Федеральное государственное бюджетное научное учреждение
«Северо-Кавказский зональный научно-исследовательский институт садоводства и виноградарства»,
УДК 634.2:634.52:634.4
Изучение адаптационного потенциала форм рода Cerasus Mill. с различными типами устойчивости для формирования устойчивых к коккомикозу плодовых ценозов
Шестакова Вера Владимировна
младший научный сотрудник
Кузнецова Анна Павловна
канд. биол. наук
зав. лабораторией питомниководства
Краснодар, Россия
Введение
В связи с нестабильностью климата значительно возросла вредоносность одного из наиболее опасных заболеваний косточковых культур на юге России - коккомикоза, возбудитель - гриб Coccomyces hiemalis Higgins, Blumeriella jaapii (Rehm) Arx, который ведет к гибели растений, вызывая у них преждевременный листопад, приводит к уменьшению площадей, занимаемых вишней и черешней [1].
Для формирования устойчивых к данному патогену насаждений необходимо использовать формы с различными типами устойчивости: не поражаемые, с полигенным и моногенным типом устойчивости. Как отмечает К.М. Попкова, Е.Н. Джигадло полигенный (горизонтальный) тип эффективен против всех рас патогена, но по степени устойчивости значительно уступает моногенному [2, 3].
Преимущество использования в селекции растений с полигенным типом устойчивости обосновано тем, что они оказывают количественное действие и обеспечивают функционирование общей защитно-восстановительной функции организма, вне зависимости от расового состава возбудителя, формируя высокую степень полевой устойчивости [2].
Объекты и методы исследований
Физиолого-биохимические анализы листьев представителей рода Cerasus Mill., различной степени и типов устойчивости к коккомикозу, выполнялись в лаборатории физиологии и биохимии растений и на базе приборно-аналитического центра коллективного пользования СКЗНИИСиВ.
В качестве объектов исследований взяты не поражаемые коккомикозом формы (балл поражения 0-0,1): вишне-черешневые гибриды, полученные с помощью методов отдаленной гибридизации и биотехнологии в результате направленной селекции на адаптивность к биострессорам в изменяющихся условиях среды - 1-59-08 (сеянец от свободного опыления 10-15 [C. incisa Ч Полянка]), 2-88-08 (сеянец от свободного опыления 10-15 [C. incisa Ч Полянка]), 1-59-09, 1-60-09, 1-61-09 (сеянец от свободного опыления от АИ 43 [Молодежная Ч С. lannesiana №2]), в том числе с моногенным типом устойчивости (с проявлением реакции сверхчувствительности), производные формы от С. incisa (1-89-10-15; 2-88-10-15) и C. lannesiana №2 (2-88-11-15)); сильно поражаемые (балл поражения более 3): сорт вишни Любская, сеянцы черешни Кавказская; с полигенным типом устойчивости (балл поражения не более 3): сеянцы черешни Франц Иосиф, вишне-черешневый гибрид АИ70, форма вишни Южанка (3-28).
Содержание белка определяли спектральным методом на приборе UNICO 2800 UV/VIS согласно общепринятой методике [4]. Содержание пигментов (суммы хлорофиллов a и b, каротинов) - спектрофотометрически на приборе UNICO 2800 UV/VIS согласно общепринятой методике В.Ф. Гавриленко [5].
Содержание в экстракте листьев свободных форм ионов металлов, фенолкарбоновых кислот, общего количества органических кислот определяли на системах капиллярного электрофореза серии Капель, пробоподготовку - на СВЧ-минерализаторе Минотавр 1 с использованием методик, разработанных в проблемно-исследовательской лаборатории СКЗНИИСиВ (2004, 2011). При определении свободных форм щелочных и щелочно-земельных металлов использовали модифицированный метод, в котором рабочий электролит, содержащий бензимидазол, краун-эфир и винную кислоту, модифицировали добавлением однопроцентного изопропанола, что позволило улучшить разделение изучаемых катионов от органических катионов (амины, основания аммония, амиды и аминокислоты), содержащихся в вытяжке листа [6, 7]. Содержание лигнина в листьях растений определяли весовым методом [8].
Для статистической обработки использовались стандартные биометрические методы корреляционного, регрессионного, дисперсионного анализа), а также методы из категории многомерных - дискриминантный и кластерный анализы [9].
Обсуждение результатов
Известно, что устойчивость растений к заболеваниям находится под комплексным генетическим контролем и складывается из множества механизмов, которые проявляются в разных сочетаниях у различных видов, обеспечивая эффективную защиту от патогенов [10]. Для развития успешного инфекционного процесса патоген должен проникнуть в растение, нейтрализовать защитные механизмы и получить из него питательные вещества.
