doi: 10.15389/agrobiology.2021.1.158rus
УДК 633.11:632.959
ИННОВАЦИОННЫЕ ГИБРИДНЫЕ ИММУНОМОДУЛЯТОРЫ
РАСТЕНИЙ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА И БИОАКТИВНЫХ
АНТИОКСИДАНТОВ И ПРООКСИДАНТОВ
Э.В. ПОПОВА ✉, Н.С. ДОМНИНА, C.В. СОКОРНОВА, Н.М. КОВАЛЕНКО, С.Л. ТЮТЕРЕВ
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. sativusпоказали, 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.
Ключевые слова: Cochliobolus sativus, Puccinia recondita, хитозан, индуцированная устойчивость, салициловая кислота, ванилин, пшеница, темно-бурая пятнистость, бурая ржавчина.
E.V. Popova ✉, N.S. Domnina, C.V. Sokornova, N.M. Kovalenko,
S.L. Tyuterev
During the infection of plants with pathogens, the equilibrium between oxidative processes and antioxidant activity shifts toward an increase in the formation of ROS, which affects the course of the development of the disease and manifests itself differently in phytopathosystems of various types of parasitism. So, to protect plants from biotrophic pathogens, ROS generation is necessary, but the resulting high level of ROS does not protect, but, on the contrary, favors the pathological process caused by necrotrophs. Substances that can control not only ROS generation, but also their utilization, can become effective immunomodulators to protect plants when infected with pathogens of different lifestyles. For the first time, chitosan-based hybrid immunomodulators (Chit-Van+SA) were created, in the structure of which there are fragments of biologically active substances that have antioxidant and prooxidant effects. The basis of such systems is chitosan (Chit), containing covalently attached vanillin (Chit-Van), which reduces the ROS level by stimulating cellular antioxidant activity (antioxidant effect), and salicylic acid (Chit+SA), which is associated with a labile ionic bond, generating ROS (prooxidant act). It was shown that (Chit+SA) increases the wheat resistance to Puccinia recondita Roberge ex Desmaz f. sp. tritici biotroph and Cochliobolus sativus Drechs hemibiotroph, while (Chit-Van) effectively induces resistance only to C. sativus hemibiotroph. The effectiveness (Chit+CA) as an inducer of stability is 1.2-2.0 times higher than the inducing effect of chitosan itself (Chit). It was found that hybrid immunomodulators (Chit-Van+SA) with respect to both the biotroph (brown rust) and the hemibiotroph (dark brown spotting) with a molar ratio of vanillin and salicylic acid in them in the range 1:1-1:2 show a high immunomodulating activity, regardless of the molecular weight of chitosan, which is expressed in a decrease in the area of leaf damage to 5-10 % of the control. The results obtained indicate that the biological effectiveness of the hybrid polymer system (Chit-Van+SA) as an immunomodulator correlates with the content of SA in them, which confirms the participation of the signal salicylate system in the induction of resistance. It is established that specific enzymatic antioxidants superoxide dismutase, catalase and peroxidase, which regulate the relationship between oxidative processes and antioxidant activity, play an important role in the development of induced resistance when using the created immunoinductors. In general, the results of studying the effect of the hybrid immunomodulators (Chit-Van+SA) on the activity of antioxidant enzymes in the model system wheat—C. sativus suggest that the increase in plant resistance to pathogens is realized through the control of the intensity of redox processes in plants, which is caused by the presence in the structure of hybrid immunomodulators of a certain pro- and antioxidant balance.
Keywords: Puccinia recondita, Cochliobolus sativus, chitosan, induced resistance, salicylic acid, vanillin, wheat, dark brown spotting, brown rust.
ФГБНУ Всероссийский НИИ защиты растений, |
Поступила в редакцию |
