doi: 10.15389/agrobiology.2018.1.15rus

УДК 633.491:581.1:577.121

Работа поддержана грантом РНФ № 16-16-04125.

 

МЕТАБОЛОМИКА — СОВРЕМЕННЫЙ ПОДХОД ПРИ ИЗУЧЕНИИ
АДАПТАЦИИ РАСТЕНИЙ КАРТОФЕЛЯ К БИОТИЧЕСКОМУ И
АБИОТИЧЕСКОМУ СТРЕССУ
(обзор)

Р.К. ПУЗАНСКИЙ1, 2, В.В. ЕМЕЛЬЯНОВ1, М.Ф. ШИШОВА1, 2

Геномные и протеомные исследования в значительной степени расширили возможности решения спектра задач по расшифровке механизмов регуляции роста и развития растений в постоянно изменяющихся условиях окружающей среды. Не менее значимым стало появление еще одного направления системной биологии — метаболомики, сфокусированной на изучении динамики низкомолекулярных соединений, которые можно рассматривать как результат совокупности метаболических процессов в организме. Интенсивность этих процессов подвержена существенным изменениям при действии как биотических, так и абиотических стрессовых факторов. Исследования по метаболомному анализу проводятся не только на модельных объектах, но и на сельскохозяйственных растениях. К их числу относится картофель, входящий в десятку наиболее востребованных культур. Представленный обзор ставит целью обобщить имеющиеся в литературе данные о выявленных с помощью метаболомного подхода системных биохимических перестройках при действии патогенных вирусов и микроорганизмов, насекомых, а также абиотических стрессоров на растения картофеля (Solanum tuberosum L.). Данные последних лет указывают на то, что метаболомный анализ позволяет не только охарактеризовать развитие вирусных и грибных болезней картофеля, но и тестировать устойчивость к ним у различных видов и сортов (H. Hamzehzarghani с соавт., 2016; T. Stare с соавт., 2015; H. Tai с соавт., 2014; S. Tomita с соавт., 2017). Для ряда соединений вторичного метаболизма показаны значимые изменения. Метаболомный подход достаточно чувствителен и для выявления перестроек при действии абиотических факторов. В обзоре рассмотрены метаболические перестройки, непосредственно связанные с дегидрированием клетки, в том числе при воздействии осмотических и температурных стрессоров. Особое значение имеет содержание аминокислот и сахаров. Однако требуется ряд дополнительных исследований, которые позволят выявить, насколько изменятся метаболические перестройки при совместном действии нескольких факторов, например недостатка влаги и повышения температуры (V. Arbona с соавт., 2013; M. Drapal с соавт., 2017; R.D. Hancock с соавт., 2014). Абсолютное большинство данных получено при изучении метаболома различных вегетативных органов растений картофеля. К сожалению, метаболомные особенности генеративных органов в настоящее время не изучены. Полностью отсутствуют сведения о метаболомном профилировании формирования пыльцы, в том числе у форм картофеля с цитоплазматической мужской стерильностью. Это указывает на актуальность развития обсуждаемого направления в исследовании метаболома у картофеля. Дальнейшая стандартизация протоколов метаболомного анализа и методов обработки полученных результатов позволит использовать метаболомику не только как важнейший компонент фундаментальных исследований, но со временем и как основу мониторинга коллекционных образцов, создаваемых сортов и гибридов картофеля. Анализ современных данных свидетельствует о перспективности такого подхода для фенотипирования различных генотипов картофеля, а также выявления форм, устойчивых к различным типам неблагоприятных воздействий.

Ключевые слова: метаболомика, Solanum spp., картофель, биотический стресс, патогены, вирусная инфекция, грибная инфекция, насекомые-вредители, абиотический стресс.

 

Полный текст

 

 

METABOLOMICS AS A MODERN APPROACH FOR THE INVESTIGATION OF POTATO PLANT ADAPTATION TO BIOTIC AND ABIOTIC STRESSE FACTORS (review)

R.K. Puzanskiy1, 2, V.V. Yemelyanov1, M.F. Shishova1, 2

The progress in genomic and proteomic investigations has greatly expanded the range of subjects aimed in discovering of mechanisms involved in the regulation of plant growth and development under changing of environmental conditions. Another systemic biology approach, which is known as metabolomics, has almost the same significance. It focuses on the study of dynamics of low molecular compounds which results from the complex metabolic processes in the cell. The intensity of these processes is under the influence of both biotic and abiotic stress factors. Studies on metabolic analysis are carried out not only with model objects, but also with cultivated plants, including potatoes, listed among top 10 of the most valuable crops. This review aims to summarize the available literature data on systemic biochemical rearrangements detected with metabolic approach in potato under the action of pathogenic viruses and microorganisms, insects, as well as under the influence of abiotic stressors on potato plants. Recent data indicates that metabolic analysis allows characterization of the development and progression of viral and bacterial diseases, as well as testing resistance to the infections in various potato species and varieties (H. Hamzehzarghani et al., 2016; T. Stare et al., 2015; H. Tai et al., 2014; S. Tomita et al., 2017). Significant changes in a number of secondary metabolites are shown. The metabolic approach has sufficient sensitivity to detect also alterations under environmental stress. In the review, it was considered that the results of metabolic rearrangements of the potato cell are directly linked to dehydrogenation, including osmotic and temperature stressors. The changes in the content of amino acids and sugars are of particular importance. However, a number of additional studies are required for evaluation of shifts in potatoes metabolism which are triggered under the combined stress factors action, for example, desiccation and hyperthermia (V. Arbona et al., 2013; M. Drapal et al., 2017; R.D. Hancock et al., 2014). An absolute majority of the metabolic data was obtained with various vegetative organs of potato plants. Unfortunately, metabolic profiles of generative organs have not been studied yet. There is no information on the metabolic profiling of pollen formation, including CMS-forms of potatoes. This indicates the importance of this direction in the investigation of potato metabolome. Further standardization of the metabolic analysis and methods of result processing will make it possible to use the metabolomics not only as an important component of fundamental research, but in time, as a basis for monitoring of collection samples and newly created varieties and hybrids of potatoes. Analysis of modern data indicates their perspective for phenotyping of different potato genotypes, as well as for identifying forms that are resistant to various types of unfavorable conditions.

Keywords: metabolomics, Solanum spp., potato, biotic stress, pathogens, viral infection, fungal infection, pests, abiotic stress.

 

1ФГБОУ ВО Санкт-Петербургский государственный
университет
,
199034 Россия, г. Санкт-Петербург, Университетская наб., 7-9,
e-mail: puzansky@yandex.ru, bootika@mail.ru, mshishova@mail.ru ✉ ;
2ФГБНУ ФИЦ Всероссийский институт
генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова
,
190000 Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 42-44

Поступила в редакцию
27 сентября 2017 года

 

назад в начало