Механизмы формирования системной приобретенной устойчивости у растений ярового ячменя (Hordeum vulgare L.) при инфицировании возбудителем темно-бурой пятнистости

Исследованы физиолого-биохимические ответные реакции растений ярового ячменя на заражение гемибиотрофным фитопатогенным грибом Bipolaris sorokiniana. Показано, что данные ответы регулируются сигнальными путями с участием медиатора салициловой кислоты (СК), что связано с локализованным накоплением активных форм кислорода (АФК) в подвергшихся инфицированию и/или соседних клетках. Выявлено активирование выделенной из листьев ячменя на 1-е и 3-и сутки после грибного заражения микросомальной фракции НАДФН-оксидазы, которая, как известно, ответственна за быстрое образование АФК в растительных клетках под влиянием грибного заражения. При этом активность фермента пероксидазы, осуществляющего детоксикацию АФК, в частности Н₂О₂, на 1-е и 3-и сутки после воздействия увеличилась по отношению к контролю (незараженные растения) в 1,6 и 2,2 раза соответственно. Включение механизмов антиоксидантной защиты привело к стабилизации процессов перекисного окисления липидов через несколько суток после инфицирования. Показано достоверное возрастание в инфицированных тканях растений общего содержания водорастворимых фенольных веществ, оказывающих защитное действие на растения в условиях стресса, а также увеличение свободного пула эндогенной СК на 9 и 30 % в течение первых 24 ч и последующих 3 сут после инфицирования соответственно.

Полученные данные свидетельствуют о том, что эндогенная СК вовлечена в ответные реакции на заражение проростков ячменя Bipolaris sorokiniana и является необходимым элементом для активации SAR (systemic acquired resistance), что проявляется в накоплении свободной СК и уменьшении содержания ее конъюгированной формы в ответ на заражение.

1. Spoel, S. H. How do plants achieve immunity? Defence without specialized immune cells / S. H. Spoel, X. Dong // Nat. Rev. Immunol. - 2012. - Vol. 12, N 2. - P. 89-100. https://doi.org/10.1038/nri3141

2. Plant innate immunity - sunny side up? / S. Stael [et al.] // Trends Plant Sci. - 2015. - Vol. 20, N 1. - P. 3-11. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2014.10.002

3. Metabolomics of cereals under biotic stress: current knowledge and techniques / D. Balmer [et al.] // Front. Plant Sci. -2013. - Vol. 4. - Art. 82. https://doi.org/10.3389/fpls.2013.00082

4. Jones, J. D. G. The plant immune system / J. D. G. Jones, J. L. Dangl // Nature. - 2006. - Vol. 444, N 7117. - P. 323-329. https://doi.org/10.1038/nature05286

5. Kumar, H. Pathogen recognition by the innate immune system / H. Kumar, T. Kawai, S. Akira // Int. Rev. Immunol. -2011. - Vol. 30, N 1. - P. 16-34. https://doi.org/10.3109/08830185.2010.529976

6. Plant disease resistance genes: current status and future directions / M. A. Gururani [et al.] // Physiol. Mol. Plant Pathol. - 2012. - Vol. 78. - P. 51-65. https://doi.org/10.1016Zj.pmpp.2012.01.002

7. Seyfferth, C. Salicylic acid signal transduction: the initiation of biosynthesis, perception and transcriptional reprogramming / C. Seyfferth, K. Tsuda // Front. Plant Sci. - 2014. - Vol. 5. - Art. 697. https://doi.org/10.3389/fpls.2014.00697

8. Asai, S. Plant cells under siege: plant immune system versus pathogen effectors / S. Asai, K. Shirasu // Curr. Opin. Plant Biol. - 2015. - Vol. 28. - P. 1-8. https://doi.org/10.1016/j.pbi.2015.08.008

9. Network properties of robust immunity in plants / K. Tsuda [et al.] // PLoS Genet. - 2009. - Vol. 5, N 12. - P. e1000772. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1000772

10. Durrant, W. E. Systemic acquired resistance / W. E. Durrant, X. Dong // Annu. Rev. Phytopathol. - 2004. - Vol. 42, N 1. - P. 185-209. https://doi.org/10.1146/annurev.phyto.42.040803.140421

