Влияние корневой экссудации сахаров на развитие фузариоза у растений пшеницы и ячменя

Корневые экссудаты, содержащие аминокислоты, сахара, органические кислоты и вторичные метаболиты, являются источником органического вещества в ризосфере, необходимого для развития микрофлоры [Groleau-Renaud et al., 2000]. Благодаря использованию современных молекулярно-генетических методов появились экспериментальные доказательства того, что варьирование состава корневых экзометаболитов приводит к изменению структуры микробных сообществ ризосферы [Folman et al., 2001; Broeckling et al., 2008; Bais et al., 2006]. Одним из признаков, характеризующих состав корневых выделений по способности влиять на процесс формирования и активность микробных сообществ ризосферы, является относительное содержание органических кислот и сахаров. Простые низкомолекулярные сахара и органические кислоты корневых экссудатов могут играть важную роль при колонизации корней, что достаточно подробно в настоящее время изучено для ризобактерий. Мутант Pseudomonas fluorescens WCS365, не способный расти на органических кислотах, плохо колонизировал корни томата, тогда как мутант, не способный расти на сахарах, колонизировал корни так же, как и дикий тип WCS365 [Lugtenberg et al., 1999; de Weert et al. 2002; Lugtenberg et al. 2001]. При росте на органических кислотах антифунгальная активность ризосферных псевдомонад, как правило, выше, чем при росте этих же штаммов на сахарах [Kravchenko et al. / Кравченко и др., 2003]. В то же время, данный вопрос практически не изучен в случае взаимоотношений растений и фитопатогенных грибов. Цель настоящей работы – оценить влияние качественного состава и интенсивности корневой экссудации сахаров растениями пшеницы и ячменя на развитие симптомов корневой гнили, вызываемой фитопатогенным грибом Fusarium culmorum.
Состав и количество выделяемых корнями пшеницы Triticum aestivum L. и ячменя Hordeum vulgare L. сахаров изучали на ранней стадии развития растений (5 суток). Для получения корневых экссудатов растения выращивали в закрытых стерильных сосудах с минеральным питательным раствором. Полученные экссудаты концентрировали под вакуумом и анализировали методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.
Как показал проведенный анализ, все изучаемые сорта пшеницы характеризовались наличием в составе корневых экссудатов фруктозы, глюкозы, мальтозы и мелибиозы, и только у сорта Лебедь наблюдались незначительные количества ксилозы (табл. 1). Характерной особенностью сорта Лебедь являлось явное преобладание в составе сахаров глюкозы – ее доля превышала 60% от их общего количества, причем интенсивность ее экссудации была в 8,7-10,3 раз выше, чем у других изучаемых сортов. Сорт Лебедь выделял также значительно больше мальтозы и мелибиозы (табл. 1).
Таблица 1.
Экссудация сахаров корнями пшеницы и ячменя, мг/г сухой биомассы растений
Table 1. Exudation of sugars by wheat and barley roots, mg/g dry plant biomass
Сахар
Sugar
Пшеница
Wheat
Ячмень
Barley
Веда
Veda
Безостая 1
Bezostaya 1
Лилек
Lilyok
Лебедь
Swan
Белогорский
Belogorsky
Рибоза
Ribose
-
-
-
-
0,1 0,05
Ксилоза
Xylose
-
-
-
0,1 0,06
1,0 0,4
Фруктоза
Fructose
1,4 0,3
1,4 0,3
1,1 0,2
2,1 0,4
5,9 1,3
Глюкоза
Glucose
2,0 0,4
2,2 0,5
1,9 0,6
19,1 5,9
54,5 7,9
Мальтоза
Maltose
0,6 0,3
2,3 0,7
1,1 0,4
3,7 1,1
14,5 3,1
Мелибиоза
Melibiose
0,6 0,2
1,1 0,3
1,4 0,4
4,6 1,8
21,1 3,8
Сумма
Total
4,6
7,0
5,5
29,6
97,1
Экссудация сахаров и фузариоз
22
Корневые экссудаты ячменя сорта Белогорский качественно отличались от корневых экссудатов пшеницы наличием в их составе рибозы и ксилозы. Корневая экссудация глюкозы у ячменя была в 2,9 раза выше, чем у пшеницы сорта Лебедь, фруктозы – в 2,8 раза, мальтозы и мелибиозы – в 3,9 и 4,6 раза соответственно.
