Вісн. Харків. нац. аграрн. ун-ту. Сер. Біологія, 2017, вип. 1 (40), с. 106-118


https://doi.org/10.35550/vbio2017.01.106




ВПЛИВ ПЕРЕДПОСІВНОГО ПРАЙМУВАННЯ N-ГЕКСАНОЇЛ-L-ГОМОСЕРИНЛАКТОНОМ НА ФОРМУВАННЯ РИЗОСФЕРНОЇ МІКРОФЛОРИ І СТРУКТУРУ УРОЖАЙНОСТІ TRITICUM AESTIVUM L.


Л. М. Бабенко1, O. В. Мошинець2, С. П. Рогальський3, М. М. Щербатюк1, О. С. Суслова4, І. В. Косаківська1

1Інститут ботаніки ім. М.Г. Холодного Національної академії наук України
(Київ, Україна)
E-mail: lilia.babenko@gmail.com
2
Інститут молекулярної біології і генетики Національної академії наук України
(Київ, Україна)
3
Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії Національної академії наук України
(Київ, Україна)
4
Інстітут мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного
Національної академії наук України
(Київ, Україна)


Ацилгомосеринлактони (АГЛ) належать до класу молекул медіаторів бактеріального походження, задіяних у дистанційній трансдукції сигналів між бактеріями-колонізаторами фітосфери і безпосередньо між бактеріями і рослиною. Завданням роботи було оцінити ефекти праймування насіння озимої пшениці розчином коротколанцюгового N-ацилгомосеринлактону на формування ризосферної мікрофлори і структуру врожайності рослин. У зв'язку з цим нами було здійснено хімічний синтез молекул АГЛ середнього розміру − N-гексаноїл-L-гомосеринлактону (ГГЛ), підібрана система розчинення препарату для приготування стокових водних розчинів, визначена ефективна робоча концентрація. Отриманим водним розчином ГГЛ праймували насіння нових генотипів Triticum aestivum L. української селекції: жаростійкий сорт Ятрань 60 і морозостійкий Володарка. У результаті проведених досліджень виявлено прямий (на рослини пшениці) і непрямий (на ризосферну мікрофлору) ефекти праймування. Зафіксовані збільшення продуктивного кущіння, кількості і маси зерен в одному колосі, загальної біомаси рослин, надземної вегетативної маси і маси зерна, а також маси тисячі зерен. Дослідження непрямого ефекту праймування в умовах реальної екосистеми виявило якісні і кількісні зміни в складі екологічних груп ризосферной мікрофлори. Непередбачених ефектом праймування виявилося зменшення кількості азотфіксуючих бактерій, що, тим не менш, спостерігалося на тлі збільшення продуктивності рослин. Цей феномен потребує подальшого дослідження. Оскільки праймування насіння озимої пшениці в цілому позитивно вплинуло на рослини пшениці, ГГЛ можна розглядати як перспективний екологічний фітостимулятор і фітомодулятор.


Ключові слова: Triticum aestivum, N-ацилгомосеринлактони, N-гексаноїл-L-гомосеринлактон, фітостимулятори, фітомодулятори, праймування, quorum sensing

 


ЛІТЕРАТУРА


1. Babayants L., Meshterkhazi A., Vekhter F. 1988. Metody selektsii i otsenki ustoychivosti pshenitsy i yachmenya k boleznyam v stranakh chlenakh SEV (Methods for selection and assessment of the resistance of wheat and barley to diseases in the CMEA member countries). Prague : 322 p.
 
2. Babenko L.M., Moshynets O.V., Shcherbatiuk M.M., Kosakivska I.V. 2016. Bacterial acyl homoserine lactones in plant priming biotechnology: achievements and prospects of use in agricultural production. Fiziol. rast. genet. 48 (6) : 463-474.
https://doi.org/10.15407/frg2016.06.463
 
3. Babenko L.M., Martyn G.I., Kosakivska I.V., Musatenko L.I. 2005. Influence of dehydration on lipoxygenase activity and ultrastructure of germline cells during germination of bean seeds. Fyzyolohyya i byokhymyya kul't. rastenii. 37 (4) : 305-312.
 