11. Signaling by small metabolites in systemic acquired resistance / J. Shah [et al.] // Plant J. - 2014. - Vol. 79, N 4. -Р. 645-658. https://doi.org/10.1111/tpj.12464

12. Systemic acquired resistance and salicylic acid: past, present and future / D. F. Klessig [et al.] // Mol. Plant Microbe Interact. - 2018. - Vol. 31, N 9. - P. 871-888. https://doi.org/10.1094/mpmi-03-18-0067-cr

13. Systemic immunity in plants: biochemical signals and the challenge for practical application / A. L. Adam [et al.] // EC Agriculture. - 2019. - Vol. 5, N 2. - P. 57-60.

14. Shah, J. Long-distance communication and signal amplification in systemic acquired resistance / J. Shah, J. Zeier // Front Plant Sci. - 2013. - Vol. 4. - Art. 30. https://doi.org/10.3389/fpls.2013.00030

15. Characterization of LhSorTGA2, a novel TGA2-like protein that interacts with LhSorNPR1 in oriental hybrid lily Sorbonne / L. Wang [et al.] // Bot. Stud. - 2017. - Vol. 58. - Art. 46. https://doi.org/10.1186/s40529-017-0201-y

16. Vallad, G. E. Systemic acquired resistance and induced systemic resistance in conventional agriculture / G. E. Vallad, R. M. Goodman // Crop Sci. - 2004. - Vol. 44, N 6. - P. 1920-1934. https://doi.org/10.2135/cropsci2004.1920

17. Шамрай, С. Н. Гены устойчивости растений: молекулярная и генетическая организация, функция и эволюция / С. Н. Шамрай // Журн. общ. биол. - 2003. - Т. 64, № 3. - С. 195-214.

18. Shaw, M. W. Factors determining the severity of epidemics of Mycosphaerella graminicola (Septoria tritici) on winter wheat in the UK / M. W. Shaw, D. J. Royle // Plant Pathol. - 1993. - Vol. 42, N 6. - P. 882-899. https://doi.org/10.1111/j.1365-3059.1993.tb02674.x

19. Zheng, Q. F. Systemic acquired resistance: turning local infection into global defense / Q. F. Zheng, D. Xinnian // Annu. Rev. Plant Biol. - 2013. - Vol. 64. - P. 839-863. https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-042811-105606

20. Malamy, J. Salicylic acid and plant disease resistance / J. Malamy, D. F. Klessig // Plant J. - 1992. - Vol. 2, N 5. -P. 643-654. https://doi.org/10.1111/j.1365-313x.1992.tb00133.x

21. Methyl salicylate is a critical mobile signal for plant systemic acquired resistance / S.-W. Park [et al.] // Science. -2007. - Vol. 318, N 5847. - P. 113-116. https://doi.org/10.1126/science.1147113

22. Ward, E. R. Coordinate gene activity in response to agents that induce systemic acquired resistance / E. R. Ward // Plant Cell. - 1991. - Vol. 3, N 10. - P. 1085-1094. https://doi.org/10.1105/tpc.3.10.1085

23. Bashyal, B. M. Emergence of aggressive population in the Bipolaris sorokiniana of barley (Hordeum vulgare L.) through anastomosis / B. M. Bashyal, R. Chand, R. Aggarwal // Proceedings of the National Academy of Sciences India. Section B, Biological sciences. - 2015. - Vol. 85, N 4. - P. 935-941. https://doi.org/10.1007/s40011-014-0391-y

24. Morphology, physiology, and virulence of Bipolaris sorokiniana isolates / A. Poloni [et al.] // Curr. Microbiol. - 2009. -Vol. 59, N 3. - P. 267-273. https://doi.org/10.1007/s00284-009-9429-4

25. Acharya K. Bipolaris sorokiniana (Sacc.) Shoem.: the most destructive wheat fungal pathogen in the warmer areas / K. Acharya, A. K. Dutta, P. Pradhan // AJCS. - 2011. - Vol. 5, N 9. - Р. 1064-1071.

