Исследование мембранных механизмов действия индукторов устойчивости к грибным патогенам на злаковых растениях : отчет о научно-исследовательской работе (заключительный) / БГУ ; научный руководитель А. И. Соколик

Abstract

В качестве объектов исследования использовали модельные системы на основе одиночных растительных клеток Nitella, проростков и протопластов злаковых культур (пшеницы). Испытано действие секретируемых внеклеточных компонентов следующих патогенных грибов: Fusarium javanicum Koord, Fusarium culmorum (W.G.Sm.) Sacc., Fusarium sporotrichioides Sherb. Bilai, Bipolaris sorokiniana, Alternaria. Цель работы – изучении модификации ион-транспортных систем клеточных мембран (ионных каналов разных типов, Н+-АТФазной протонной помпы) при действии индукторов устойчивости к грибным патогенам и самих патогенов. В ходе работы с применением электрофизиологического подхода на основе микроэлектродной техники, а также измерения ионных потоков ионометрическими методами показано, что фитопатогенные грибы F. Javanicum, F. culmorum и F. sporotrichioides индуцировали разные по величине и направлению изменения проводимости калиевых, кальциевых и хлорных каналов плазматической мембраны. В результате показано, что действие возбудителей корневых гнилей F. culmorum и B. sorokiniana на корневые клетки пшеницы проявляется в деполяризации плазматической мембраны. Не выявлены признаки сенситизации или десенситизации, что говорит в пользу неспецифического токсического механизма. Не выявлено модулирующее действие двух известных индукторов устойчивости – салициловой и бета-аминомасляной кислот на мембранные ответы клеток корня. На модельной системе – одиночной клетке – показано, что культуральный фильтрат Fusarium при разбавлении 1:10 индуцирует гиперполяризацию, и рост сопротивления. Bipolaris sorokiniana не вызывал изменений потенциала, но рост сопротивления имел место. Присутствие цезия снижало эффект. Предобработка клеток фильтратами обоих грибов вызывала сходные эффекты. Гиперполяризация от уровня диффузионного потенциала имела место и при ингибировании Н+-помпы. Показано, что Fusarium модифицирует калиевые каналы как входящего, так и выходящего выпрямления, причем блокаторы каналов (тетраэтиламмоний и цезий) снимают этот эффект, но гиперполяризация мембраны остается неизменной. В опытах с индукторами устойчивости показано, что прединкубация клеток в растворе 2,6-дихлорпиридин-4-карбоновой кислоты не приводит к изменению реакции мембраны на Fusarium. Предобработка клеток бета-аминомасляной кислотой (БАМК) устраняла индуцированную Fusarium гиперполяризацию. Таким образом, фитопатогенный гриб Fusarium модифицирует как калиевые каналы, так и Н+-помпу. Индуктор устойчивости БАМК предотвращал стимуляцию грибом Fusarium Н+-помпы, но не менял характер модификации калиевых каналов. Показано, что предобработка клеток в растворе сахарина индуцирует способность отвечать на действие патогена Fusarium, снижая выход калия за счет гиперполяризации мембраны и за счет модификации калиевых каналов, когда уменьшается проводимость для выходящего тока; то есть может предотвращаться токсическое действие гриба, связанное с потерей клеткой калия из-за его выхода. Показано, что обработка клеток эпибрассинолидом также вызывает противодействие клеточной мембраны тем изменениям ее параметров, которые вызывает фильтрат культуральной жидкости гриба Fusarium. Установлено, что ингибирование поглощения калия корнями проростков пшеницы вызывает только обработка семян культуральной жидкостью гриба Alternaria, но не Colletotrchum и Fusarium. Эпибрассинолид стимулирует скорость процесса в контроле и практически не изменяет для растений, выращенных из обработанных ФКЖ фитопатогенов семян. Присутствие эпибрассинолида восстанавливало интенсивность ацидофикации, полностью подавленную Alternaria, Таким образом, эпибрассинолид проявляет схожее защитное действие при атаке грибных патогенов как на уровне клетки, так и ткани целого растения, по-видимому, за счет модификации калиевых каналов плаз-матической мембраны. Исследования методом пэтч-кламп на протопластах корней пшеницы показали, что реакция мембранных параметров аналогична зарегистрированным ранее и очень похожа на ответ, вызываемый активными формами кислорода, и ее в ряде случаев снимает известный антиоксидант, широко применяемый в сельском хозяйстве - тиомочевина. Научное значение На плазматических мембранах различных растительных объектов, (проростки и протопласты пшеницы, одиночные клетки) отработана методология выявления мембранных эффектов разных грибных патогенов; показано, что реакция разных ион-транспортных систем индивидуальна для каждого из испытанных грибов. Показано, что разные индукторы устойчивости в разной степени и разными путями на уровне плазматической мембраны активируют противодействие клеток растений атаке фитопатогенов. Так, фитопатогенный гриб Fusarium модифицирует по крайней мере две ион-транспортные системы на мембране: калиевые каналы двух основных типов и Н+-помпу, в то время как индуктор устойчивости растений бета-аминомасляная кислота предотвращал стимуляцию грибом Fusarium Н+-помпы, но не менял характер модификации калиевых каналов. Ээпибрассинолид проявляет схожее защитное действие при атаке грибных патогенов как на уровне клетки, так и ткани целого растения, по-видимому, за счет модификации калиевых каналов плазматической мембраны. Показано, что реакция мембранных параметров подобна ответу, вызываемому активными формами кислорода, и ее в ряде случаев снимает известный антиоксилант, широко применяемый в сельском хозяйстве - тиомочевина. Практическое значение полученных результатов Сравнение результатов, полученных на разных объектах, позволяет сделать вывод, что последние представляют собой адекватную модельную систему для исследования на уровне плазматических мембран эффектов, сопровождающих действие индукторов устойчивости растений при атаке грибных патогенов. Полученные результаты дают основу для выработки технологии экспрессного тестирования большого числа биологически активных веществ с целью выявить те из них, которые обладают способностью повышать устойчивость растений к грибным фитопатогенам.