Введение к работе
Актуальность исследований. В последние десятилетия растет интерес к биологическим средствам защиты растений (СЗР), которых отличает от химических СЗР экологичность и безопасность при применении. К таким СЗР следует отнести биологически активные соединения и живые эндофитные культуры микроорганизмов, способные стимулировать иммунный потенциал растений против патогенов [Pieterse et al., 2007; Bakker et al., 2007; Barruiso et al., 2008; Saunders, Kohn, 2009; Van der Lelie et al., 2009], который заметен на фоне высокой восприимчивости исходной формы растений [Reva et al., 2004; Compant et al., 2005; Van Loon, 2007; Мелентьев, 2007; Романенко и др., 2008; Berg, 2009; Wu et al., 2009]. Выявлено, что в растениях, под влиянием биологических СЗР запускаются механизмы защитной системы хозяина, обозначенные как «системная индуцированная устойчивость» (СИУ) (induced systemic resistance (ISR) и «системная приобретенная устойчивость» (СПУ) (systemic acquired resistance (SAR) [Van Loon, 2007; Barruiso et al., 2008; De Vleesschauwer et al., 2008], где важную роль играют сигнальные пути, регулируемые жасмоновой (ЖК) и салициловой кислотами (СК), соответственно. Кроме того известно, что некоторые биопрепараты обладают непосредственной антифунгальной активностью [Мелентьев, 2007].
Экологичность биопрепаратов привлекает производителей
сельскохозяйственной продукции. Их рынок в 2004 г. составлял примерно 588 млн. $ [Bolckmans, 2008], из которых на долю Северной Америки приходилось 50% [ analy-sis/3194.html]. Хотя на современном этапе биологические меры борьбы с патогенами и фитофагами в России мало применяются, по заключению экспертов, уже к 2012 году биологические СЗР «должны стать конкурентоспособными с пестицидами» [цит. по Монастырский, Першакова, 2009].
Еще в прошлом веке идентификацией и токсикологическими исследованиями эндофитных штаммов бактерий, выделенных из различных организмов, в том числе и растений, активно занимались в Институте микробиологии и вирусологии НАН Украины под руководством академика НАН Украины В.В. Смирнова. На основе одного из выделенных штаммов Bacillus subtilis ВНИИСХМ 128 (26Д) в Респ. Башкортостан (РБ), на базе предприятия «Башинком» (г. Уфа), было налажено производство биопрепарата «Фитоспорин-М», успешно прошедшего полевые испытания и запатентованного с участием сотрудников нашего института [Патент РФ №2099947]. Этот биопрепарат рекомендуется для использования на посевах различных сельскохозяйственных культур и активно используется в хозяйствах. Однако следует заметить, что фундаментальные основы физиолого-биохимических механизмов формирования устойчивости растений к патогенам под влиянием эндофитных штаммов микроорганизмов, в том числе и В. subtilis ВНИИСХМ 128 (26Д) остаются пока практически не исследованными.
Цель исследования: Определение роли эндофитной бактерии Bacillus subtilis 26Д в запуске механизмов, формирующих устойчивость растений к патогенам, на модели пшеницы и картофеля.
Задачи исследований:
1) определить способность бактериальных клеток В. subtilis 26Д эндофитно сосуществовать в тканях растений;
2) определить влияние В. subtilis 26Д на формирование устойчивости
растений пшеницы к грибным патогенам Septoria nodorum и Bipolaris sorokiniana, а
также растений картофеля к возбудителю фитофтороза Phytophthora infestans и
фузариоза Fusarium oxysporium;
оценить влияние В. subtilis 26Д на устойчивость растений картофеля к патогенным грибам во время вегетации и в период осенне-зимнего хранения;
оценить характер изменения компонентов про-/антиоксидантной систем в растениях пшеницы и картофеля под влиянием В. subtilis 26Д и инфицирования патогенами;
5) изучить уровень экспрессии гена пероксидазы у инфицированных
растений пшеницы и картофеля при обработке В. subtilis 26Д, салициловой и
жасмоновой кислотами.
Научная новизна. Доказан эндофитный способ сосуществования бактерии штамма В. subtilis 26Д в тканях растений пшеницы и картофеля и выявлено их участие в запуске молекулярных механизмов индуцированной устойчивости против септориоза и фитофтороза, соответственно. Обнаружена модуляция транскрипционной активности генов пероксидазы у растений пшеницы и картофеля, способствующее как более раннему иммунному ответу, так и супрессии защитного ответа при предварительной предпосевной обработке растений комплексом бактериальной суспензии с СК или ЖК, соответственно. Сравнительный анализ транскрипционного статуса генов пероксидаз М21334 картофеля и ТС 151917 пшеницы в ответ растений на В.subtilis 26Д и жасмоновую кислоту в норме и при инфицировании патогенами указывает в пользу их участия, как компонентов жасмонатной сигнальной системы, в индуцированной эндофитом устойчивости растений.
Практическая значимость работы. Совокупность полученных данных позволяет расширить современные представления о физиологических и биохимических механизмах устойчивости растений. Доказано, что применение В. subtilis 26Д в композиции с СК индуцирует, а ЖК супрессирует защитную систему растений, что требует внимательного подхода при подборе баковых смесей препаратов, содержащих в качестве действующего начала живые бактериальные культуры и сигнальные молекулы. Иммуностимулирующая активность бактерий В. subtilis 26Д имеет пролонгированное действие, способствуя сохранению защитного потенциала клубней картофеля в период их хранения. Основные результаты работы могут быть использованы в учебно-исследовательской работе.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на 10-й и 14-й Пущинских школах-конф. молодых ученых «Биология - наука XXI века» (2006, 2010) и Всеросс. 2-й школе-конф. по физико-химической биологии и биотехнологии «БИОМИКА - наука XXI века» (Уфа, 2011), на 1-й Всеросс. научно-практической конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы сохранения биологического разнообразия волжского бассейна и сопредельных территорий» (Чебоксары, 2010), на V-й Всеросс. конф. молодых ученых «Стратегия взаимодействия микроорганизмов и растений с окружающей средой» (Саратов, 2010), на Всеросс. симп. «Растение и стресс» (Москва, 2010), на Международной научно-практической конф. «Научное обеспечение устойчивого ведения сельскохозяйственного производства в условиях глобального изменения климата» (Казань, 2010), на Ш-м Международном симп. "Растения и микроорганизмы» «Клеточная сигнализация у растений» (Казань, 2011).
Конкурсная поддержка работы. Исследования были поддержаны грантами РФФИ-Поволжье 10-04-97021, Госконтракта Министерства образования и науки № П339 по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» и договором с Башкирским НИИ сельского хозяйства РАСХН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 3 статьи в журналах из «Перечня ВАК».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, результатов собственных исследований и их обсуждения, заключения, выводов и списка цитируемой литературы, содержащего 296 источников. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, иллюстрирована 6 таблицами и 17-ю рисунками.
