Daucus carota sistēmisko un starpaugu aizsargreakciju preaktivācijas vai praimēšanas raksturojums arbuskulārās mikorizas savienotos augos

Abstract

Lauksaimniecībai derīgās zemesplatības efektīvāka izmantošana un augu ražīguma paaugstināšana ir aktuāls pētniecības jautājums globālās populācijas straujā pieauguma un klimata pārmaiņu dēļ. Tā kontekstā aktuāls kļūst dabai draudzīgs bioloģiskās saimniecības modelis, ietverot augiem labvēlīgo mikroorganismu izmantošana kā vienu no risinājumiem ilgstpējīgam pārtikas resursu nodrošinājumam. Arbuskulārās mikorizas sēnes ir spējīgas veidot centralizētu mikorizas tīklu, kas veido bioaktīvo zonu, kas ir spējīga savienot blakus esošus augus un sūtīt starp tiem ķīmiskus signālus. Mikorizai derīgi simbionti ir lielākā daļa sauszemes augu, kā rezultātā tās uzlabo auga spēju uzņemt minerālvielas, kas uzlabo auga ražīgumu un pastiprina dabisko imunitāti. Tomēr vēl līdz galam nav skaidrs kādas tieši ir augu imūnatbildes funkcijas un ar to saistīte molekulārie mehānismi starpaugu signālu apmaiņā, jo auga signāli ir spējīgi, gan praimēt auga aizsargreakcijas, gan pastiprināt tās pēc kaitēkļu vai patogēnu uzbrukuma. Lai pārbaudītu auga praimēšanas un preaktivācjas aizsargreakcijas ar ekonomiski nozīmīgu patogēnu Fusarium sporotrichioides atkarībā no arbuskulārās mikorizas sēnes (AMS) Rhizophagus irregularis klātbūtnes, veica eksperimentu, kur in vitro apstākļos audzēja divas Daucus carota mataino saknīšu kultūras nodalītos kompartmentos, lai tās inokulētu un savienotu ar AMS. Vēlāk vienam no augiem veica pirmējo stimulēšanu ar mehānisku ievainojumu un/vai flagelīnu un pēc 24 stundām otram augam veica praimēšanu ar Fusarium sporotrichioides. Ievāca auga lokālos, sistēmiskos un saņēmēj-auga audus, tad veica ar imunitāti saistīto burkāna gēnu (DcLOX2, DcMYC2, DcMYB, DcPR1, DcPAD4, DcFRK1) ekspresiju. D. carota inokulēšana ar R. irregularis būtiski ietekmēja gan signāla saņēmēj-auga, gan signāla sūtītāj-auga imunitātē iesaistīto gēnu ekspresiju, to samazinot salīdzinājumā ar paraugiem, kuriem netika veikta praimēšana ar Fusarium sporotrichioides. Veiktā MANOVA dispersiju analīze uzrādīja būtiskas atšķirības ievākto audu atbildes reakcijās gan atkarībā no preaktivācijas stimula, gan atkarībā no arbuskulārās mikorizas klātbūtnes. Pētījumā iegūtie rezultāti parāda, ka starp-augu signāli R. irregularis kolonizētās saknēs praimē D. carota atbildes rakcijas pret F. sporotrichioides infekciju, apstiprinot darbā izvirzīto hipotēzi, ka arbuskulārās mikorizas sēnes spēj mediēt starp-augu signālus, kas iesaistīti augu aizsargreakcijās pret patogēnu uzbrucējiem. Tas ilgtermiņā varētu būt pamats jaunu mikrobioloģisko augkopības līdzekļu izstrādē, papildinot bioloģiskās saimniecības izmantoto metožu un agrotehnoloģiju klāstu.

More effective utilization of agricultural land and increasing plant productivity is importnat research topic due to rapid population growth and global climate change. In this context, the use of plant beneficial microorganisms may be one of the solutions for sustainable farming. Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) colonze the majority of terrestrial plants. AMFs improve plant's ability to absorb minerals, which increases plant productivity and strengthenes plant responses to natural enemies. Additionaly, AMFs are able to form a common mycorrhizal network by inter-connecting adjacent plant roots. This is believed to form a bioactive zone capable of sending chemical signals between hostplants via the mycorrhizal network.. However, the functions and molecular mechanisms involved in AMF-mediated inter-plant signalling are poorly understood and characterised. In order to test the role of AMF in inter-plant signalling and potential priming or preactivation of plant responses to the economically important Fusarium porotrichioides, an experiment was carried out in vitro, where two Daucus carota hairy root cultures were grown in separate compartments in presence of the arbuscular fungus (AMF) Rhizophagus irregularis which connects the roots from seperate compartments. Later, one of the plant roots was stimulated by mechanical wounding and/or flagellin and 24 h later the neighbouring carrot root was challenged with Fusarium sporotrichioides. Local and systemic tissues from the sender and recipient plant tissues were collected, then the expression of immunity-related carrot genes (DcLOX2, DcMYC2, DcMYB, DcPR1, DcPAD4, DcFRK1) was performed. Inoculation and connection of D. carota with R. irregularis affected the expression of genes involved in both signal-receiver and signal-sender depending on the presence of Fusarium sporotrichioides. MANOVA analysis also showed significant differences between flagellin and wounding signal responses depending on the presence of AMF. The results obtained in the study show that the inter-plant signals in R. irregularis colonized D. carota roots trigger responses to primary neghbour signals, thus confirming the hypothesis, that arbuscular mycorrhizal fungi are able to mediate inter-plant signals that are involved in plant immune-responses. However, F. sporotrichioides appears to supress systemic neighbour signals in challenged roots and elicits additional responses in flagellin treated and wounded plant neigbours. Our research illuminates important characteristics of inter-plant signal exchange via AMF and their effects on plant defence gene activation and priming during pathogen atack.