4. Boubriak О.А., Аkimkina Т.V., Dmitriev O.P., Grodzinsky D.M., Boubriak I.I. 2013. Search for molecular markers for optimization presowing processing (priming) of seeds. Visn. Hark. nac. agrar. univ., Ser. Biol. 2 (29) : 6-19.
 
5. Gostev V.V., Sidorenko S.V. 2010.Bacterial biofilms and infections. Zhurnal infektologii. 2 (3) : 4-15.
 
6. Egorov N.S. 1996. Praktikum po mikrobiologii (Microbiology Workshop). Moscow : 307 p.
 
7. Krestetska S.L., Nesterenko A.M. 2007. Autoinduction and signal transduction: communication systems in microbial populations. Annals Mechnicov Inst. 1 : 4-9.
 
8. Lugova G.A., Karpets Yu.V., Grygorenko D.O., Kolomoets B.O., Obozniy O.I., Miroshnichenko M.M., Kolupaev Yu.E. 2015. Influence of jasmonic acid on productivity of barley plants and their resistance to drought and fungal infections Visn. Hark. nac. agrar. univ., Ser. Biol. 3 (36) : 54-61.
 
9. Morgun V.V., Sanin E.V., Schwartau V.V. 2008. Klub 100 tsentneriv (Club 100 quintals). Kyiv : 87 p.
 
10. Moshynets O.V., Kosakivska I.V. 2010a. Phytosphere ecology: plant-microbial interactions. 1. structure functional characteristic of rhizo-, endo- and phyllosphere. Visn. Hark. nac. agrar. univ., Ser. Biol. 2 (20) : 19-35.
 
11. Moshynets O.V., Kosakivska I.V. 2010b.Phytosphere ecology: plant-microbial interactions. 2. Phytosphere as a niche for plant-microbial interactions. functional microbial activity and its influence on plants. Visn. Hark. nac. agrar. univ., Ser. Biol. 3 (21) : 6-22.
 
12. Moshynets O.V., Shpylova S.P., Spiers A.J., Kosakivska I.V. 2010. The phytosphere of Brassica napus L. as a niche for Pseudomonas fluorescens SBW25. Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine. 12 : 150-153.
 
13. Oleskin A.V., Botvinko I.V., Tsavkelova E.A. 2000. Colonial organization and intercellular communication in microorganisms. Microbiology (Mosc.). 69 (3) : С. 249-265.
https://doi.org/10.1007/BF02756730
 
14. Tepper Ye.Z., Shil'nikova V.K., Pereverzeva G.I. 1998. Praktikum po mikrobiologii (Microbiology Workshop). 175 p.
 
15. Ashraf M., Foolad M. 2005.Presowing seed treatment - a shotgun approach to improve germination, plant growth, and crop yield under saline and non-saline conditions. Adv. Agron. 88 : 223-271.
https://doi.org/10.1016/S0065-2113(05)88006-X
 
16. Bai X., Todd C. D., Desikan R., Yang Y.X. 2012. N-3-Oxo-Decanoyl- L-Homoserine-Lactone activates auxin-induced adventitious root formation via hydrogen peroxide- and nitric oxide-dependent cyclic GMP signaling in mung bean. Plant Physiol. 158 : 725-736.
https://doi.org/10.1104/pp.111.185769
 
17. Bassler B. Small talk. 2002. Cell-to-cell communication in bacteria. Cell. 109 : 421-424.
https://doi.org/10.1016/S0092-8674(02)00749-3
 
18. Beckers G.J., Conrath U. 2007.Priming for stress resistance: From the lab to the field. Curr. Opin. Plant Biol. 10 : 425-431.
https://doi.org/10.1016/j.pbi.2007.06.002
 
19. Beckers G.J., Jaskiewicz M., Liu Y., Underwood W.R., He S.Y., Zhang S. 2009. Mitogen-activated protein kinases 3 and 6 are required for full priming of stress re-sponses in Arabidopsis thaliana. Plant Cell. 21 : 944-953.
https://doi.org/10.1105/tpc.108.062158
 
