Участие фенольных соединений в адаптации клеточных культур in vitro к действию экзометаболитов патогенных грибов

Важнейшей проблемой современной биологии является изучение механизмов адаптации растительных организмов к изменяющимся условиям их произрастания. Особое внимание исследователи уделяют изучению ответных реакций клеток растений на действие биотических факторов, таких как: патогены, вирусы, бактерии и паразитирующие на растениях нематоды и насекомые. Результаты, полученные российскими и зарубежными исследователями, свидетельствуют о том, что под действием биотических факторов наблюдается изменение морфофизиологических характеристик растений, подавляется их рост и снижается продуктивность.

Известно, что устойчивость интактных растений к болезням основана на разнообразных механизмах защиты. В целом эти механизмы подразделяют на конститутивные и индуцированные. К числу важнейших индуцированных механизмов защиты относится синтез фенольных соединений — наиболее распространенных в растениях представителей вторичного метаболизма, которые принимают непосредственное участие в защите и адаптации клеток. В настоящее время достаточно полно изучена структура синтезируемых в растениях фенольных соединений и исследованы их свойства, выяснены пути их биосинтеза, а также ферменты, участвующие в этих процессах. Интерес к фенольным соединениям обусловлен их важной ролью в процессах роста и развития растений. В последнее время все большее внимание исследователей акцентируется на их участии в защитных реакциях растений. Несмотря на существовавшее ранее представление о том, что фенольные соединения накапливаются лишь при старении растений, являясь средством выведения высокоуглеродных компонентов из обмена веществ, в настоящее время все большее число исследований подтверждает их важную роль в жизнедеятельности растительных клеток. Установлено, что поражение патогенами вызывает активизацию синтеза новых фенольных соединений, в том числе и специфических веществ фенольной природы, образующихся только в качестве ответной реакции на стресс.

Спектр фенольных соединений, синтезируемых растениями под действием биотических факторов, довольно широк: например, производные фенилпропана, а также полифенолы, присутствующие преимущественно в виде гликозидов. Важно отметить, что хлоро- геновая, коричная кислоты и скополетин участвуют в защитных реакциях тканей растений против болезней. Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что заражение растений сопровождается не только повышением накопления в них фенольных соединений, но и изменением их спектра, что проявляется в формировании специфических веществ, относящихся к так называемым фитоалексинам. Измененный фенольный метаболизм в свою очередь вызывает изменения химического состава клетки, обусловливая, таким образом, неполноценность сред обитания для патогена.

Важным моментом в исследованиях по клеточной селекции на устойчивость к биотическим факторам является изучение изменений в метаболизме каллусных и суспензионных клеток, подвергшихся стрессовым воздействиям. Учитывая роль фенольных соединений в защите клеток от стрессового фактора, проводятся исследования по изучению изменений количественного и качественного состава фенольных соединений в клетках суспензионных культур различных видов растений, культивируемых в стандартных и стрессовых условиях. Суспензионная культура является удобной моделью для проведения подобных экспериментов, так как полученные данные проецируются на интактные растения, реакции которых аналогичны реакциям клеточных и тканевых культур в стрессовых условиях.

Исследования, проведенные в РГАУ-МСХА профессором Е. А. Калашниковой совместно с ИФР РАН (Н. В. Загоскина) показали, что при культивировании суспензионной культуры моркови в стандартных и стрессовых условиях (присутствие в питательной среде экзометаболитов гриба Alternaria radicina в различных концентрациях) приводит к изменению суммарного содержания растворимых фенольных соединений в зависимости от исследуемого генотипа и условий культивирования. Например, присутствие культурального фильтрата патогена в питательной среде в различных концентрациях приводило к уменьшению синтеза фенольных соединений в среднем на 10—12 % по сравнению с контролем во время I пассажа (рис. 5.12). Причем для линии 906 воздействие селективного фактора (50 % КФ) существенно повлияло на снижение их количественного содержания (на 42 %). В процессе культивирования суспензионной культуры двух изучаемых генотипов на селективных средах способность клеток к синтезу фенольных соединений изменяется. В одних вариантах она постоянно растет (50 % КФ для сорта Rondo, 30 % КФ для линии 906) в других — относительно стабильна (30 % КФ для сорта Rondo, 50 % КФ для линии 906). Полученные результаты свидетельствуют о разной чувствительности клеток суспензии к действию стрессового фактора, что, возможно, проявляется и в различных механизмах устойчивости клеток к экзометаболитам патогена.

