КОНТРОЛЬ РАЗВИТИЯ ЗАБОЛЕВАНИЙ КОНТРОЛЬ РАЗВИТИЯ ЗАБОЛЕВАНИЙ ПУТЕМ ИММУНИЗАЦИИ, ПОВЫШЕНИЯ ПУТЕМ ИММУНИЗАЦИИ, ПОВЫШЕНИЯ

УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙУСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ

Харьковский национальный университет им. В.Н. КаразинаБиологический факультет

Кафедра микологии и фитоиммунологии

Комплекс презентаций к курсу «Защита растений»

Часть 4.

Методы повышения устойчивости растений

Генмодифицированные растения, вырабатывающие антитела, т.к. называемые плантитела (plantibodies)

Индуцированная устойчивость - инокуляция ослабленным патогеном, обработка элиситорами (SA,

INA, бензотиазолы)Патоген-производная устойчивость (pathogen-derived

resistance) – введение в геном растений генов патогена, участвующих в патогенезе

Введение в геном растений генов, кодирующих синтез ферментов, пептидов, токсинов, влияющих на патогена

в момент инвазии Получение резистентных сортов, методом выделения

генов устойчивости с последующим трансфером восприимчивым (реакция сверхчувствительности)

«Перекрестный иммунитет» («Перекрестный иммунитет» (cross protectioncross protection))

Вирус мозаики томата

Тристеца вирус цитрусовых (CTV – citrus tristeza virus)

Вирус кольцевой пятнистости папайи (PRSV – Papaya ringspot virus)

CCистемная приобретенная устойчивость истемная приобретенная устойчивость (SAR)(SAR)

Вирус табачной мозаики

Phytophthora nicotianae Pseudomonas tabaci Табачная тля

Chalara elegans Pseudomonas syringae

Вирус табачной мозаики

КультураКультура ИндукторИндуктор SARSAR

Бобовые Вирус пятнистости Ржавчина, мучнистая роса

Сахарная свекла Вирус пятнистости Ржавчина, мучнистая роса

Груша (сГруша (сross ross protectionprotection))

ослаб. штаммы ослаб. штаммы Erwinia Erwinia amylovoraamylovora Бактериальный ожогБактериальный ожог

БахчевыеБахчевые (с(сross ross protectionprotection))

авир. Штамм авир. Штамм Colletotrichum Colletotrichum lagenariumlagenarium, , RalstoniaRalstonia АнтракнозАнтракноз

Белки капсида ВТМ Бактериальные гликопротеины Ralstoni

solanacearum

Метаболиты патогенаМетаболиты патогена

Для индуцирования SAR, можно использовать белки капсида ВТМ, белки или гликопротеиновые фракции бактерии (Ralstoni solanacearum), липиды оомицетов (Phytophthora infestans).

Подобное явление наблюдается при использовании «чужеродных» полисахаридов, например, хитозана.

Хитозан Гликолипиды мембран

Недавно было показано, что системная приобретенная устойчивость к ВТМ может наблюдаться и при использовании полисахаридов непатогенных микроорганизмов (бактерий, грибов), или белков «неродственных» растений.

Синтетические активаторы системной приобретенной Синтетические активаторы системной приобретенной устойчивостиустойчивости

Ацетилсалициловая кислота Салициловая кислота

Дихлоризоникотиновая кислота Бензотиадиазол (Актигард)

Одно из первых веществ получившее широкое применение это бензотиадиазол (benzothiadiazole), известный как Actigard. В большей степени чем салициловая кислота ингибирует каталазу и аскорбатпероксидазу, в результате чего в клетке накапливается перекись водорода, а также индуцирует экспрессию защитных генов (кислых PR-1, Pr-2 и PR-3 белков).

УФ-терапияУФ-терапия

Обработка малой дозой УФ-излучения (длинна волны 254 нм)

Активация синтеза хитиназ

Активация синтеза β-1,2-глюканаз

Обработка кремниемОбработка кремнием

Степень пораженности лиcтьев пшеницы мучнистой росой (Blumeria gramminis): слева контроль, центр – добавление кремния в питательный раствор (Si+), справа – без (Si-)

Формирование нормального гаустория (Н) в клетках эпидермиса необработанных листьев

Накопление фенольных соединений (WA) в клеточной стенке листьев Si+ в месте инвазии гриба (Bg)

Использование устойчивых сортовИспользование устойчивых сортов•ржавчина, •головня, •мучнистая роса, •сосудистые микозы, •вирусы, •бактерии•нематоды

Сорт восприимчивый к Puccinia graminis

Сорта с различгным уровнем устойчивости к Puccinia graminis

Горизонтальная и вертикальная устойчивостьГоризонтальная и вертикальная устойчивость

Модель Я. Ван дер Планка, 1984 г.

