Введение к работе
Актуальность проблемы. Симбиоз между бобовыми растениями и клубеньковыми бактериями (ризобиями) является одной из актуальных проблем современной биологии и служит объектом интенсивных исследований в течение многих десятилетий. Несмотря на это, физиологические, молекулярные и другие механизмы, предшествующие образованию и функционированию азот-фиксирующих клубеньков на корнях бобовых растений, изучены не достаточно. В последнее десятилетие установлено, что образование и накопление активных форм кислорода (АФК) является одним из механизмов, вовлеченных в регуляцию инфекционного процесса при бобово-ризобиальном симбиозе (Herouart et al., 2002; Ferguson, Mathesius, 2003; Shaw, Long, 2003; Pauly et al., 2006; Яруллина и др, 2008). Однако нерешенным остается вопрос об участии ферментов, ответственных за образование АФК на начальных этапах инфицирования и органогенеза клубеньков. Функции АФК на начальных этапах сим-биотических взаимоотношений также до конца не выяснены.
Образование АФК при бобово-ризобиальном симбиозе является основным фактором сходства ранних ответов растений при взаимодействии с патогенными и симбиотическими микроорганизмами (Soto et al., 2006). В связи с тем, что ключевым ферментом, ответственным за образование АФК при патогенезе, является НАДФН-оксидаза, можно предположить, что изменение активности именно этого ферментного комплекса является одним из механизмов регуляции образования АФК на начальных этапах бобово-ризобиального симбиоза. На растительных объектах изучение НАДФН-оксидазы ведется сравнительно недавно, поэтому многие аспекты функционирования данного ферментного комплекса у растений не изучены и не поняты, тем более при взаимодействии растений с симбиотическими микроорганизмами.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы было: выяснение физиологической роли НАДФН-оксидазы и активных форм кислорода в установлении бобово-ризобиального симбиоза на начальных его этапах в норме и под влиянием стрессоров различной природы.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Оценить влияние окислительного стресса, вызванного экзогенным источником ОГ, на ростовые процессы инокулированных проростков гороха.
Изучить влияние окислительного стресса на начальные этапы взаимодействия ризобиальной инфекции с корневой системой растения-хозяина.
Изучить активность НАДФН-оксидазы в различных клеточных фракциях корней проростков гороха.
Провести ингибиторный анализ НАДФН-оксидазного ферментного комплекса проростков гороха.
Изучить влияние различных по симбиотической эффективности штаммов клубеньковых бактерий на функциональную активность НАДФН-оксидазы в зонах корней проростков гороха, различающихся по чувствительности к ризобиальной инфекции.
Изучить действие различных неблагоприятных факторов окружающей среды на активность НАДФН-оксидазы в корнях проростков гороха.
Научная новизна. Впервые изучена функциональная активность НАДФН-оксидазы на начальных этапах взаимодействия ризобий с корнями бобового растения в зависимости от симбиотической эффективности и конкурентоспособности клубеньковых бактерий, а также от чувствительности определенных участков корня к ризобиальной инфекции. Установлено, что в зонах корня, имеющих неодинаковую чувствительность к ризобиальной инфекции, имеет место различное изменение активности НАДФН-оксидазы, что, по-видимому, связано с генерацией АФК, защитными и регуляторными механизмами растения-хозяина. Кроме того, выявлено антагонистическое и синергическое действие ризобиальной инфекции на активность данного фермента в корнях проростков гороха на фоне действия неблагоприятных биотических и абиотических факторов.
Показано, что окислительный стресс, сопровождающийся накоплением АФК в количествах, не соответствующих потенциальным возможностям анти-оксидантной системы ризобий и растения-хозяина, ведет к деградационным процессам, которые блокируют начальные этапы взаимодействия симбионтов, что связано с уменьшением искривлений корневых волосков, изменением их морфологической формы и количеством инфекционных нитей в них.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные результаты имеют значение для решения проблем бобово-ризобиального симбиоза. Они вносят вклад в понимание механизмов установления симбиотиче-ских взаимоотношений между бобовыми растениями и клубеньковыми бактериями на ранних этапах их взаимодействия. С практической точки зрения это позволяет выяснить пути повышения эффективности симбиотической системы.
Связь с научными программами. Работа выполнена по программе фундаментальных исследований РАН приоритетного направления 6.7. в рамках проекта 6.7.1.5. "Взаимодействие растений и микроорганизмов при действии биотических и абиотических стрессоров; молекулярные основы фитопато-генеза; защитно-регуляторные механизмы при развитии бобово-ризобиального симбиоза", выполняемого в период с 2006 по 2009 гг., № гос. per. 01.2.007 07209.
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации были представлены на втором международном симпозиуме "Сигнальные системы клеток растений: Роль в адаптации и иммунитете" (Казань, 2006), на Всероссийской научной конференции "Структура и экспрессия митохондриального генома растений" (Иркутск, 2006), на Научно-практической конференции "Роль сельскохозяйственной науки в развитии АПК Приангарья" (Иркутск,
2007), на Всероссийской научной конференции "Устойчивость растений к неблагоприятным факторам среды" (Иркутск, 2007), на Всероссийской научной конференции "Устойчивость растений к неблагоприятным факторам внешней среды" (Иркутск, 2009), на научных сессиях СИФИБР СО РАН (2006, 2008, 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в т.ч. 2 работы в журналах из списка ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 4 таблицы и 18 рисунков; состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, экспериментальной части, заключения, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 221 источник.