Изменения в суммарном содержании растворимых фенольных соединений в суспензионной культуре моркови, культивируемой в стандартных и стрессовых условиях

Рис. 5.12. Изменения в суммарном содержании растворимых фенольных соединений в суспензионной культуре моркови, культивируемой в стандартных и стрессовых условиях (присутствие экзометаболитов A. radicina — 30 % и 50 % культурального фильтрата — 50 %):

а — сорт Rondo; б — линия 906

У растений-регенерантов, полученных в результате клеточной селекции в присутствии экзометаболитов гриба Л. radicina, уровень фенольных соединений в 1,5—2 раза выше по сравнению с растениями контрольного варианта (рис. 5.13). Причем для растений сорта Rondo их количественное содержание превышает таковой растений линии 906.

Суммарное содержание растворимых фенольных соединений в растениях- регенерантах

Рис. 5.13. Суммарное содержание растворимых фенольных соединений в растениях- регенерантах, полученных в контрольном варианте и в результате культивирования клеток на селективных средах в присутствии экзометаболитов A. radicina

Одномерная хроматография показала, что у растений-регенерантов, полученных после селекции in vitro, число соединений фенольной природы увеличивается (рис. 5.14). Вероятно, это связано с изменением фенольного метаболизма, что и проявляется в более разнообразном составе синтезируемых веществ.

Одномерная хроматограмма этанольных экстрактов фенольных соединений растений-регенерантов моркови

Рис. 5.14. Одномерная хроматограмма этанольных экстрактов фенольных соединений растений-регенерантов моркови:

1 — растения сорта Rondo, не подвергавшиеся действию КФ (контроль); 2,3 — растения сорта Rondo и линии 906 соответственно, полученные после

клеточной селекции;

I — растворитель — н-бутанол + уксусная кислота + вода (40:12:28)

Аналогичные результаты были получены и при клеточной селекции картофеля на устойчивость к экзометаболитам гриба Rhizoctonia solane, а также подсолнечника на устойчивость к экзометаболитам гриба Sclerotinia sclerotiorum (рис. 5.15).

Схема одномерной хроматограммы этанольных экстрактов фенольных соединений

Рис. 5.15. Схема одномерной хроматограммы этанольных экстрактов фенольных соединений:

I — гипокотильные сегменты различных генотипов подсолнечника;

II — каллусная культура сорта Кубанский 93; III — каллусная культура генотипа ВК 580; IV — каллусная культура генотипа ВК 653;

А — контроль; В — среда, содержащая культуральный фильтрат гриба Sclerotinia sclerotiorum в концентрации 15 %

(а — гипокотиль, Ъ — I пассаж, с — III пассаж, d — V пассаж)

Изложенная выше информация позволяет заключить, что присутствие экзометаболитов гриба Alternaria radicina при клеточной селекции моркови приводит к изменениям в их фенольном метаболизме. Это проявляется как на уровне накопления этих веществ вторичного метаболизма, так и на их качественном составе.

Контрольные вопросы и задания

  • 1. Расскажите о схеме клеточной селекции, направленной на получение растений, устойчивых к грибным болезням.
  • 2. Какие стрессовые факторы можно применять в работах по клеточной селекции на устойчивость растений к фитопатогенам?
  • 3. Какой из перечисленных выше стрессовых факторов с большей вероятностью позволяет получать растения, обладающие устойчивостью к фитопатогенам?
  • 4. Каково участие фитогормонов в клеточной селекции растений на устойчивость к экзометаболитам патогенных грибов?
  • 5. Какова роль фенольных соединений в адаптации клеточных культур in vitro к действию экзометаболитов патогенных грибов?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >