Межі в галузі рослинництва

Взаємодії рослинних патогенів

Редаговано
Єнс Стаал

Гентський університет, Бельгія

Переглянуто
Сьюзен Брін

Школа наук про життя, Факультет природничих наук, Університет Уоріка, Великобританія

Ченлун Лю

Техаський університет A&M, США

Приналежності редактора та рецензентів є останніми, наданими в їхніх дослідницьких профілях Loop, і вони не можуть відображати їх ситуацію на момент огляду.

межі

  • Завантажити статтю
    • Завантажте PDF
    • ReadCube
    • EPUB
    • XML (NLM)
    • Додаткові
      Матеріал
  • Експортне посилання
    • EndNote
    • Довідковий менеджер
    • Простий текстовий файл
    • BibTex
ПОДІЛИТИСЯ НА

СТАТТЯ Оригінального дослідження

  • 1 Школа наук про життя Чунцинського університету, Чунцин, Китай
  • 2 Школа основних медичних наук, Північно-провінційний медичний коледж, Наньчжун, Китай
  • 3 Кафедра клітинної та структурної біології Техаського університету охорони здоров'я в Сан-Антоніо, штат Техас, США
  • 4 Коледж агрономії та біотехнологій, Південно-Західний університет, Чунцин, Китай
  • 5 Інститут біотехнологій рослин, Національна дослідницька рада Канади, Саскатун, СК, Канада

Вступ

Phytophthora infestans є горезвісним збудником ооміцету як збудника картопляного фітофторозу, який спричинив Великий ірландський голод у середині ХІХ століття (Пірсон, 2011). Картопляний фітофтороз є найсерйознішою загрозою для рослин картоплі і спричиняє значні економічні втрати у всьому світі (Haverkort et al., 2008). За останні десятиліття було розроблено та застосовано декілька хімічних фунгіцидів для боротьби з фітофторозом картоплі шляхом націлювання на типові механізми ураження дихального ланцюга, порушення метаболічного гомеостазу та інгібування РНК-полімерази P. infestans (Matheron and Porchas, 2000; Mitani et al., 2001; Gullino et al., 2010). Однак надзвичайно складний і величезний геном Росії P. infestans надає цьому патогену здатність швидкої еволюції долати ці хімічні фунгіциди шляхом зміни одного гена (Haas et al., 2009). Крім того, важливо враховувати екологічні проблеми, проблеми охорони здоров'я та безпеки, пов'язані з хімічними фунгіцидами. Таким чином, необхідна розробка альтернатив підходам на основі фунгіцидів, які пропонують меншу токсичність, більше цільову специфіку та екологічну стійкість є бажаною та переважною.

Мелатонін, природний продукт, який також називають N-ацетил-5-метокситриптаміном, широко присутній у тварин, рослин та мікробів (Arendt, 2005; Pandi-Perumal et al., 2006; Reiter et al., 2014). Спочатку відомо, що його функція регулює добові ритми. Згодом інші функції, включаючи модуляцію настрою, сну, метаболізму та антиоксиданту, також встановлюються у різних організмів (Reiter et al., 2009, 2015, 2016; Arnao and Hernandezruiz, 2015; Manchester et al., 2015). Зокрема, повідомляється, що мелатонін є ефективним у пригніченні росту клітин деяких патогенних мікроорганізмів людини, погіршуючи їх функції мітохондрій, інгібуючи утворення біоплівки та зменшуючи внутрішньоклітинні субстрати (Tekbas et al., 2008; Elmahallawy et al., 2014; Yang et al. ., 2014). Наприклад, мелатонін пригнічує Лейшманія через порушення функцій мітохондрій (Elmahallawy et al., 2014). Крім того, мелатонін опосередковує пригнічення росту різних ракових клітин, таких як гепатома через втручання метаболізму жирних кислот (Blask et al., 1999a, b; Sauer et al., 2001), колоректальний рак через зниження MT1 (рецептор мелатоніну 1) (Farriol et al., 2000; Nemeth et al., 2011), пухлина гіпофіза через порушення ядерного рецептора (Karasek et al., 2003). Важливо те, що ряд клінічних випробувань також підтвердив, що використання мелатоніну є ефективним заходом для боротьби з різними захворюваннями, включаючи інфекційні захворювання, спричинені патогенними бактеріями або вірусом, такі як сепсис, герпес (Sanchezbarcelo et al., 2010).