Основную роль в защите растений выполняют вещества, присутствующие в их клетках. Для многих патогенов барьером для проникновения в растение через клеточную стенку служат отложения лигнина, образующиеся на первых этапах взаимодействия в процессе окислительного взрыва и обеспечивающие устойчивость растений к мацерации - разделению клеток в результате разрушения срединных пластинок ферментами патогена, и обладающие исключительной устойчивостью к действию патогена [11].
По литературным данным, одной из функций хлорогеновой кислоты и лигнина в листьях является создание условий, неблагоприятных для поражения их фитопатогенами [12].
Впервые для растений рода Cerasus Mill. было изучено содержание лигнина в различных по устойчивости к коккомикозу формах: поражаемые, с полигенным типом устойчивости, устойчивые, с проявлением реакции сверхчувствительности (РСЧ).
В период эпифитотии (июль) самое высокое относительно других групп, отличающихся по типам устойчивости, содержание хлорогеновой кислоты - предшественника лигнина в листьях растений выявлено в формах с проявлением реакции сверхчувствительности (моногенный тип контроля) - быстрая по своему действию реакция устойчивости, выражающаяся в очень ограниченном росте патогена, проявляющаяся в виде локальных некротических повреждений органа или ткани [13]. Количество лигнина также больше всего отмечено в образцах с проявлением реакции сверхчувствительности. Содержание хлорогеновой кислоты выше в листьях растений с проявлением реакции сверхчувствительности (моногенный тип устойчивость), чем у сильно поражаемых, в 7 раз, а лигнина - в 4,4 раза (рис. 1).
Рис. 1. Содержание хлорогеновой кислоты (слева) и лигнина (справа) в листьях представителей рода Cerasus Mill. с различной степенью устойчивости к коккомикозу
Для выявления физиолого-биохимических барьеров устойчивости у образцов с проявлением реакции сверхчувствительности нами также было изучено содержание белка и хлорофилла в листьях.
В результате проведенных исследований установлено, что количество белка выше без проявления РСЧ и снижается в момент эпифитотии (рис. 2).
При изучении содержания пигментов у образцов с РСЧ установлено, что количество суммы хлорофиллов (a и b) уменьшалось в момент эпифитотий, когда на листьях было проявление реакции сверхчувствительности в виде некротических пятен (рис. 3).
Рис. 2. Содержание белка в листьях растений с проявлением реакции сверхчувствительности
Рис. 3. Содержание пигментов в образцах с проявлением реакции сверхчувствительности
Таким образом, происходят изменения в количестве первичных продуктов фотосинтеза и сдвиги метаболизма, связанные с активацией катаболитических процессов.
Полученные нами результаты позволили предположить, что снижение содержания белка и суммы хлорофиллов (a и b) в листьях изучаемых растений после проявления реакции сверхчувствительности происходило вследствие интенсивного расхода этих соединенийв защитно-приспособительных реакциях растительного организма.
Как известно, большая роль в устойчивости против патогенов отводится фенольным соединениям, органическим кислотам, катионам. Фенольные соединения участвуют в окислительном метаболизме, являются предшественниками лигнина, выполняют роль фунгицидов (обладают фунгицидной активностью). Органические кислоты усиливают действие токсических веществ для патогена, содержащихся в тканях самих растений. Катионы участвуют в образовании хлорофилл-белкового комплекса, в реакциях окислительного и фотосинтетического фосфорилирования и входят в ферментные системы цикла Кребса, стабилизируют клеточные мембраны, способствуют активации биосинтеза белка [14].
Наличие в СКЗНИИСиВ современной приборно-аналитической базы и адаптированных методик позволило провести оценку содержания данных веществ в листовом экстракте у представителей рода Cerasus Mill. различающихся по степени устойчивости.
Нами изучена динамика содержания в экстракте листьев свободных форм следующих компонентов: катионов калия, натрия, кальция и магния, хлорогеновой, кофейной, яблочной, янтарной, лимонной кислот в различные периоды развития болезни (до проявления инфекции - в мае, во время ярко выраженного развития эпифитотий - в июле) за вегетационные периоды в течение четырех лет (2009-2012).
