Помощь студентам в учебе
Оценка интенсивности защитных реакций в растениях ячменя с разной устойчивостью к корневой гнили, вызываемой грибом Fusarium culmorum
|
Список сокращений
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы
1.1 Фитопатогенные грибы – опасные возбудители болезней…
1.1.1 Биотрофные и некротрофные фитопатогенные грибы
1.1.2 Фитопатогенные грибы из рода Fusarium и ущерб, наносимый ими сельскохозяйственным растениям
1.1.3 Методы качественного и количественного определения грибов из рода Fusarium в растениях
1.1.4 Фитопатогенный грибFusarium culmorum и продуцируемые им токсины
1.2 Виды и механизмы растительного иммунитета…………………………………........14
1.2.1 Локальная приобретённая устойчивость……………………………………........15
1.2.2 Системная приобретённая устойчивость……………………………………........16
1.2.3 Индуцированная системная устойчивость……………………………….............18
1.2.4 Интерференция салицилатного и жасмонатного сигнальных путей иммунитета растений
1.2.5 Роль регуляторных белков NPR1 и WRKY в развитии иммунного ответа на поражение растений фитопатогенами
1.2.6 Генотипы растений с различной устойчивостью к фузариозу колоса и фузариозной корневой гнили
ГЛАВА 2. Материалы и методы исследования
ГЛАВА 3. Результаты исследования
ГЛАВА 4. Обсуждение результатов
Выводы
Список литературы……
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы
1.1 Фитопатогенные грибы – опасные возбудители болезней…
1.1.1 Биотрофные и некротрофные фитопатогенные грибы
1.1.2 Фитопатогенные грибы из рода Fusarium и ущерб, наносимый ими сельскохозяйственным растениям
1.1.3 Методы качественного и количественного определения грибов из рода Fusarium в растениях
1.1.4 Фитопатогенный грибFusarium culmorum и продуцируемые им токсины
1.2 Виды и механизмы растительного иммунитета…………………………………........14
1.2.1 Локальная приобретённая устойчивость……………………………………........15
1.2.2 Системная приобретённая устойчивость……………………………………........16
1.2.3 Индуцированная системная устойчивость……………………………….............18
1.2.4 Интерференция салицилатного и жасмонатного сигнальных путей иммунитета растений
1.2.5 Роль регуляторных белков NPR1 и WRKY в развитии иммунного ответа на поражение растений фитопатогенами
1.2.6 Генотипы растений с различной устойчивостью к фузариозу колоса и фузариозной корневой гнили
ГЛАВА 2. Материалы и методы исследования
ГЛАВА 3. Результаты исследования
ГЛАВА 4. Обсуждение результатов
Выводы
Список литературы……
Fusariumculmorum (W. G. Sm.)Sacc. – опасный почвообитающий фитопатогенный гриб, который является возбудителем корневой, стеблевой гнилей и фузариозаколоса зерновых культур (Wagacha, Muthomi, 2007; Beccarietal., 2011). Фузариозы зерновых, вызванные этим фитопатогенным грибом, приводят к недобору урожая, а также к ухудшению качества зерна и его загрязнению микотоксинами (Clear, Patrick, 2006).
Использование средств химической защиты растений является небезопасным для окружающей среды. Кроме того, неоднократное использование фунгицидов приводит к селекции устойчивых рас фитопатогенных грибов. В настоящее время в связи с ухудшающейся экологической ситуацией перспективной альтернативой фунгицидам является создание или отбор устойчивых к болезням, в том числе фузариозной корневой гнили, вызываемой грибом F. culmorum, сортов и генотипов зерновых сельскохозяйственных растений. Для селекции сельскохозяйственных культур с таким полезным признаком необходимо знать, связана ли их различная устойчивость с различиями в интенсивности синтеза сигнальных молекул, защитных и регуляторных белков, то есть с различиями в относительном уровне экспрессии соответствующих генов, кодирующих белковые продукты, и если связана, то каким образом. Устойчивость может быть обеспечена индукцией экспрессии одних и подавлением экспрессии других генов.