20. Bhattachrjee R.B., Singh A., Mukhopadhyay S.N. 2008. Use of nitrogen-fixing bacteria as biofertiliser for non-legumes: prospects and challenges. Appl. Microbiol. Biotechnol. 80 : 199-209.
https://doi.org/10.1007/s00253-008-1567-2
 
21. Bruce T.J., Matthes M.C., Napier J.A., Pickett J.A. 2007. Stressful memories of plants: evidence and possible mechanisms. Plant Sci. 173 : 603- 608.
https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2007.09.002
 
22. Chhabra S. R., Harty C., Hooi D. S. W., Daykin M., Williams P., Telford G., Pritchard D. I., Bycroft B. W. 2003. Synthetic analogues of the bacterial signal (Quorum Sensing) molecule N-(3-Oxododecanoyl)-L-homoserine lactone as immune modulators. J. Med. Chem. 46 : 97-104.
https://doi.org/10.1021/jm020909n
 
23. Conrath U., Pieterse C., Mauch-Mani B. 2002. Priming in plant-pathogen interactions. Trends Plant Sci. 7 : 210-216.
https://doi.org/10.1016/S1360-1385(02)02244-6
 
24. Copley J. 2000. Ecology goes underground. Nature. 406 : 452-454.
https://doi.org/10.1038/35020131
 
25. Gonzalez J.E., Marketon M.M. 2003. Quorum sensing in nitrogen-fixing rhizobia. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 67 : 574-592.
https://doi.org/10.1128/MMBR.67.4.574-592.2003
 
26. Jung H.W., Tschaplinski T.J., Wang L., Glazebrook J., Greenberg J.T. 2009. Priming in systemic plant immunity. Science. 324 : 89-91.
https://doi.org/10.1126/science.1170025
 
27. Kloepper J.W., Schroth M.N., Miller T.D. 1980. Effects of rhizosphere colonization by plant growth-promoting rhizobacteria on potato plant development and yield. Ecol. Epidemio. 70 (11) : 1078-1082.
https://doi.org/10.1094/Phyto-70-1078
 
28. Luna E., Bruce T.J., Roberts M.R., Flors V., Ton J. 2012. Next-generation systemic acquired resistance. Plant Physiol. 158 : 844-853.
https://doi.org/10.1104/pp.111.187468
 
29. Mathesius U., Mulders S., Gao M., Teplitski M., Caeta-no-Anolles G., 2003. Rolfe B. G. Extensive and specific re-sponses of a eukaryote to bacte¬rial quorum-sensing signals. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 100 : 1444-1449.
https://doi.org/10.1073/pnas.262672599
 
30. Miller M.B., Bassler B.L. 2001.Quorum sensing in bacteria. Annu. Rev. Microbiol. 55 : 165-99.
https://doi.org/10.1146/annurev.micro.55.1.165
 
31. Moshynets O., Koza A., Dello Sterpaio P., Kordium V., Spiers A.J. 2011. Up-dating the Cholodny method using PET films to sample microbial communities in soil. Biopolym. Cell. 27 : 199-205.
https://doi.org/10.7124/bc.0000BA
 
32. Mylona P., Pawlowski K. Bisseling T. 1995. Symbiotic nitrogen fixation. Plant Cell. 7 : 869-885.
https://doi.org/10.1105/tpc.7.7.869
 
33. Natelson S., Natelson E. A. 1989. Preparation of D-, DL- and L-homoserine lactone from methionine. Microchem. J. 40 : 226-232.
https://doi.org/10.1016/0026-265X(89)90074-X
 
34. Normander B., Prosser J.L. 2000. Bacterail origin and community composition in the barley phytosphere as a function of habitat and presowing conditions. Appl. Environ. Microbiol. 66 : 4372-4377.
https://doi.org/10.1128/AEM.66.10.4372-4377.2000
 
35. Paterson E., Heyes V. 2011. The use of seed priming to im-prove your sugar beet crop. Int. Sugar J. 113 : 131-133.
 
36. Rasmann S., De Vos M., Casteel C.L., Tian D., Halitschke R., Sun J.Y. 2012. Herbivory in the previous generation primes plants for enhanced insect resistance. Plant Physiol. 158 : 854-863.
https://doi.org/10.1104/pp.111.187831
 
