А, 2011, 53(11): 1900-1907.
  • Михайлова Л.А., Мироненко Н.В., Коваленко Н.М. Желтая пятнистость пшеницы. Методические указания по изучению популяций возбудителя желтой пятнистости Pyrenophora tritici-repentis и устойчивости сортов. СПб, 2012: 23-35.
  • Величко А.К., Соловьев В.Б., Генгин М.Т. Методы лабораторного определения общей перекиси, разрушающей активности ферментов растений. Известия ПГПУ им. В.Г. Белинского, 2009, 18: 44-48.
  • Ермаков А.И., Арасимович В.В., Ярош Н.П., Перуанский Ю.В., Луковникова Г.А., Иконникова М.И. Методы биохимического исследования растений. Л., 1987.
  • Giannopolitis C.N., Ries S.K. Superoxide dismutase I. Occurrence in higher plants. Plant Physiology, 1977, 59: 309-314 (doi: 10.1104/pp.59.2.309).
  • Варламов В.П., Немцев С.В., Тихонов В.Е. Хитин и хитозан: природа, получение и применение. М., 2010.
  • Badawy M.E.I., Rabea E.I. A biopolymer chitosan and its derivatives as promising antimicrobial agents against plant pathogens and their applications in crop protection. International Journal of Carbohydrate Chemistry, 2011, 2011: 1-29 (doi: 10.1155/2011/460381).
  • Iriti M., Faoro F. Chitosan as a MAMP, searching for a PRR. Plant Signaling and Behavior, 2009, 4(1): 66-68 (doi: 10.4161/psb.4.1.7408).
  • Henry G., Thonart P., Ongena M. PAMPs, MAMPs, DAMPs and others: an update on the diversity of plant immunity elicitors. Biotechnology, Agronomy, Society and Environment, 2012, 16(2): 257-268
  • Malerba M., Cerana R. Reactive oxygen and nitrogen species in defense/stress responses activated by chitosan in sycamore cultured cells. Int. J. Mol. Sci., 2015, 16(2): 3019-3034 (doi: 10.3390/ijms16023019).
  • Yang G., Jin O., Xu C., Fan S., Wang C., Xie P. Synthesis, characterization and antifungal activity of coumarin-functionalized chitosan derivatives. Int. J. Biol. Macromol., 2018, 106: 179184 (doi: 10.1016/j.ijbiomac.2017.08.009).
  • Kumaraswamy R.V., Kumari S., Choudhary R.C., Sharma S., Pal A., Raliya R., Biswas P., Saharan V. Salicylic acid functionalized chitosan nanoparticle: a sustainable biostimulant for plant. Int. J. Biol. Macromol., 2019, 123: 59-69 (doi: 10.1016/j.ijbiomac.2018.10.202).
  • Liu P.P., Yang Y., Pichersky E., Klessig D.F. Altering expression of Benzoic Acid/Salicylic Acid Car-boxyl Methyltransferase 1 compromises systemic acquired resistance and PAMP-triggered immunity in Arabidopsis. Molecular Plant-Microbe Interactions, 2010, 23(1): 82-90 (doi: 10.1094/MPMI-23-1-0082).
  • Васюкова Н.И., Озерецковская О.Л. Индуцированная устойчивость растений и салициловая кислота. Прикладная биохимия и микробиология, 2007, 43(4): 405-411.
  • Максимов И.В., Сорокань А.В., Черепанова Е.А., Сурина О.Б., Трошина Н.Б., Яруллина Л.Г. Влияние салициловой и жасмоновой кислот на компоненты про-/антиокси-дантной системы в растениях картофеля при фитофторозе. Физиология растений, 2011, 58(2):243-251.
  • Попова Э.В., Коваленко Н.М., Сокорнова C^., Домнина Н.С., Тютерев С.Л. Влияние салициловой кислоты и ванилина на устойчивость пшеницы к возбудителю темно-бурой пятнистости Cochliobolus sativus. Микология и фитопатология, 2017, 51(3): 178-182.
  • El Hadrami A., Adam L.R., El Hardrami I., Daayf F. Chitosan in plant protection. Marine Drugs, 2010, 8(4): 968-987 (doi: 10.3390/md8040968).
  • Озерецковская О.Л., Васюкова Н.И. Действие иммуномодуляторов на устойчивость и восприимчивость картофеля к Phytophthora infestans. Физиология растений, 2006, 53(4): 546-553.
  • Яруллина Л.Г., Трошина Н.Б., Черепанова Е.Г., Заикина Е.А., Максимов И.В. Салициловая и жасмоновая кислоты в регуляции про-антиоксидантного статуса листьев пшеницы при инфицировании Septoria nodorum Berk. Прикладная биохимия и микробиология, 2011, 47(5): 602-608.
  • Sari E., Etebarian H.R._Concentration-dependent effect of salicylic acid application on wheat seedling resistance to take-all fungus Gaeumannomyces graminis var. tritici. Phytoparasitica, 2008, 37(1): 67-76 (doi: 10.1007/s12600-008-0005-4).
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp