Введение к работе
- З -. Актуальность работы. По данным ФАО, потери урожаев основных продовольственных культур от вредителей болезней и сорняков составляют в среднем 35. причем 12 приходится на болезни {Стейплз.Теннисен,1984) Сельскохозяйственные культуры представляют главный источник мирового продовольственного запаса и совершенно очевидно, что для увеличения урожаев необходимо улучшить их зашиту. В настоящее время основным способом решения этой проблемы является применение химических средств защиты растений и выведение устойчивых к болезням сортов культурных растений. Однако применение высокотоксичных пестицидов широкого спектра действия для борьбы с вредителями и болезнями вызывает в последнее время серьезное беспокойство в связи с достаточно высокой опасностью этих соединений для окружающей среды. Именно это беспокойство стимулирует исследования физиологических и биохимических регуляторних механизмов у наиболее важных фитопатогешшх микроорганизмов.
Определенные успехи в этом направлении достигнуты уже и в настоящее время. В частности, можно назвать работы по созданию приобретенного иммунитета на основе современных знаний о механизмах действия и образования фитоалексинов, данных о гиповирулентности и других факторов, обнаруженных в последнее время.
Не вызывает сомнения, что возможности экзогенного воздействия на процессы патогенеза не ограничиваются регуляцией образования фитоалексинов. Более того, вполне возможно, что образование фитоалексинов - это не лучший вариант, так как многие патогены могут нейтрализовывать действие этих веществ даже при их образовании в непоражающихся растениях-нехозяевах (Bailey et.al.,1977; Duczek, Gabriel,1977). Однако возможность применения экзогенных химических соединении с иелып управления не связанными с накоплением токсичних нетест биохимическими процессами в растении или патогене не но*ят быть установлена, пока эти процессы не будут выятшмш.
Достаточно перспективными претендентпми н? ропь р-тупя
ТОРОВ npOUeCCOB ПаТОГЧНРРР» И фГГПИММУМИГРТЧ ПППТРТГГ) ]Г1- П1
- 4 -тельные гормоны. Уже много лет назад эмпирически было показано, что ауксиноподобные регуляторы роста могут задерживать появление симптомов многих заболеваний (Brener, Васкшап, 1968; Davlee, Diamond, 1953). В ряде случаев эти соединения давали защитный эффект, сравнимый в нормальных условиях культивирования с результатами действия коммерческих фунгицидов (Matta et.al.,I966 ). Аналогичные данные получены и в отношении некоторых других фитогормонов (Маттв,1975). Участие фитогормонов в процессах взаимодействия паразитических микроорганизмов с растениями подтверждается также большим сходством симптомов многих заболеваний с результатами .экзогенной гормональной обработки (Daly,Knoche, 1974 ).Аналогичным образом могут быть интерпретированы и многочисленные данные о присутствии довольно больших количеств фитогормонов в спорах и мицелии паразитических грибов (Daly, Knoche,I975; Pegg,1976,1984 ) и сведения о значительных нарушениях гормонального баланса больных растений (Daly,1976; Pegg,1984, Scott,I972). Однако ни источники этих нарушений, ни механизмы регуляции уровня фитогормонов в инфицированных растениях, ни физиологическая роль этих соединений в процессах взаимодействия паразита и хозяина практически не известны. Между тем,знание механизмов участия и физиологической роли в патогенезе таких относительно простых соединений, как фито-гормоны, вполне может быть использовано в защите растений от патогенов тем более, что процессы, регулирующие уровень фитогормонов в здоровых растениях, более или менее изучены.