Механизмы растительного иммунитета в настоящий момент активно изучаются, однако иммунитет ячменя пока что слабо изучен. Известны две основные сигнальные системы – салицилатная, активирующаяся в основном при заражении растения биотрофными патогенами, и жасмонатная, более свойственная поражению некротрофными патогенами (Фундаментальная фитопатология, 2012; Berens etal., 2017). Изучаемый нами гриб имеет смешанный тип питания, то есть сначала этот патоген ведёт себя в растении как биотроф, растёт в межклеточном пространстве, а потом переходит к некротрофному развитию (Струнникова с соавт., 2013; Motallebietal., 2017a), поэтому можно предположить, что при заражении будут активированы обе сигнальные системы.
В этой связи представляется интересным проследить за изменением уровня экспрессии генов PAL,PR1,PR4,LOX, NPR1, WRKY33 и WRKY34при развитии фузариозной корневой гнили. Ген PAL кодирует фенилаланин-аммоний-лиазу, участвующую в синтезе салициловой кислоты, и индукция его экспрессии свидетельствует об активации синтеза данного фитогормона, накопление которого приводит к индукции экспрессии PR-генов, кодирующих соответствующие белки. К таким генам относятся PR1 и PR4, активация их экспрессии происходит в основном при запуске салицилатной сигнальной системы (Beccari etal., 2011). Ген LOX кодирует липоксигеназу, участвующую в синтезе жасмоновой кислоты, и активизации её синтеза должно предшествовать усиление экспрессии данного гена(Berensetal., 2017). Белок NPR1 и транскрипционные факторы WRKY33 и WRKY34 являются важными регуляторами взаимодействия салицилатнойи жасмонатной сигнальных систем(Gaoetal., 2018). Известно, что между салицилатным и жасмонатным путями существует интерференция, в результате которой может наблюдаться как синергетический, так и антагонистический эффект.
При этом для нас так же важно было проследить за динамикой экспрессии гена TRI13, участвующего в синтезе трихотеценового микотоксина F. culmorum – дизоксиниваленола, так как сравнение скорости и интенсивности экспрессии генов хозяйской защиты с количеством продуцируемых F. culmorum микотоксинов может прояснить вопрос о роли трихотеценов в индукции защитных реакций растений. Таким образом, оценив уровень экспрессии генов, имеющих отношение к двум системам иммунитета, в корнях ячменя после его инфицирования F. culmorum, мы планировали прояснить следующий вопрос: каковы различия в активации двух видов иммунитета у сильно и слабо поражаемого ячменя?
Цель работы – выяснить, связана ли различная устойчивость двух генотипов ячменя к корневой гнили, вызываемой F. culmorum, с различиями в интенсивности синтеза сигнальных молекул, защитных и регуляторных белков.
Задачи.
1. Изучить влияние колонизации корней грибомF. culmorum на биометрические показатели ячменя двух разных генотипов на ранних этапах их развития.
2. Проследить за динамикой колонизации корней ячменя двух разных генотипов грибом F. culmorum и оценить интенсивность проявления корневой гнили у растений ячменя двух разных генотипов.
3. Выяснить, как влияет колонизация корней ячменя двух разных генотипов грибом F. culmorum на экспрессию в их клетках генов хозяйской защиты ячменяLOX,PAL,PR1,PR4, а также регуляторных геновNPR1, WRKY33 и WRKY34.
4. Проследить за экспрессией гена TRI13, участвующего в синтезе трихотеценовых токсинов F. сulmorum, в корнях ячменя двух разных генотипов.
5. На основании полученных данных сделать выводы о различии в механизме иммунного ответа у двух разных генотипов ячменя, отличающихся восприимчивостью к фузариозной корневой гнили.
