doi: 10.15389/agrobiology.2017.1.116rus

УДК 635.21:632.3/.4:632.9:579.64

Работа поддержана грантом Российского научного фонда № 14-16-00146. Исследования выполнены с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Геномные технологии и клеточная биология» (Всероссийский НИИ сельскохозяйственной микробиологии).

 

ПСИХРОФИЛЬНЫЕ ПСЕВДОМОНАДЫ-ЭНДОФИТЫ
КАК ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ АГЕНТЫ В БИОКОНТРОЛЕ
ФИТОПАТОГЕННЫХ И ГНИЛОСТНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
ПРИ ХОЛОДИЛЬНОМ ХРАНЕНИИ КАРТОФЕЛЯ

А.В. ЩЕРБАКОВ1, Е.Н. ЩЕРБАКОВА1, С.А. МУЛИНА1, 2, П.Ю. РОЦ1, 2,
Р.Ф. ДАРЬЮ3, Е.И. КИПРУШКИНА4, Л.Н. ГОНЧАР5, В.К. ЧЕБОТАРЬ1

При хранении продовольственного и семенного картофеля существенные потери обусловлены высоким фитопатогенным фоном семян и клубней. В связи с этим внимание исследователей привлекают биологические средства защиты на основе биоконтрольных микроорганизмов. Род Pseudomonas бактерий, относящихся к группе PGPR (plant-growth promoting rhizobacteria), включает виды, наиболее эффективно колонизирующие высшие растения и используемые в биопрепаратах. Нами впервые исследованы особенности влияния психрофильного штамма бактерий Pseudo-monas sp. RF13H на сохранность клубней холодоустойчивых промышленных сортов картофеля, рекомендованных для выращивания в Ленинградской области, определена эффективность защиты клубней от ряда фитопатогенных организмов в условиях холодильного хранения, оценена динамика численности интродуцируемого штамма на поверхности клубней в период хранения. С помощью флуоресцентной in situ гибридизации и конфокальной сканирующей лазерной микроскопии впервые изучена локализация клеток бактерий и колонизация ими поверхности клубней при нормальной и пониженной температуре, указывающая на взаимовыгодные условия растительно-микробных отношений. Определив таксономическое положение ряда штаммов псевдомонад методами молекулярно-генетического анализа и охарактеризовав их хозяйственно ценные физиологические свойства (фунгицидная и бактерицидная активность, скорость роста в диапазоне пониженных температур, продукция ауксиноподобных фитогормонов), мы выявили перспективный психрофильный штамм Pseudomonas sp. RF13H и изучили возможности его применения для повышения сохранности и оптимизации биохимических процессов в клубнях картофеля при низкотемпературном хранении. Так, обнаружено снижение частоты фитопатогенных микроорганизмов на поверхности клубней при их обработке Pseudomonas sp. RF13H. Среднее число клубней, пораженных всеми типами инфекций, при такой обработке снизилось более чем на 50 % в сравнении с контролем. Тенденция сохранялась на протяжении 3 мес: в контрольных образцах доля пораженных клубней достигала 30 %, в то время как интродукция биоконтрольного штамма позволила уменьшить этот показатель до 10-13 %. При температуре 4 °С численность биоконтрольного штамма бактерий на поверхности клубней оставалась достаточно стабильной на протяжении 5 мес, существенно снизившись к концу хранения до следовых количеств. Отмечено формирование микроколоний бактерий, которые часто локализованы в углублениях и нишах на поверхности клубня. Кроме того, высокая плотность бактерий была обнаружена на границе между клетками перидермы клубней и в местах экссудации биохимических веществ, которые служат питанием для бактерий. При сравнительном изучении функции ферментов антиоксидантной защиты (каталазы, пероксидазы, супероксиддисмутазы) установлено, что интродукция Pseudomonas sp. RF13H способствует активации окислительно-восстановительных процессов, повышая устойчивость клубней к заражению. Показано, что изучаемый штамм положительно влияет на состав микробиома эпидермиса картофеля. В итоге вследствие индукции собственного иммунитета и создания барьера для проникновения болезнетворного организма заражение клубня снижается.

Ключевые слова: Pseudomonas, картофель, биоконтроль фитопатогенов, флуоресцентная in situ гибридизация.

 

Полный текст

 

 

PSYCHROPHILIC ENDOPHYTIC Pseudomonas AS POTENTIAL AGENTS
IN BIOCONTROL OF PHYTOPATHOGENIC AND PUTREFACTIVE
MICROORGANISMS DURING POTATO STORAGE

A.V. Shcherbakov1, E.N. Shcherbakova1, S.A. Mulina1, 2, P.Yu. Rots1, 2,
R.F. Daryu3, E.I. Kiprushkina4, L.N. Gonchar5, V.K. Chebotar’1

Abundant pathogens which attack seed and food potato tubers are a serious problem of the modern potato growing that causes significant losses during storage. Regular use of chemical fungicides and agrochemicals has led to emergence of resistance and an increased aggressiveness of plant pathogenic microorganisms. New fungal and bacterial strains and races are also appearing which spread rapidly and cause great damage to agricultural production. In this regard, the biologicals based on biocontrol microorganisms, instead of chemicals, are considered particularly relevant to protect seed and food potatoes from infectious diseases. A genus Pseudomonas belonging to the group of plant-growth promoting rhizobacteria (PGPR) includes species most effectively colonizing higher plants and used as active agents of biological products. Scientific novelty of our work lies in the fact that this study is the first to report the effect of psychrophilic strain Pseudomonas spp. RF13H on the storage of potato tubers. The cold resistant commercial varieties recommended for cultivation in the Leningrad region has been involved. For the first time we estimated the efficiency of tubers protection from a number of pathogenic microorganisms under refrigerated storage, assessed the population dynamics of introduced strain, and visualized the pattern of bacteria distribution and localization on the surface, using fluorescent in situ hybridization and confocal laser scanning microscopy. Using molecular genetic analysis, we have clarified the taxonomic position of several Pseudomonas strains, including psychrophilic strain Pseudomonas spp. RF13H. This strain possessed fungicidal and bactericidal activity against saprogenic and pathogenic microorganisms and was agronomically and physiologically tested. Its growth at low temperatures and production of auxin-like phytohormones were studied. Pseudomonas spp. RF13H influenced positively preservation and biochemical processes in potato tubers under refrigerated storage. Its microcolonies were often localized in different cracks, grooves and recesses on the stored tuber surface that indicated beneficial plant-microbial relations and explained a strategy for tuber colonization at room and low temperature during storage. The occurrence of surface phytopathogenic microorganisms decreased in the presence of Pseudomonas spp. RF13H, and the average number of all type-infected tubers was about 50 % lower among those treated with Pseudomonas spp. RF13H comparing to untreated ones. This trend continued for 3 month storage, i.e. the amount of infected untreated tubers reached 30 % and reduced up to 10-13 %, when treatment with biocontrol strain. At a temperature of 4 °С, the bacterial counts was quite stable for 5 months, and then significantly decreased (up to trace quantities) to the end of storage. The bacteria concentrated at the boundaries between the individual cells of tuber periderm and in the places of exudation of biochemical substances that serves as nutrients for bacteria. Introduction of Pseudomonas spp. RF13H was shown to contribute to redox processes (activation of antioxidant protection system enzymes — catalase, peroxidase, superoxide dismutase) thus increasing plant resistance to pathogens. Additionally, this strain has a positive effect on the microbiome composition in potato epidermis. Induction of own immunity and creation of a barrier preventing pathogen penetration helped to reduce infection in the potatoes tuber.

Keywords: Pseudomonas, potato, biocontrol of plant pathogens, fluorescence in situ hybridization.

 

1ФГБНУ Всероссийский НИИ сельскохозяйственной микробиологии,
196608 Россия, г. Санкт-Петербург—Пушкин, ш. Подбельского, 3,
е-mail: microbe-club@inbox.ru, alonagonchar@mail.ru, mulina_sa@mail.ru, vladchebotar@rambler.ru;
2Санкт-Петербургский государственный технологический университет,
190013 Россия, г. Санкт-Петербург, Московский просп., 26;
3Sup'Biotech private engineering school,
66 rue Guy Môquet, Villejuif , Paris, 94800 France;
4Университет ИТМО (Санкт-Петербургский
национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики),

191002 Россия, г. Санкт-Петербург,
ул. Ломоносова, 9;
5Національний університет біоресурсів і
природокористування України
,
03041 Україна, м. Київ, вул. Героїв Оборони, 15

Поступила
в редакцию
11 декабря 2016 года

 

Оформление электронного оттиска

назад в начало