В еще меньшей степени опираются на результаты биохимических исследований работы по выведению устойчивых к болезням сортов культурных растений, являющиеся в настоящее время основным приемом защиты растений от фитопатогенных микроорганизмов. Между тем, и в этом случае биохимические исследования могут принести несомненную пользу. Одной из точек соприкосновения между биохимиками и селекционерами вполне может стать использование физиолого-биохимических критериев устойчивости или восприимчивости растений к тому или иному паразиту при оценке селекционного материала. В случае ржавчинных заболеваний злаков эти критерии, не столь уж актуальные при
оценке степени специфической устойчивости, могут иметь существенное значение при выявлении сортов с частичной устойчивостью, привлекащей в последнее время все большее внимание практиков из-за значительно более высокой стабильности по сравнению со специфической устойчивостью. Однако в отличив от последней, частичная устойчивость связана не с подавлением паразита, а лишь с ограничением интенсивности его развития и удлиннением периода между заражением растений и споруляцией гриба при высоком инфекционном типе реакции растения. Соответственно, определение степени такой устойчивости требует точных количественных данных по этим параметрам. Получение таких данных при визуальной оценке достаточно затруднительно, что серьезно осложняет работу по выведению сортов с частичной устойчивостью. Думается, что использование надежных, высокопроизводительных и доступных для автоматизации биохимических.методов выявления сортов с частичной устойчивостью могло бы быть полезным в селекционной работе.
Цель исследований.Выяснение роли фитогормонов и,в первую очередь индолил-З-уксусной кислоты, в процессах взаимодействия возбудителя стеблевой ржавчины с растениями пшеницы, с последуодим использованием полученных знаний при разработке теоретических основ направленного поиска новых средств химической защиты растений и создания биохимических методов диагностики устойчивости растений к этому паразиту.
Основные задачи исследований.
-
Определить возможность участия фитогормонов, в частности ЙУК, в регуляции процессов транспорта питательных веществ в инфицированных растениях, изучив для этого на модели ортофосфата сравнительную кинетику процессов поступления и метаболизма радиоактивного ортофосфата в инфицированные ржавчинным грибом растения пшеницы различных сортов.
-
Провести сравнительное изучение харяктерэ изменений транспортных процессов и концентрации иук п тйицировпиннх растениях,
-
Определить источники повышенного сопрр*п)гия пуксннз в инфицированных растениях на псч»х ?тг>пяу [вдлтц^я л <>цг>-
нить возможность привнесения гормона в растение грибом.
-
Выяснить механизмы регуляции уровня ИУК в совместимой и несовместимой комбинациях партнеров путем оценки вклада в этот процесс реакций биосинтеза, деградации и конъюги-рования ауксина.
-
При исследовании физиологической роли этого фитогор-монв изучить возможность непосредственного юздеяствия ИУК или ее метаболитов на патогенез ржавчинного гриба, а также определить возможность управления процессом патогенеза путем искусственного изменения уровня ИУК в инфицированных растениях.
-
Для решения прикладных задач защиты растений от ржавчинных заболеваний оценить возможность использования процессов биосинтеза и метаболизма ИУК в качестве мишени противоржавчинных фунгицидов и наметить пути использования этих процессов при направленном поиске новых средств химической защиты растений.
-
Использовать результаты проведенных исследований для выявления биохимических критериев устойчивости пшеницы к возбудителю стеблевой ржавчины и разработать лабораторные методы диагностики этого параметра при исследовании растений с различными типами устойчивости.
Положения, выносимые на защиту и степень их новизны.
-
Модель взаимодействия на уровне фитогормонов между возбудителем стеблевой ржавчины и растениями пшеницы на этапах от прорастания грибных спор до споруляции паразита, включавдая источники нарушения и пути регуляции гормонального статуса больного растения, а также механизмы участия ауксина в процессах патогенеза.
-
Метода прогнозирования на стадии проростков степени частичной устойчивости взрослых растений пшеницы к P.gramlnle в полевых условиях
Предлагаемая модель гормональной регуляции процессов патогенеза основана на ряде экспериментальных данных принципиально нового характера, а именно:
Впервые показано присутствие в уредоспорах возбудителя стеблевой ржавчины пшеницы значительных количеств индолил-3~
-7.-уксусной кислоты, секретируемых в растительную ткань при прорастании спор и развитии грибного мицелия, причем концентрация ИУК в спорах является фактором, определяющим их жизнеспособность и инфекционность,
Обнаружено, что стимуляция транспортных процессов в совместимой комбинации пшеницы и ржавчинного гриба происходит еще до установления пищевого контакта паразита с хозяином и совпадает во времени с увеличением концентрации ИУК в инфицированном растении. На ранних этапах патогенеза накопление ауксина в инфицированных восприимчивых растениях не сопровождается изменением скоростей его биосинтеза и метаболизма, а обусловлено привнесением гормона в растение грибом. В несовместимой комбинации партнеров и транспортные,и гормональные изменения отсутствуют, а вносимый грибом гормон инактивируется за счет значительного увеличения активности кофакторов оксидазы ИУК в клеточных стенках растения.
Показана возможность образования дииндолилметана, являющегося активным стимулятором роста и развития ржавчинного гриба, при окислении экзогенной ИУК ферментами клеточных стенок интактных листьев пшеницы.
Установлено, что увеличение концентрации ИУК в инфицированных восприимчивых растениях на поздних этапах патогенеза обусловлено повышением скорости биосинтеза этого фитогормона и совпадает во времени с периодом наивысшей скорости нарастания грибной биомассы в тканях больного растения. Искуственное снижение концентрации ИУК в инфицированных растениях путем обработки последішх этиленпродуцируодими препаратами или структурными аналогами ИУК, не обладагаими фунгицидной активностью In vitro приводило к уменьшению скорости роста гриба и снижению интенсивности заболевания.
Для диагностики частичной устойчивости пшеницы к ржавчинным грибам использован принципиально новый подход, основанный на специально разработанном иммунохимическом метода
КОЛИЧеСТВеННОГО Определения ГрИОНЫХ аНТИГеїЮО П tWjWTlHfiBPH
кых растительных тканях.
Практическая значимость,Результаты теоретических ис-по дований положены в основу" Рекомендаций по нппрпп.прии'ч<у по
- 8 -иску новых средств химической защиты растений от грибных болезней", одобренных ВНЙЖСЗР, как головным учреждением по данному вопросу. Рекомендации направлены для использования в учреждения, занимающиеся поиском новых средств защиты растений от вредителей и болезней,
При выполнении исследований разработань. 2 биохимических и иммунохимический метода диагностики устойчивости растений пшеницы к стеблевой ржавчине, позволяющие прогнозировать на стадии проростков степень специфической и неспецифической устойчивости к этому патогену взрослых растений в полевых условиях.
Иммунохимический метод используется в настоящее время в исследованиях механизмов фитоиммунитета, проводимых в Северо-Кавказском НИИ фитопатологии, а также в работах по выведению устойчивых к ржавчинным грибам сортов пшеницы, проводимых в Краснодарском селекцентре.
Разработанные методы и способы их применения положены в .основу методических рекомендаций "Использование биохимических критериев при создании устойчивых к ржавчинным заболеваниям сортов пшеницы" и "Биохимические методы оценки степени частичной устойчивости пшеницы к стеблевой и бурой ржавчине" Рекомендации одобрены отделением растениеводства ВАСХНИЛ и направлены для использования в селекционные учреждения СССР.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на: Всесоюзной конференции "Метаболизм и механизм действия фито-гормонов" Иркутск 1978 г., 1-ой Всесоюзной конференции го регуляторам роста и развития растений Москва 1981 г., 16-ой Международной конференции ФЕБО, Москва 1984 г., 7-ом Всесоюзном совещании по иммунитету сельскохозяйственных растений к болезням и вредителям, Рига 1986 г., 1-ом Всесоюзном симпозиуме "Иммунобиотехнология-87", Таллинн, 1987 г., Всесоюзном семинаре "Использование современных методов биологии в сельском хозяйстве", Ленинград, 1988 г., Всесоюзном совещании "Молекулярные и генетические механизмы взаимодействия микроорганизмов с растениями", Пушино, 1988г., Всесоюзном совещании "Оизиолого-биохимическне основы иммунитета расте-
- 9 -ний к грибным болезням для целей прикладной селекции". Уфа, 1988 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 30 сообщений.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 2-х глав литературного обзора,' экспериментальной части, включающей описание материалов и методов исследования, 3-х глав результатов исследования и их обсуждения, заключения, выводов и списка цитированной литературы. Работа изложена на 372 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка и 56 таблиц. Список литературы включает 469 наименований, из них 79 работ на русском языке.