Использование средств химической защиты растений является небезопасным для окружающей среды. Кроме того, неоднократное использование фунгицидов приводит к селекции устойчивых рас фитопатогенных грибов. В настоящее время в связи с ухудшающейся экологической ситуацией перспективной альтернативой фунгицидам является создание или отбор устойчивых к болезням, в том числе фузариозной корневой гнили, вызываемой грибом F. culmorum, сортов и генотипов зерновых сельскохозяйственных растений. Для селекции сельскохозяйственных культур с таким полезным признаком необходимо знать, связана ли их различная устойчивость с различиями в интенсивности синтеза сигнальных молекул, защитных и регуляторных белков, то есть с различиями в относительном уровне экспрессии соответствующих генов, кодирующих белковые продукты, и если связана, то каким образом. Устойчивость может быть обеспечена индукцией экспрессии одних и подавлением экспрессии других генов.
Механизмы растительного иммунитета в настоящий момент активно изучаются, однако иммунитет ячменя пока что слабо изучен. Известны две основные сигнальные системы – салицилатная, активирующаяся в основном при заражении растения биотрофными патогенами, и жасмонатная, более свойственная поражению некротрофными патогенами (Фундаментальная фитопатология, 2012; Berens etal., 2017). Изучаемый нами гриб имеет смешанный тип питания, то есть сначала этот патоген ведёт себя в растении как биотроф, растёт в межклеточном пространстве, а потом переходит к некротрофному развитию (Струнникова с соавт., 2013; Motallebietal., 2017a), поэтому можно предположить, что при заражении будут активированы обе сигнальные системы.
В этой связи представляется интересным проследить за изменением уровня экспрессии генов PAL,PR1,PR4,LOX, NPR1, WRKY33 и WRKY34при развитии фузариозной корневой гнили. Ген PAL кодирует фенилаланин-аммоний-лиазу, участвующую в синтезе салициловой кислоты, и индукция его экспрессии свидетельствует об активации синтеза данного фитогормона, накопление которого приводит к индукции экспрессии PR-генов, кодирующих соответствующие белки. К таким генам относятся PR1 и PR4, активация их экспрессии происходит в основном при запуске салицилатной сигнальной системы (Beccari etal., 2011). Ген LOX кодирует липоксигеназу, участвующую в синтезе жасмоновой кислоты, и активизации её синтеза должно предшествовать усиление экспрессии данного гена(Berensetal., 2017). Белок NPR1 и транскрипционные факторы WRKY33 и WRKY34 являются важными регуляторами взаимодействия салицилатнойи жасмонатной сигнальных систем(Gaoetal., 2018). Известно, что между салицилатным и жасмонатным путями существует интерференция, в результате которой может наблюдаться как синергетический, так и антагонистический эффект.
При этом для нас так же важно было проследить за динамикой экспрессии гена TRI13, участвующего в синтезе трихотеценового микотоксина F. culmorum – дизоксиниваленола, так как сравнение скорости и интенсивности экспрессии генов хозяйской защиты с количеством продуцируемых F. culmorum микотоксинов может прояснить вопрос о роли трихотеценов в индукции защитных реакций растений. Таким образом, оценив уровень экспрессии генов, имеющих отношение к двум системам иммунитета, в корнях ячменя после его инфицирования F. culmorum, мы планировали прояснить следующий вопрос: каковы различия в активации двух видов иммунитета у сильно и слабо поражаемого ячменя?
Цель работы – выяснить, связана ли различная устойчивость двух генотипов ячменя к корневой гнили, вызываемой F. culmorum, с различиями в интенсивности синтеза сигнальных молекул, защитных и регуляторных белков.
Задачи.
1. Изучить влияние колонизации корней грибомF. culmorum на биометрические показатели ячменя двух разных генотипов на ранних этапах их развития.
2. Проследить за динамикой колонизации корней ячменя двух разных генотипов грибом F. culmorum и оценить интенсивность проявления корневой гнили у растений ячменя двух разных генотипов.
3. Выяснить, как влияет колонизация корней ячменя двух разных генотипов грибом F. culmorum на экспрессию в их клетках генов хозяйской защиты ячменяLOX,PAL,PR1,PR4, а также регуляторных геновNPR1, WRKY33 и WRKY34.
