Зависимость устойчивости к фузариозной корневой гнили ячменя разных генотипов от интенсивности защитных реакций растений и влияния ризосферных микробиомов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-26-00341

НазваниеЗависимость устойчивости к фузариозной корневой гнили ячменя разных генотипов от интенсивности защитных реакций растений и влияния ризосферных микробиомов

Руководитель Шапошников Александр Иванович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии" , г Санкт-Петербург

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки; 06-104 - Агробиотехнологии

Ключевые слова Fusarium culmorum, ячмень, экспрессия защитных генов, корневые экссудаты, ризосферные микробиомы, устойчивость к фузариозам

Код ГРНТИ68.37.07

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Болезни зерновых культур, вызываемые грибами рода Fusarium, приводят к существенному недобору урожая и загрязнению зерна микотоксинами, опасными для здоровья человека и животных. Одним из наиболее действенных и экологически безопасных приемов, позволяющих снизить остроту проблемы, является возделывание устойчивых к фузариозам сортов. Однако, на сегодняшний день механизмы взаимоотношений ячменя с разной устойчивостью к корневой гнили и фитопатогенного гриба Fusarium culmorum, вызывающего эту гниль, практически не изучены. Неоднозначны также сведения о роли ризосферной микрофлоры в формировании устойчивости ячменя к фузариозной корневой и стеблевой гнилям, которые поражают растения уже на самых ранних этапах их развития. Проект направлен на прояснение роли двух основных факторов, определяющих устойчивость ячменя к фузариозной корневой гнили. 1. Будет установлено, определяется ли устойчивость ячменя скоростью и интенсивностью экспрессии определенных защитных генов, для чего эти параметры будут сравниваться в инфицированных F. culmorum растениях устойчивого и восприимчивого генотипов. 2. Зависит ли устойчивость от влияния ризосферных микробиомов, сформированных корневыми экссудатами растений ячменя с разной устойчивостью на ранних этапах онтогенеза. Все исследования будут проводиться с использованием растений восприимчивого и устойчивого генотипов ячменя из коллекции ВИР им. Н.И. Вавилова. В стерильном эксперименте, чтобы оценить только взаимоотношения F. culmorum и растений ячменя двух генотипов, в образцах корней в динамике будут оценены уровни экспрессии генов PAL, LOX, PR1, WheatWin, NPR1 и WRKY. Эти гены участвуют в защитных реакциях растений, кодируя белки, связанные с патогенезом, или сигнальные молекулы жасмоновой или салициловой кислот. В отобранных для анализа образцах корней в динамике будет определено количество ДНК F. culmorum методом RT PCR. Количество продуцируемых F. culmorum трихотеценовых микотоксинов будет установлено по уровню экспрессии гена TRI13, кодирующего продукцию грибом дезоксиниваленола и ниваленола. Образцы ячменя для анализа будут отобраны на 1, 3, 5, 7 и 12 сутки, что позволит проследить самые ранние этапы становления взаимоотношений между растением и фитопатогенным грибом. Показателем устойчивости (восприимчивости) во всех экспериментах будет количество растений ячменя с симптомами корневой гнили. Для прояснения роли ризосферных микробиомов в формировании устойчивости ячменя на ранних этапах его развития будут выполнены следующие эксперименты. В гнотобиотических условиях будут собраны корневые экссудаты восприимчивых и устойчивых к корневой гнили контрольных и колонизированных F. culmorum растений ячменя. Методами высокоэффективной жидкостной хроматографии в корневых экссудатах будет определен количественный состав сахаров, органических кислот, аминокислот и ароматических карбоновых кислот. Первые три класса компонентов являются источником питания для ризосферной микрофлоры, последний – относят к антимикробным веществам, способным подавлять рост микроорганизмов. В лабораторном эксперименте будет проверена способность корневых экссудатов восприимчивого и устойчивого ячменя влиять на рост F. culmorum. В образцах ризосферы, отобранных после выращивания ячменя двух генотипов в нестерильной почве, будет определено биологическое разнообразие и таксономическая структура микробных сообществ методами метагеномного анализа. Эксперимент по оценке механизмов защитных реакций ячменя двух генотипов, проведенный в стерильных условиях, будет повторно проведен в нестерильной почве. Экспрессия вышеперечисленных защитных генов будет оценена в условиях, когда на индукцию защитных генов в ячмене разных генотипов будет влиять не только F. culmorum, но и микрофлора, колонизирующая корни ячменя. Сравнение результатов опытов, проведенных в стерильных условиях и в нестерильной почве, позволит сделать вывод о возможном влиянии ризосферного микробного сообщества на устойчивость ячменя. Во всех экспериментах в образцах корней и надземной массы ячменя двух генотипов будет в динамике прослежено количество эндогенной салициловой кислоты, что позволит прояснить дискуссионный в настоящее время вопрос об участии данной сигнальной молекулы в активизации иммунных реакций ячменя. Полученные данные позволят восполнить скудные сведения о механизмах взаимоотношений фитопатогенного гриба F. culmorum и растений ячменя с разной устойчивостью к корневой гнили. Будет установлено, активизация каких генов приводит к увеличению устойчивости ячменя. Будет прояснена роль салициловой кислоты, белка NPR1 и факторов транскрипции WRKY в проявлении устойчивости ячменя к фузариозной корневой гнили. Будет уточнена роль трихотеценовых микотоксинов в индукции или подавлении защитных реакций в ячмене. Будет установлено, различается ли состав низкомолекулярных компонентов корневых экссудатов ячменя с разной устойчивостью к корневой гнили и способны ли корневые экссудаты растений устойчивого ячменя подавлять рост F. culmorum. Будет установлено, способны ли корневые экссудаты растений ячменя двух генотипов формировать разные микробные сообщества уже на ранних этапах онтогенеза и каким образом присутствие микробиома ризосферы изменяет иммунный ответ разных по восприимчивости сортов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шапошников А.И., Шахназарова В.Ю., Бородина Е.В., Лебединский М.И., Вишневская Н.А., Сырова Д.С., Ковалева О.Н., Струнникова О.К. Особенности корневой экссудации в патосистеме ячмень–Fusarium culmorum Сборник тезисов. Третья Международная научная конференция PLAMIC2022 «Растения и микроорганизмы: биотехнология будущего», Санкт-Петербург, 237 (год публикации - 2022)