У рослин мелатонін підвищує стійкість проти патогенних мікроорганізмів, активуючи експресію захисних генів, підвищуючи вироблення NO та потовщуючи клітинну стінку (Yin et al., 2013; Lee et al., 2014, 2015; Qian et al., 2015; Shi et al., 2015, 2016; Zhao et al., 2015; Lee and Back, 2016; Wei et al., 2017). Наприклад, було показано, що різні гени, пов’язані з патогенезом (PR) та захисні гени, які активуються саліциловою кислотою (SA) та етиленом (ET), також індукуються мелатоніном у арабідопсисі та тютюні (Lee et al., 2014, 2015). Мелатонін також індукує вироблення NO, що відіграє важливу роль у реакції природженого імунітету рослин проти атак бактеріальних збудників (Shi et al., 2015). Також спостерігається, що мелатонін ефективний для потовщення клітинної стінки, викликаючи накопичення в рослинах целюлози, галактози, ксилози та калози для запобігання зараженню патогенами (Qian et al., 2015; Zhao et al., 2015). Нещодавно були досліджені дослідження мелатоніну проти патогенів рослин, опосередковано викликаючи імунітет рослин. Однак мало відомо про пряму взаємодію між мелатоніном і рослинними патогенами (Arnao and Hernandezruiz, 2015).

У цьому дослідженні ми досліджували прямий вплив мелатоніну на P. infestans. Результати та спостереження показали, що ріст міцелію, ультраструктура клітин, толерантність до стресу та чутливість до фунгіцидів P. infestans може значно змінитися у присутності мелатоніну. Через відсутність сортів картоплі, стійких до фітофторозу, боротьба з цим горезвісним захворюванням значною мірою залежить від високих доз та частоти застосування фунгіцидів. Цікаво, що дозу фунгіциду можна значно зменшити, якщо його поєднувати з мелатоніном, що було б важливим для здоров’я людини та навколишнього середовища. Більшість попередніх досліджень транскриптома були зосереджені на господарі-P. infestans взаємодії (Gao et al., 2013; Ali et al., 2014; Frades et al., 2015; Ah-Fong et al., 2017), але наш аналіз транскриптома був зосереджений на виявленні основного механізму дії мелатоніну проти P. infestans. Основні результати цього дослідження будуть корисними для вивчення альтернативних підходів на основі мелатоніну для боротьби з фітофторозом у картоплі.

Матеріали і методи

P. infestans Штам, середовище та умови культури

T30-4 (тип спарювання А1) є послідовним P. infestans ізолят, який зазвичай використовується в лабораторних дослідженнях у всьому світі (Haas et al., 2009). Її надав доктор Суоменг Донг, Нанкінський сільськогосподарський університет, Китай. Штам культивували на агарі жита А при 18 ° C у темряві, як описано в попередньому звіті (Avrova et al., 2003).

Вплив мелатоніну на пізній опік картоплі, зараженого P. infestans Т30-4

P. infestans штам T30-4 культивували на агарі жита A при 18 ° C у темряві протягом 14 днів (Avrova et al., 2003). Потім листя картоплі та скибочки бульби (розміром 2 см × 3 см × 3 мм) обприскували розчином мелатоніну в різних концентраціях (0, 1, 3, 6, 8, 10 мМ), розчиненим у ДМСО, і тим самим обсяги ДМСО як контролю, а також води як контролю (КК) (виключаючи вплив на листя та бульби мелатоніну або ДМСО). Потім міцеліальні диски T30-4 діаметром 7 мм накладали на зрізи бульб картоплі та листя (команда мелатоніну та команда DMSO), потім інкубували при 18 ° C з 12-годинним/12-годинним циклом світло/темрява протягом 5 днів. Розмір кожного ураження вимірювали, а потім аналізували за допомогою Стьюдента т-тест. Для кожного експерименту проводили три біологічні повтори.

Вимірювання впливу мелатоніну на ріст міцелію P. infestans

Міцеліальні диски діаметром 7 мм Т30-4 культивували на агарових пластинах жита А, доповнених різними концентраціями розчину мелатоніну (0, 1, 1,5, 2, 3 і 5 мМ), і тими ж обсягами ДМСО, що і контроль . Діаметри колонії вимірювали на 9-й та 14-й день. Швидкості інгібування розраховували, використовуючи діаметр контрольної колонії (D), лікарської колонії (M), як показано: [(D - M)/(D - 0,7)] × 100%. Всі експерименти повторювали тричі.