Слева вертикальная (расоспецифичная) устойчивость к отдельным расам возбудителя, справа – горизонтальная (неспецифичная) равномерная устойчивость ко всем расам патогена

Различия между вертикальной и горизонтальной устойчивостью (no

Vanderplank, 1984)

ПризнакиТип устойчивости

вертикальная горизонтальная

Взаимоотношения с паразитами Расоспецифические Неспецифические

Фенотипическое выражение Качественное Количественное

Механизмы устойчивости

Активные защитные реакции

Каталитические реакции

Влияние условий среды Слабое Сильное

Продолжительность устойчивости Кратковременное Долговременная

Получение нового сорта классическим методами селекции или генной инженерией

Испытание устойчивости к патогенам (оценка «восприимчивости – устойчивости» с максимально возможным числом рас)

Получение и производственная адаптация устойчивых Получение и производственная адаптация устойчивых сортовсортов

Проверка устойчивости сорта в полевых условиях в различных районах. Например, для зерновых такие испытания проводят в нескольких странах на разных континентах.

Распространение стеблевой ржавчины пшеницы в Северной Америке и внедрение сортов, несущих различные гены устойчивости в южных, центральных и северных регионах, чтобы остановить распространение расы с севера на юг

Пространственная ротация сортов с разным набором Пространственная ротация сортов с разным набором генов устойчивостигенов устойчивости

Использование мультилинийИспользование мультилиний

Мультилиния – смесь изогенных линий с различным набором генов устойчивости

Локальное проявление заболевания

Быстрая замена восприимчивой

линии при поражении новой расой патогена

Использование генетически модифицированных растений,

устойчивых к патогенам и абиогенным стрессам

В геном баклажана встроены бактериальные гены, кодирующие синтез маннитол фосфодегидрогеназ повышающих устойчивость к осмотическому солевому стрессу, к засухе и низким температурам

Трансгенные растения, устойчивые к абиотическому Трансгенные растения, устойчивые к абиотическому стрессустрессу

У риса гиперэкспрессия гена, кодирующего синтез глутамин S-трансферазы, путем ввода промотера гена убиквитина из генома кукурузы, значительно повышает устойчивость растения к действию низких температур.

Устойчивость к засухе у табака была увеличена путем введения в геном хлоропластов гена дрожжей, кодирующего синтез трегалозы фосфат-синтазы. При этом трансформация гена в ядро приводила к задержке роста и стерилизации растений.

Трансформация внеядерного геномаТрансформация внеядерного генома

Трансформация путем ввода генов устойчивостиТрансформация путем ввода генов устойчивости

Бактериальный ожег риса, гоммоз (Xanthomonas oryzae pv. oryzae )

Гибриды риса, содержащие ген Xa21, кодирующий устойчивость к гоммозу с одновременным сохранением высоких агономических характеристик

Перенос гена устойчивости DRR206 из гороха в рапс позволил получить сорта устойчивые к поражению, корневой гнилью (Rhizoctonia) и характеризующиеся меньшим поражением листовой пластины при инвазии Sclerotinia sclerotiorum.

У полевицы ползучей (газонная трава) трансформированной геном арабидопсиса PR5K наблюдается устойчивость к поражению Sclerotinia homeocarpa (долларовая пятнистость) - задержка развития симптомов заболевания на срок от 29 до 45 дней.

Ввод генов, кодирующих продукцию защитных Ввод генов, кодирующих продукцию защитных метаболитовметаболитов

Гены, кодирующие PR-белки (Pathogenesis-related proteins – белки, связанные с патогенезом) 17 классов

PR-1 тип белков - сигнальные полипептиды, участвующие в индуцировании системной

приобретенной устойчивости PR-2 тип белков: β-1,3-глюканазы - ферменты

расщепляющие клеточную стенку некоторых грибов

PR-3 тип белков: хитиназы групп І и ІІ - ферменты сособные гидролизовать полимеры хитина и

бактериального пептидоглюкана

Ввод в геном арахиса генов глюканаз и хитиназ на 36% снижает частоту поражения полегания вызванного Sclerotinia.

Трансгенные розы, экспрессирующие хитиназы (ген получен из риса), характеризуются снижением симптомов черной пятнистости розы (Diplocarpon rosae) на 13-43%

Трансформация генома брокколи геном эндохитиназ, полученного от Trichoderma harzianum, значительно повышает устойчивость реципиента в сравнении с нетрансгенным растением. Показано, что в данном случае эндохитиназы экспрессируются в 14-200 раз сильнее, что значительно влияет на степень проявления симптомов различных болезней Хлопок и табак в геном которых был встроен ген Talaromyces flavus, отвечающий за синтез глюкозооксидазы (окисление глюкозы с образованием перекиси водорода), характеризуется значительной устойчивостью к поражению Rhizoctonia и частичной –Verticillium.

Вигна китайская, экспрессирующая ген трипсина (фермент, расщепляющий белки) в значительной степени устойчива к повреждению различными нематодами, например, почковидной (Rotyenchus reniformis).

Ввод нуклеиновых кислот, подавляющих экспрессию генов патогена

Вставка нетранслируемого белка капсида гравирующего вируса табака (TEV) в геном реципиента приводит к системной устойчивости всего растения к этому заболеванию

Включение гена двухцепочечной рибонуклеазы дрожжей в геном гороха приводит к неспецифической устойчивости трансгенов к вирусам

Ввод в геном антисмысловых нуклеиновых кислот

Устойчивость арахиса к вирусу пятнистости томата (вилт) была достигнута путем переноса в геном реципиента антисмысловой нуклеиновой кислоты, связывающей РНК вируса.

Тот же эффект проявляется при трансформации генома картофеля с использованием антисмысловой последовательности Р1 гена Y вируса картофеля.

Одноцепочечные РНК, связывающиеся с комплементарными мРНК, транскрибируемой в

клетке

Ввод генов, кодирующих репликазы патогена

Этот прием использован при получении трансгенной пшеницы, путем переноса репликазы вируса полосатой мозаики

У картофеля – вируса курчавости листьев

Ввод генов, кодирующих транспортировочные белки (movement proteins)

Встройка таких генов в геном малины обеспечивает устойчивость к поражению вирусом карликовости (raspberry bushy dwarf virus)

На томате проявляется тот же эффект при внедрении аналогичного гена вируса табачной мозаики

Эти вирусные белки образуют транспортную трубочку в поре с плазмодесмами, что позволяет перемещаться зрелым вирусным частицам

Комбинирование генов устойчивости и патоген-производных генов

При комбинировании генов устойчивости табака с фрагментом гена оболочки вируса пятнистости жилок табака (TVMV) трасгены характеризуются устойчивостью и к другим вирусам семейства потивирусов (potyviruses)

Комбинация SW-5 гена устойчивости томата к вирусу пятнистого вилта (TSWV) с геном N нуклеокапсида данного вируса обеспечивает устойчивость трансгенных растений к большинству штаммов TSWV

Трансгенные растения риса полученные путем введения в ген устойчивости промоутера и первого интрона R-гена кукурузы, кодирующего убиквитин, проявляют резистентность не только к пирикуляриозу, но и к различным абиогенным стрессам (влияние солей, подтопления, перекиси водорода)

Пирикуляриоз риса (Magnaporthe grisea)

Продуцирование плантител против патогена

К конкретному вирусу могут синтезироваться целые молекулы (антитела), антиген-связывающие фрагменты (Fab) или одноцепочечные вариабельные фрагменты Fv (ScFv), которые легче транспортируются во внутриклеточном пространстве и более эффективно связывают вирус. При эксперссии трасформироанных генов их продукты могут накапливаться в межклеточном пространстве, хлоропластах, эндоплазматическом ретикулуме клеток листьев, семян. На данный момент получены трансгенные растения, продуцирующие плантитела к вирусу табачной мозаики, Х- и Y-вирусам картофеля, вирусу желтизны жилок клевера.

Трансгенные микроорганизмы-антагонисты

Методы генной инженерии могут быть использованы для трансформации генома микроорганизмов по пути увеличения их антагонистических свойств.

Ввод новых генов, кодирующих синтез токсинов, ферментов или других соединений.

Трансформация регуляторных генов, вызывающих гиперэкспрессию соответствующих генов «антагонизма», уже присутствующих геноме микроорганизма.

B2 штамм этой бактерии синтезирует широкий спектр хитиназ и антибиотик продигиозин. Прямое использование для биоконтроля затруднено тем, что антагонизм S. marcescens снижается под действием абиотических и биотических факторов, в частности под влиянием бактерий ассоциированных с рисом. Методами генной инженерии из S. marcescens был выделен тормозной ген, контролирующий несколько промоутеров генома возбудителя пирикуляриоза риса (Magnaporthe grisea). Трансгенный микроорганизм эффективен против болезни, а ткже устойчив к действию абиотических факторов.