В период изучения данных показателей все годы были эпифитотийными. Ярко выраженное развитие болезни наблюдалось в конце июня - начале июля. По мере увеличения инфекции найдены закономерности в изменении содержания только следующих показателей: кофейной, янтарной кислот и катионов калия, что свидетельствует об их связи с устойчивостью. Установлено, что количество кофейной кислоты у непоражаемых растений было выше до поражения в 2,6 раза, в среднем за четыре года, чем у поражаемых.
Активный расход ее наблюдался во время проявления болезни. Существуют примеры, когда кофейная кислота так же, как и хлорогеновая, подавляет развитие мицелия гриба, а продукты её расщепления расходуются на образование других производных химических соединений, обладающих высокой токсичностью для патогена [16]. У форм с полигенным типом устойчивости концентрация кофейной кислоты значительно повышалась в момент эпифитотийного развития инфекции (в среднем за годы исследований - в 2 раза) (рис. 4).
1 - до проявления инфекции (май); 2 - во время эпифитотийного развития инфекции (июль)
Рис. 4. Концентрация кофейной кислоты в экстракте листьев представителей рода Cerasus Mill. с различной степенью устойчивости к коккомикозу
У поражаемых растений также наблюдалось увеличение содержания данной кислоты и в период максимального проявления болезни, но не с такой скоростью.
Мы предполагаем, что здесь начинают работать защитные механизмы, направленные на сохранение вида. Концентрация янтарной кислоты в латентный период (до проявления болезни) была в 1,8 раза в среднем выше у непоражаемых форм (рис. 5).
1 - до проявления инфекции (май); 2 - во время эпифитотийного развития инфекции (июль)
Рис. 5. Концентрация янтарной кислоты в экстракте листьев представителей рода Cerasus Mill. с различной степенью устойчивости к коккомикозу
Полученные результаты по содержанию хлорогеновой кислоты подтвердили данные, полученные ранее, что на содержание хлорогеновой кислоты оказывают влияние очень многие факторы, в том числе условия года, поэтому закономерностей в её динамике не установлено (рис. 6) [16].
Количество магния до развития коккомикоза было выше у непоражаемых форм, чем у поражаемых и с полигенным типом устойчивости. коккомикоз листовой полигенный сорт
Количество калия повышалось в период ярко выраженного развития инфекции у сильно поражаемых форм и у форм с элементами горизонтальной устойчивости (полигенов), в отличие от непоражаемых образцов. У форм с полигенным типом устойчивости увеличение этого показателя шло активнее на протяжении всего периода вегетации (рис. 7).
1 - до проявления инфекции (май); 2 - во время эпифитотийного развития инфекции (июль)
Рис. 6. Содержание хлорогеновой кислоты в экстракте листьев представителей рода Cerasus Mill. с различной степенью устойчивости к коккомикозу
1. - до проявления инфекции (май); 2. - во время эпифитотийного развития инфекции (июль)
Рис. 7. Концентрация калия в экстракте листьев представителей рода Cerasus Mill. с различной степенью устойчивости к коккомикозу
У не поражаемых болезнью образцов в период проявления коккомикоза (первая декада июля) наблюдалось снижение концентрации магния в листовом экстракте, а после развития инфекции отмечено его возрастание.
Выводы
В результате изучения биохимических показателей в листовом экстракте форм рода Cerasus Mill., различающихся по устойчивости к коккомикозу, установлено, что содержание лигнина в период эпифитотии у растений с проявлением реакции сверхчувствительности выше в 4,4 раза, количество хлорогеновой кислоты - в 7 раз, чем у сильно поражаемых форм.
В листьях растений, различающихся по типам устойчивости, по многолетним исследованиям в течение сезона в системе «хозяин-патоген-среда», найдены закономерности в динамике следующих показателей: свободных форм катионов калия и магния, кофейной, янтарной кислот.
Количество белка и суммы хлорофиллов a и b у растений с моногенным типом устойчивости выше в листьях во время эпифитотийного развития инфекции (после проявления реакции сверхчувствительности), чем до развития болезни.
Установлено, что у поражаемых форм и у форм с полигенным типом устойчивости концентрация данных веществ увеличивается в период эпифитотийного развития инфекции в течение всех лет исследований, но скорость нарастания исследуемых веществ в листовом экстракте у полигенов по мере увеличения инфекции более высокая, что особенно четко проявляется в динамике содержания кофейной кислоты (в 2 раза).
У непоражаемых форм, в отличие от форм с полигенным типом устойчивости и сильно поражаемых, концентрация свободных катионов калия и магния, кофейной, янтарной кислот была выше до поражения и уменьшалась в период эпифитотийного развития инфекции.