4. Проследить за экспрессией гена TRI13, участвующего в синтезе трихотеценовых токсинов F. сulmorum, в корнях ячменя двух разных генотипов.
5. На основании полученных данных сделать выводы о различии в механизме иммунного ответа у двух разных генотипов ячменя, отличающихся восприимчивостью к фузариозной корневой гнили.
1. Инокуляция корней ячменя двух генотипов грибом F. culmorum привела к увеличению массы побегов как устойчивого, так и восприимчивого генотипа ячменя. Инокуляция корней растений восприимчивого генотипа ячменя грибом F. culmorum привела к снижению массы корней, в то время как инокуляция корней растений устойчивого генотипа ячменя – к увеличению массы корней.
2. F. culmorum активнее заселял корни растений восприимчивого генотипа ячменя, по сравнению с корнями растений устойчивого генотипа ячменя, на ранних этапах колонизации (1-е и 5-е сутки). Более высокая интенсивность корневой гнили была отмечена на 12-е сутки после инокуляции у растений восприимчивого генотипа по сравнению с растениями устойчивого генотипа.
3. Более активная экспрессия наблюдалась в инокулированных грибомF. culmorum корнях устойчивого генотипа ячменя, по сравнению с инокулированными тем же грибом корнями восприимчивого генотипа ячменя, для генов хозяйской защиты ячменя LOX (1-е и 5-е сутки), PAL(5-е и 12-е сутки), PR1 (1-е сутки),PR4 (1-е, 5-е, 12-е сутки), NPR1(1-е, 5-е, 7-е, 12-есутки), WRKY33(5-е, 12-е сутки) и WRKY34(5-е и 12-е сутки).
4. Ген TRI13, участвующий в синтезе трихотеценовых токсинов, экспрессировался в клетках гриба F. сulmorum, колонизировавшего корни восприимчивого генотипа ячменя,более активно, чем в клетках гриба, колонизировавшего корни устойчивого генотипа ячменя.
5. Экспрессия генов хозяйской защиты ячменя в ответ на инокуляцию грибомF. culmorum носила волнообразный характер. В корнях устойчивого генотипа ячменя, по сравнению с корнями восприимчивого генотипа ячменя, активизация экспрессии генов хозяйской защиты в ответ на инокуляцию грибомF. culmorum отмечалась раньше и в ряде сроков была значительно интенсивнее.
2. F. culmorum активнее заселял корни растений восприимчивого генотипа ячменя, по сравнению с корнями растений устойчивого генотипа ячменя, на ранних этапах колонизации (1-е и 5-е сутки). Более высокая интенсивность корневой гнили была отмечена на 12-е сутки после инокуляции у растений восприимчивого генотипа по сравнению с растениями устойчивого генотипа.
3. Более активная экспрессия наблюдалась в инокулированных грибомF. culmorum корнях устойчивого генотипа ячменя, по сравнению с инокулированными тем же грибом корнями восприимчивого генотипа ячменя, для генов хозяйской защиты ячменя LOX (1-е и 5-е сутки), PAL(5-е и 12-е сутки), PR1 (1-е сутки),PR4 (1-е, 5-е, 12-е сутки), NPR1(1-е, 5-е, 7-е, 12-есутки), WRKY33(5-е, 12-е сутки) и WRKY34(5-е и 12-е сутки).
4. Ген TRI13, участвующий в синтезе трихотеценовых токсинов, экспрессировался в клетках гриба F. сulmorum, колонизировавшего корни восприимчивого генотипа ячменя,более активно, чем в клетках гриба, колонизировавшего корни устойчивого генотипа ячменя.
5. Экспрессия генов хозяйской защиты ячменя в ответ на инокуляцию грибомF. culmorum носила волнообразный характер. В корнях устойчивого генотипа ячменя, по сравнению с корнями восприимчивого генотипа ячменя, активизация экспрессии генов хозяйской защиты в ответ на инокуляцию грибомF. culmorum отмечалась раньше и в ряде сроков была значительно интенсивнее.