37. Rendi O.C., Hexcon A., Lourdes M.R. 2009. The role of mi-crobial signals in plant growth and development. Plant Signal. Behav. 4 : 701-712.
https://doi.org/10.4161/psb.4.8.9047
 
38. Reynolds M., Ortiz-Monasterio J., McNab A. 2001. Application of physiology in wheat breeding. Mexico : 491 p.
 
39. Rosenblueth M., Martinez-Romero E. 2006. Bacterial endophytes and their interactions with hosts. Mol. Plant Microbe Interact. 19 : 827-837.
https://doi.org/10.1094/MPMI-19-0827
 
40. Schenk S., Schikora A. 2015. AHL-priming function via ox-ylipin and salicylic acid. Front. Plant Sci. 5 : 784-794.
https://doi.org/10.3389/fpls.2014.00784
 
41. Schenk S.T., Schikora A. 2014. AHL-priming function via oxylipin and salicylic acid. Front. Plant Sci. 5 : 784.
https://doi.org/10.3389/fpls.2014.00784
 
42. Schenk S.T., Stein E., Kogel K.H., Schikora A. 2012. Arabidopsis growth and defense are modulated by bacterial quorum sensing molecules. Plant Signal. Behav. 7 : 178-181.
https://doi.org/10.4161/psb.18789
 
43. Sivaramarkrishtan S., Gangadharan D., Nampoothiri К., Soccol С. 2006. α-Amylases from microbial sources an overview on recent developoments. Food Technol. Biothechnol. 44 : 173-184.
 
44. Sjofjan O., Ardyati T. 2011. Extracellular amylase activity of amylolytic bacteria isolated from Quail's (Coturnix japonica) intestinal tract in corn flour medium. Int. J. Poultry Sci. 10 : 411-415.
https://doi.org/10.3923/ijps.2011.411.415
 
45. Slaughter A., Daniel X., Flors V., Luna E., Hohn, B., Mauch-Mani B. 2012. Descendants of primed Arabidopsis plants exhibit resistance to biotic stress. Plant Physiol. 158 : 835-843.
https://doi.org/10.1104/pp.111.191593
 
46. Ton J., Jakab G., Toquin V., Flors V., Iavicoli A., Maeder M.N. 2005. Dissecting the β-aminobutyric acid - induced priming phenomenon in Arabidopsis. Plant Cell. 17 : 987-999.
https://doi.org/10.1105/tpc.104.029728
 
47. Van der Heijden M.G.A., Bakker R., Verwaal J., Scheu-blin T.R., Rutten M., Van Logtestijn R., Staehelin C. 2006. Symbiotic bacteria as a determinant of plant com-munity structure and plant productivity in dune grassland. FEMS Microbiol. Ecol. 56 : 178-187.
https://doi.org/10.1111/j.1574-6941.2006.00086.x
 
48. Van Elsas J.D., Tumer S., Bailey M.J. 2003. Horizontal gene transfer in the phytosphere. New Phytol. 157 : 525-537.
https://doi.org/10.1046/j.1469-8137.2003.00697.x
 
49. Van Kammen A. 1994. Suggested nomenclature for plant genes involved in nodulation and symbiosis. Plant Mol. Biol. Rep. 2. 43-45.
https://doi.org/10.1007/BF03015869
 
50. Van Peer P., Punte H.L.M., De Weger L.A., Schippers B. 1990. Characterization of root surface and endorhi-zosphere Pseudomonas in relation to their coloniza-tion of roots. Appl. Environ. Microbiol. 56 : 2462-2470.
 
51. Von Rad U., Klein I., Dobrev P.I., Kottova J., Zazimalova E., Fekete A., Hartmann A. Schmitt-Kopplin P., Durner J. 2008. Response of Arabidopsis thaliana to N-hexanoyl-DL-homoserine-lactone, a bacterial quorum sensing molecule produced in the rhizosphere. Planta. 229 : 73-85.
https://doi.org/10.1007/s00425-008-0811-4