БИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
БИОЛОГИЯ ЖИВОТНЫХ
ПЕЧАТНАЯ ВЕРСИЯ
ЭЛЕКТРОННАЯ ВЕРСИЯ
 
КАК ПОДАТЬ РУКОПИСЬ
 
КАРТА САЙТА
НА ГЛАВНУЮ

 

 

 

 

doi: 10.15389/agrobiology.2019.3.575rus

УДК 633.13:632.4:581.19

Исследование поддержано проектом РНФ № 14-16-00072.

 

БИОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВЗАИМООТНОШЕНИЙ ГРИБОВ И РАСТЕНИЙ НА ПРИМЕРЕ ФУЗАРИОЗА ОВСА

И.Г. ЛОСКУТОВ1, 2, Т.В. ШЕЛЕНГА1, А.В. КОНАРЕВ1, В.И. ХОРЕВА1,
А.Л. ШАВАРДА2, 3, Е.В. БЛИНОВА1, А.А. ГНУТИКОВ1

Выяснение механизмов формирования устойчивости растений к грибным болезням (патогенным микроорганизмам) неизменно приводит к необходимости анализа биохимических факторов устойчивости. Фузариоз зерна (ФЗ) — грибное заболевание, поражающее зерновые злаки, в том числе пшеницу, ячмень и овес. В настоящей работе нами получены новые данные о влиянии фузариоза зерна на метаболомный профиль зерновок овса, связи показателей устойчивости с биохимическими признаками (содержание белка, масла, отдельных метаболитов), достоверные отличия устойчивых и неустойчивых к ФЗ форм овса. Целью работы было выявление характера связей между биохимическими показателями устойчивости сортов овса к поражению Fusarium culmorum и F. sporotrichioides и накоплением микотоксинов, образуемых этими патогенами (соответственно дезоксиниваленол — ДОН и Т-2 токсин). Российские и зарубежные сорта, а также селекционные линии, относящиеся к пленчатым и голозерным формам овса (Avena sativa L.) (всего 24 образца), были получены из коллекции Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (ВИР). Размножение семенного материала и выращивание образов для биохимических исследований проводили в полевых условиях (Пушкинский филиал ВИР, Ленинградская обл., 2015 год). Анализировали жирнокислотный состава масла (газожидкостная хроматография с масс-спектрометрией, хроматограф Agilent 6850, CША), а также состав и содержание других метаболитов. Устойчивость растений изучали при искусственном заражении колосьев грибами Fculmorum и F. sporotrichioides (опытное поле Всероссийского НИИ защиты растений — ВИЗР, г. Санкт-Петербург—Пушкин, 2015 год). Содержание ДНК грибов Fusarium Link, продуцирующих трихотеценовые микотоксины, и микотоксинов определяли в размолотой пробе зерна: количество ДНК — методом ПЦР в реальном времени с использованием группоспецифичных праймеров на основе последовательности гена Tri5, количество Т-2 токсина и ДОН — методом твердофазного конкурентного иммуноферментного анализа. Достоверность  различий биохимических показателей, включая метаболомные профили, между устойчивыми и неустойчивыми формами овса оценивали с использованием коэффициента Манна-Уитни при p < 0,05. Были выявлены корреляционные связи между показателями устойчивости овса к фузариозу и биохимическими характеристиками. Показано, что высокобелковые формы овса поражаются фузариозом слабее и накапливают меньше токсинов, они более адаптивны к биотическому стрессу. Отмечена связь между устойчивостью к ФЗ и накоплением пипеколовой кислотой, моноацилглицеголов, тирозина, галактинола, ряда фитостеролов, сахаров и аденозина. Выявленные корреляции между продукцией химических соединений и различными показателями устойчивости образцов овса к фузариозу следует рассматривать как предварительные, поскольку получены результаты одного года полевых испытаний. Однако этот год характеризовался крайне благоприятными условиями для развития грибов Fusarium. Можно предположить, что их повышенная агрессивность позволила нам более надежно выявить связи между составом, содержанием метаболитов и показателями устойчивости растений к фузариозу. Для подтверждения (или опровержения) сделанных нами выводов, учитывая сложный полигенный характер контроля устойчивость к фузариозу зерна и сильную зависимость его проявления от окружающей среды, необходимо в дальнейшем исследовать большее внутри- и межвидовое разнообразие образцов, репродуцированных в разных условиях и в разные годы. Выявленные нами зависимости между показателями устойчивости и синтезом ряда метаболитами дадут возможность выделять устойчивые формы при скрининге коллекции ВИР и использовать их для последующих селекционных работ.

Ключевые слова: Avena sativa L., овес, сорта, фузариоз зерна, Fusarium, ДНК грибов, ПЦР, микотоксины, газовая хроматография, масс-спектрометрия, биохимия, метаболомика.

 

 

BIOCHEMICAL ASPECTS OF INTERACTIONS BETWEEN FUNGI AND PLANTS: A CASE STUDY OF FUSARIUM IN OATS

I.G. Loskutov1, 2, T.V. Shelenga1, A.V. Konarev1, V.I. Horeva1,
A.L. Shavarda2, 3, E.V. Blinova1, A.A. Gnutikov1

Disclosing the mechanisms that build up plant resistance to fungal diseases (pathogenic microorganisms) invariably evokes the need to analyze biochemical factors of resistance. Protective mechanisms are associated with a fairly large number of chemical compounds. Fusarium head blight (FHB) affects cereal grains, including wheat, barley and oats. In this work, we report new data on the metabolic profile of oat grains, as influenced by FHB, and a relationship between plant resistance and content of individual metabolites in FHB-susceptible and FHB-resistant varieties. Here, we have challenged the task to assess the connections of FHB-resistance parameters in oat varieties with as many compounds as possible. Such data are required both to understand the mechanisms of resistance and to develop methods for its assessment. Common oat (Avena sativa L.) varieties from the collection of the Vavilov Institute (VIR) were studied to evaluate their numerous biochemical characters and their resistance to FHB. The fatty acid composition of oil was analyzed by the method of gas-liquid chromatography with mass spectrometry on an Agilent 6850 chromatographer (USA), and other metabolites were quantitated. Plant resistance was studied under artificial infestation of ears with F. culmorum and F. sporotrichioides (an experimental field, All-Russian Research Institute for Plant Protection, St. Petersburg—Pushkin, 2015). Fusarium Link fungi DNA content and trichothecene mycotoxins were determined in milled grain samples. The amount of DNA of Fusarium fungi was measured by real-time PCR techniques using Tri5 gene-based group-specific primers. Solid-phase competitive enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) was used to measure the content of T-2 toxin and DON in grain. The statistical significance of differences in biochemical parameters, including metabolic profiles, between resistant and susceptible oat varieties was estimated with the Mann-Whitney criterion. For the first time, correlations were found between Fusarium resistance and biochemical characteristics of oat. It has been shown that high-protein forms are less affected by FHB, accumulate less toxins, and are more adaptive to biotic stress. Plant resistance to FHB correlates with accumulation of pipecolic acid, monoacylglycegols, tyrosine, galactinol, a number of phytosterols, sugars and adenosine. The values of such correlations and connections between chemical compounds and various parameters of Fusarium resistance identified during the study of oat accessions should be regarded as strictly preliminary, since they are the outcome of only one year of field trials. However, the year in consideration was characterized by extremely favorable conditions for the development of parasitic Fusarium fungi with all immanent consequences. An assumption can be made that the increased aggressiveness of the latter (kind of a model condition) allowed us to identify with more reliability the connections between a majority of metabolite content and composition parameters and the level of Fusarium resistance. Considering the complex polygenic nature of the control over the character “resistance to Fusarium head blight” and, therefore, strong dependence of its expression on the environments, any future efforts to confirm (or refute) our conclusions will require researching greater intra- and interspecies diversity of this crop’s accessions reproduced in various environments and in different years.

Keywords: Avena sativa L., oat, varieties, Fusarium head blight, Fusarium, fungal DNA, PCR, mycotoxins, gas chromatography, mass spectrometry, biochemistry, metabolomics.

 

1ФГБНУ ФИЦ Всероссийский институт
генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова,

190000 Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 42-44,
e-mail: i.loskutov@vir.nw.ru ✉, t.shelenga@vir.nw.ru, a.konarev@vir.nw.ru, e.blinova@vir.nw.ru, alexandr2911@yandex.ru;
2ФГБОУ ВО Санкт-Петербургский государственный
аграрный университет

196601 Россия, г. Санкт-Петербург—Пушкин, Петербургское ш., 2;
3ФГБУН Ботанический институт
им. В.Л. Комарова РАН, 

197376 Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 2,
e-mail: stachyopsis@gmail.com

Поступила в редакцию
20 сентября 2018 года

 

назад в начало

 


СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Полный текст PDF

Полный текст HTML