Вимірювання впливу мелатоніну на життєздатність клітин P. infestans

МТТ, 3- (4,5-диметил-2-тіазоліл) -2,5-дифеніл-2Н-тетразолій бромід може бути перетворений у формазан за допомогою мітохондріальної редуктази живих клітин. Міцеліальні диски діаметром 7 мм T30-4 культивували на 96-лункових планшетах, доповнених ДМСО (як контроль), мелатоніном (0, 3, 6, 10 мМ), Infinito (0,01, 0,01, 0,05, 0,1 мл/л), мл/л означає обсяг фунгіциду в 1 л води) та різні комбінації мелатоніну + інфініто (3 + 0,01, 6 + 0,05, 10 мМ + 0,1 мл/л) та інкубують при 18 ° C протягом 24 годин . Через 24 години додавали 10 мкл розчину МТТ та інкубували при 18 ° C протягом 4 годин. Потім зразки вимірювали в автоматичному зчитувачі мікропланшетів, що працював на довжині хвилі 490 нм. Життєздатність клітини (%) = [A (препарат) - A (фіктивний)]/[A (контроль) - A (фіктивний)].

Електронна мікроскопія

Т30-4 культивували в рідкому агаровому середовищі жита А, що містить 6 мМ мелатоніну, і ті ж обсяги ДМСО встановлювали в якості контролю, а потім інкубували при температурі 18 ° С в темряві протягом 9 днів. Далі міцелії збирали, фіксували, спостерігали за скануючим електронним мікроскопом (SEM) та просвічуючим електронним мікроскопом (TEM), як описано в літературах (Cao et al., 2014; Chen et al., 2017).

Аналіз на толерантність до стресу

(1). Міцеліальні диски діаметром 7 мм Т30-4 культивували на агарових планшетах із житом А з різними добавками: ДМСО (як контроль), мелатонін (3 мМ), NaCl (0,1 М)/Н2О2 (0,1 мМ) та комбінація мелатоніну + NaCl/H2O2. Потім диски інкубували при температурі 18 ° C у темряві протягом 14 днів.

(2). Міцеліальні диски діаметром 7 мм T30-4 культивували на агарових пластинах жита А з різною обробкою: ДМСО (як контроль), мелатонін (3 мМ), УФ (1350 МВт/мм 2) протягом 30 хв/37 ° С протягом 2 год/4 ° С протягом 24 год, а також комбінація мелатоніну + УФ/37 ° С/4 ° С. Потім диски інкубували при температурі 18 ° C у темряві протягом 14 днів.

(3). Через 14 днів ми виміряли діаметр колонії та розрахували швидкість інгібування. Всі експерименти повторювали тричі.

Аналіз ефекту синергізму/антагонізму поєднання мелатоніну та фунгіциду на P. infestans

Тест на патогенність P. infestans за допомогою комбінації мелатоніну та фунгіциду

P. infestans штам T30-4 культивували на агарі жита A при 18 ° C у темряві протягом 14 днів (Avrova et al., 2003). Потім листя картоплі та скибочки бульб (розміром 2 см × 3 см × 3 мм) обприскували ДМСО (як контроль), розчином мелатоніну (3, 6, 8 мМ), Infinito (0,0025, 0,025, 0,25 мл/л), і мелатонін + інфініто (3 + 0,0025, 3 + 0,025, 3 + 0,25, 6 + 0,0025, 6 + 0,025, 6 + 0,25, 8 + 0,0025, 8 + 0,025, 8 мМ + 0,25 мл/л). Міцеліальні диски T30-4 діаметром 7 мм накладали на зрізи та листя бульб картоплі та інкубували при 18 ° C з 12-годинним/12-годинним циклом світло/темрява протягом 5 днів. Потім вимірювали розмір кожного ураження та аналізували за допомогою Стьюдента т-тест. Для кожного експерименту проводили три біологічні повтори.