2. Шапошников А.И., Вишневская Н.А., Шахназарова В.Ю., Бородина Е.В., Лебединский М.И., Сырова Д.С., Ковалева О.Н., Струнникова О.К. Влияние фитопатогенного гриба Fusarium culmorum на корневую экссудацию и фитогормональный баланс растений ячменя Актуальная биотехнология, №1, С. 357 (год публикации - 2022)

3. Шахназарова В.Ю., Сырова Д.С., Лебединский М.И., Вишневская Н.А., Шапошников А.И., Бородина Е.В., Струнникова О.К. Mechanisms of control by Pseudomonas fluorescens of barley root rot caused by Fusarium culmorum Applied Biochemistry and Microbiology, 59(5), 679–685 (год публикации - 2023)
10.1134/S0003683823050162

4. Шапошников А.И., Белимов А.А., Азарова Т.С., Струнникова О.К., Вишневская Н.А., Воробьев Н.И., Юзихин О.С., Беспалова Л.А., Тихонович И.А. Взаимосвязь состава корневых экссудатов и эффективности взаимодействия растений пшеницы с микоорганизмами Прикладная биохимия и микробиология, 59(3), 260–274 (год публикации - 2023)
10.31857/S0555109923030170

5. Белимов А.А., Шапошников А.И., Азарова Т.С., Юзихин О.С., Сексте Е.А., Сафронова В.И., Тихонович И.А. Aluminum-immobilizing rhizobacteria modulate root exudation and nutrient uptake and increase aluminum tolerance of pea mutant E107 (brz) Plants, 12, 2334 (год публикации - 2023)
10.3390/plants12122334

6. Шапошников А.И., Юзихин О.С., Азарова Т.С., Белимов А.А. Корневые экссудаты – фактор взаимодействия растений с микроорганизмами в стрессовых условиях X Съезд общества физиологов растений России «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата» (Уфа, 18-23 сентября 2023 г.): тезисы докладов. Уфа: УИБ УФИЦ РАН, 390 (год публикации - 2023)

7. Лебединский М.И., Шапошников А.И., Азарова Т.С., Вишневская Н.А., Шахназарова В.Ю., Бородина Е.В., Струнникова О.К., Юзихин О.С., Белимов А.А. Root exudation of plants under conditions of stress caused by exposure to toxic metals and phytopathogens Генетика, геномика, биоинформатика и биотехнология растений» (PLANTGEN 2023): тезисы докладов. Казань: ФЭН, 236 (год публикации - 2023)

8. Шапошников А.И., Вишневская Н.А., Азарова Т.С., Шахназарова В.Ю., Бородина Е.В., Лебединский М.И., Юзихин О.С., Струнникова О.К., Белимов А.А. Влияние ростстимулирующих ризобактерий на корневую экссудацию растений ячменя в условиях кадмиевого и фитопатогенного стрессов Сборник тезисов II Всероссийской школы-конференции «СОХРАНЕНИЕ И ПРЕУМНОЖЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ МИКРООРГАНИЗМОВ». Москва: Издательство Перо, 96-97 (год публикации - 2023)

9. Шахназарова В.Ю., Шапошников А.И., Лебединский М.И., Вишневская Н.А., Бородина Е.В., Ковалева О.Н., Струнникова О.К. Особенности корневой экссудации и активации защитных реакций у генотипов ячменя с различной устойчивостью к фузариозу X Съезд общества физиологов растений России «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата» (Уфа, 18-23 сентября 2023 г.): тезисы докладов. Уфа: УИБ УФИЦ РАН, 393 (год публикации - 2023)

10. Шапошников А.И., Шахназарова В.Ю., Вишневская Н.А., Бородина Е.В., Лебединский М.И., Струнникова О.К. Root exudation of barley with different resistance to root rot caused by Fusarium culmorum Russian Journal of Plant Physiology, 70:212 (год публикации - 2023)
10.1134/S1021443723603506

Публикации