26. Screening of barley germplasm for leaf blight (Bipolaris sorokiniana) resistance / N. Jain [et al.] // Indian J. Agricult. Res. - 2014. - Vol. 48, N 1. - P. 67-71. https://doi.org/10.5958/j.0976-058x.48.1.012

27. Мерзляк, М. Н. Активированный кислород и окислительные процессы в мембранах растительной клетки / М. Н. Мерзляк // Итоги науки и техники. Сер. Физиология растений. - 1989. - Т. 6. - С. 111-123.

28. Heath, R. L. Photoperoxidation in isolated chloroplast. Kinetics and stoichicmetry of fatty acid peroxidation / R. L. Heath, L. Packer // Arch. Biochem. Biophys. - 1968. - Vol. 125, N 1. - P. 189-198. https://doi.org/10.1016/0003-9861(68)90654-1

29. LeBel, C. P Evaluation of the probe 2',7'-dichlorofluorescein as an indicator of reactive oxygen species formation and oxidative stress / C. P. LeBel, H. Ischiropoulos, S. C. Bondy // Chem. Res. Toxicol. - 1992. - Vol. 5, N 2. - P. 227-231. https://doi.org/10.1021/tx00026a012

30. A highly sensitive fluorescent micro-assay of H2O2 release from activated human leukocytes using a dehydroxyphenoxazine derivative / J. G. Mohanty [et al.] // J. Immunol. Me2th.2- 1997. - Vol. 202, N 2. - P. 133-141. https://doi.org/10.1016/s0022-1759(96)00244-x

31. Гавриленко, В. Ф. Большой практикум по физиологии растений / В. Ф. Гавриленко, М. Е. Ладыгина, Л. М. Хандобина. - М. : Высш. школа, 1975. - 392 с.

32. Shen, W. Involvement of polyamines in the chilling tolerance of cucumber cultivars / W. Shen, K. Nada, S. Tachibana // Plant Physiol. - 2000. - Vol. 124, N 1. - P. 431-440. https://doi.org/10.1104/pp.124.1.431

33. Pinton, R. Zinc deficiency enhanced NAD(P)H-dependent superoxider radical production in plasma membrane vesicles isolated from roots of bean plants / R. Pinton, I. Cakmak, H. Marschner // J. Exp. Bot. - 1994. - Vol. 45, N 1. - P. 45-50. https://doi.org/10.1093/jxb/45.1.45

34. Protein measurement with the Folin phenol reagent / O. H. Lowry [et al.] // J. Biol. Chem. - 1951. - Vol. 193, N 1. -P. 265-275.

35. Запрометов, М. Н. Основы биохимии фенольных соединений / М. Н. Запрометов. - М. : Высш. школа, 1974. - 214 c.

36. Евдокимова, O. B. Содержание салициловой кислоты и активных форм кислорода в листьях ячменя (Hordeum vulgare) при обработке салицилатами / O. B. Евдокимова, Л. Ф. Кабашникова, Г. Е. Савченко // Вес. Нац. акад. навук Беларуси Сер. бiял. навук. - 2014. - № 3. - С. 57-61.

37. Reactive oxygen species during plant - microbe early interactions / A. K. Nanda [et al.] // J. Integ. Plant Biol. - 2010. -Vol. 52, N 2. - С. 195-204. https://doi.org/10.1111/j.1744-7909.2010.00933.x

38. The plant NADPH oxidase RBOHD mediates rapid systemic signaling in response to diverse stimuli / G. Miller [et al.] // Sci. Signal. - 2009. - Vol. 2, N 84. - P. ra45. https://doi.org/10.1126/scisignal.2000448

39. Томилин, М. В. Пероксидазная ферментная система проростков пшеницы при развитии окислительного стресса в условиях смены светового режима : автореф. дис. ... канд. с.-х. наук : 03.01.04 / М. В. Томилин ; Нижегор. гос. ун-т. - Нижн. Новгород, 2011. - 20 с.

40. Великанов, Л. Л. Почвенные фитопатогенные грибы / Л. Л. Великанов, Е. П. Дурынина. - М. : Изд-во МГУ, 1984. - 107 c.