Вегетационные эксперименты по изучению взаимодействия растений с фитопатогенным грибом F. culmorum были проведены в сосудах со стерильным вермикулитом, где единственным источником питания для гриба были корневые экссудаты. Микроскопирование после иммунофлуоресцентного окрашивания показало, что F. culmorum присутствовал на корнях уже двухсуточных растений, что может быть связано с привлечением гриба на корни компонентами корневых экссудатов, в частности сахаров. Видимые симптомы поражения корней грибом в течение первых 2-5 суток были обнаружены только у пшеницы сорта Безостая 1, но в дальнейшей динамике роста их интенсивности не наблюдалось. У других двух сортов видимые симптомы фузариоза проявлялись к 14-м суткам выращивания растений (рис. 1). При этом симптомы фузариоза у выделяющих значительно большие количества сахаров растений пшеницы сорта Лебедь и ячменя сорта Белогорский проявлялись в 2-3 раза сильнее, чем у сортов пшеницы с относительно невысокой корневой экссудацией (рис. 1).
Рис. 1. Динамика проявления симптомов фузариоза корней пшеницы (баллы). Динамика у ячменя сорта Белогорский аналогична динамике сорта Лебедь.
Fig.1. Dynamics of the root rot symptoms manifestation for wheat (scores). The dynamics of barley cultivar Belogorsky is similar to the dynamics of the cultivar Swan.
Таким образом, результаты проведенного эксперимента показали, что влияние фитопатогенного гриба F. culmorum на растения пшеницы существенно зависело от генотипа (сорта) растения, причем в качестве маркера восприимчивости к фузариозу корней выступает интенсивность корневой экссудации сахаров (главным образом глюкозы). Проверка данной гипотезы требует дальнейшего изучения широкого набора генотипов, различающихся по устойчивости к F. culmorum. Такие исследования, как и скрининг контрастных по параметрам корневой экссудации сортов, позволят создать модельные растительно-микробные системы, которые дадут возможность изучать роль трофических взаимоотношений между фитопатогенными грибами и ризобактериями-антагонистами. В перспективе полученные данные могут быть полезны в селекции растений со специфическим составом корневых экссудатов, а также при подборе антагонистических ризобактерий, способных влиять на фитопатоген и растение на ранних стадиях формирования растительно-микробных систем.
Эксперименты с пшеницей выполнены при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта 15-04-09023, эксперименты с ячменем – при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта 18-016-00111.

1. Bais H.P., Weir T.L., Perry L.G., Gilroy S., Vivanco J.M. The role of root exudates in rhizosphere interactions with plants and other organisms. Annual Review of Plant Biology. 2006. 57. P. 233-266. doi:10.1146/annurev.arplant.57.032905.105159
2. Broeckling C.D., Broz A.K., Bergelson J., Manter D.K., Vivanco J.M. Root exudates regulate soil fungal community composition and diversity. Appl. Environ. Microbiol. 2008. 74(3). P. 738–744. doi:10.1128/AEM.02188-07
3. Folman L.B., Postma J., Van Veen J.A. Ecophysiological characterization of rhizosphere bacterial communities at different root locations and plant developmental stages of cucumber grown on rockwool. Microbial Ecology. 2001. 42(4). P. 586-597. doi:10.1007/s00248-001-0032-x
4. Groleau-Renaud V., Plantureux S., Tubeileh A., Guckert A. Influence of microflora and composition of root bathing solution on root exudation of maize plants. J. Plant Nutr. 2000. 23(9). P. 1283-1301. doi:10.1080/01904160009382100
5. Kravchenko L.V., Azarova T.S., Leonova-Erko E.I., Shaposhnikov A.I., Makarova N.M., Tikhonovich I.A. Root exudates of tomato plants and their effects on the growth and antifungal activity of Pseudomonas strains. Microbiology. 2003. 72(1). P. 37-41. doi:10.1023/A:1022269821379 (In Russian - Кравченко Л.В., Азарова Т.С., Леонова-Ерко Е.И., Шапошников А.И., Макарова Н.М., Тихонович И.А. Корневые выделения томатов и их влияние на рост и антифунгальную активность штаммов Pseudomonas. Микробиология. 2003. 72(1). С. 48-53.)
6. Lugtenberg B.J.J., Kravchenko L.V., Simons M. Tomato seeds and root exudate sugars: composition, utilization by Pseudomonas biocontrol strains and role in rhizosphere colonization. Environ. Microbiol. 1999. 1(5). P. 439-445. doi:j.1462-2920.1999.00054.x
7. Lugtenberg B.J.J., Dekkers L., Bloemberg G.V. Molecular determinants of the rhizosphere colonization by pseudomonas. Ann. Rev. Phytopath. 2001. 39. P. 461-490. doi:10.1146/annurev.phyto.39.1.461
8. de Weert S., Vermeiren H., Mulders I.H.M., Kuiper I., Hendrickx N., Bloemberg G.V., Vanderleyden J., De Mot R., Lugtenberg B.J.J. Flagella-driven chemotaxis towards exudate components is an important trait for tomato root colonization by Pseudomonas fluorescens. Molecular Plant-Microbe Interactions. 2002. 15(11). P. 1173-1180. doi:10.1094/MPMI.2002.15.11.1173