Аналіз транскриптомів та аналіз набору даних

Tekbas, O. F., Ogur, R., Korkmaz, A., Kilic, A., and Reiter, R. J. (2008). Мелатонін як антибіотик: нові уявлення про дії цієї всюдисущої молекули. J. Pineal Res. 44, 222–226. doi: 10.1111/j.1600-079X.2007.00516.x

Тян, М., Чаудрі, Ф., Рузічка, Д. Р., Мігер, Р. Б., Штайгер, Ч. Дж., І Дей, Б. (2009). Арабідопсис-актинодеполімеризуючий фактор AtADF4 опосередковує передачу захисного сигналу, спричинену Pseudomonas syringae ефектор AvrPphB. Рослинний фізіол. 150, 815–824. doi: 10.1104/pp.109.137604

Вегенер Г. та Краузе, У. (2002). Різні режими активації фосфофруктокінази, ключового регуляторного ферменту гліколізу, у робочих м’язах хребетних. Біохім. Соц. Транс. 30, 264–270.

Wei, Y., Hu, W., Wang, Q., Zeng, H., Li, X., Yan, Y., et al. (2017). Ідентифікація, транскрипція та функціональний аналіз білка теплового шоку 90-х років у банані (Musa acuminata Л.) висвітлюють їх нову роль у реакції рослин, опосередкованих мелатоніном, на фузаріозне в’янення. J. Pineal Res. 62: e12347. doi: 10.1111/jpi.12367

Xiong, F., Zhang, R., Meng, Z., Deng, K., Que, Y., Zhuo, F., et al. (2017). Brassinosteriod Insensitive 2 (BIN2) діє як ефектор низхідного ефекту цільового рапаміцину (TOR) сигнального шляху для регулювання фотоавтотрофного росту в Arabidopsis. Новий Фітол. 213, 233–249. doi: 10.1111/nph.14118

Яманіші, М., Нарадзакі, Х., і Асано, Т. (2015). Мелатонін долає стійкість до клофарабіну в двох лейкозних клітинних лініях за рахунок посиленої експресії дезоксицитидинкінази. Досвід. Гематол. 43, 207–214. doi: 10.1016/j.exphem.2014.11.001

Ян, Х. П., Цанг, П. С., і Цанг, П. В. (2014). Мелатонін пригнічує формування біоплівки при парапсилозі Candida. Дж. Микол. Мед. 24, 360–361. doi: 10.1016/j.mycmed.2014.05.003

Інь, Л., Ван, П., Лі, М., Ке, X., Лі, С., Лянг, Д. та ін. (2013). Екзогенний мелатонін покращує стійкість Malus до яблучних плям Marssonina. J. Pineal Res. 54, 426–434. doi: 10.1111/jpi.12038

Zhao C., Waalwijk C., De Wit, P. J. G. M., Der Lee, T. V., і Tang, D. (2011). EBR1, новий фактор транскрипції Zn 2 Cys 6, впливає на вірулентність і верхівкове домінування гіфальної верхівки у fusarium graminearum. Мол. Рослинні мікроби взаємодіють. 24, 1407–1418. doi: 10.1094/MPMI-06-11-0158

Чжао Х., Сю, Л., Су, Т., Цзян Ю., Ху, Л., і Ма, Ф. (2015). Мелатонін регулює вуглеводний обмін і захист проти Pseudomonas syringae pv. томат DC3000 інфекція в Arabidopsis thaliana. J. Pineal Res. 59, 109–119. doi: 10.1111/jpi.12245

Ключові слова: Phytophthora infestans, мелатонін, картопляний фітофтороз, толерантність до стресу, чутливість до фунгіцидів, транскриптом

Цитування: Zhang S, Zheng X, Reiter RJ, Feng S, Wang Y, Liu S, Jin L, Li Z, Datla R and Ren M (2017) Мелатонін пом'якшує пізній картопля, порушуючи ріст клітин, толерантність до стресу, чутливість до фунгіцидів та Гомеостаз експресії генів у Росії Phytophthora infestans. Спереду. Рослин Sci. 8: 1993. doi: 10.3389/fpls.2017.01993

Отримано: 26 серпня 2017 р .; Прийнято: 06 листопада 2017 р .;
Опубліковано: 21 листопада 2017 року.

Йенс Стаал, Гентський університет, Бельгія

Сьюзен Брін, Організація наукових та промислових досліджень Співдружності (CSIRO), Австралія
Ченлун Лю, Техаський університет A&M, США

† Ці автори зробили однаковий внесок у цю роботу.