vuzbiochemiИзвестия вузов. Прикладная химия и биотехнологияProceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology2227-29252500-1558ИРНИТУ10.21285/2227-2925-2022-12-3-394-405vuzbiochemi-843Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯPHYSICOCHEMICAL BIOLOGYВлияние эндофитных и эпифитных азотфиксирующих бактерий на содержание негативных аллелопатических соединений в корневых экссудатах проростков гороха (Pisum sativum L.)Influence of endophytic and epiphytic nitrogen-fixing bacteria on the content of negative allelopathic compounds in root exudates of pea (Pisum sativum L.) seedlingshttps://orcid.org/0000-0002-4582-8245МакароваЛ. Е.MakarovaL. E.

Людмила Евгеньевна Макарова, д.б.н., главный научный сотрудник

664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 132

Lyudmila E. Makarova, Dr. Sci. (Biology), Chief Researcher

132, Lermontov St., 664033, Irkutsk

makarova@sifibr.irk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8382-873XПетроваИ. Г.PetrovaI. G.

Ирина Георгиевна Петрова, ведущий технолог

664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 132

Irina G. Petrova, Lead Technologist

132, Lermontov St., 664033, Irkutsk

hplc_04@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7161-9204СоколоваН. А.SokolovaN. A.

Наталья Александровна Соколова, ведущий технолог

664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 132

Natalia A. Sokolova, Lead Technologist

132, Lermontov St., 664033, Irkutsk

fhma_lab@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2145-9502МакаровС. С.MakarovS. S.

Святослав Станиславович Макаров, инженер по автоматизации

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Sviatoslav S. Makarov, Engineer

83, Lermontov St., 664074, Irkutsk

makarov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2002-415XПионкевичВ. А.PionkevichV. A.

Владимир Андреевич Пионкевич, к.т.н., доцент

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Vladimir A. Pionkevich, Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor

83, Lermontov St., 664074, Irkutsk

pionkevichva@mail.ruСибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАНРоссияSiberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RASRussian FederationИркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk National Research Technical UniversityRussian Federation202206102022123394405Copyright © Макарова Л.Е., Петрова И.Г., Соколова Н.А., Макаров С.С., Пионкевич В.А., 20222022Макарова Л.Е., Петрова И.Г., Соколова Н.А., Макаров С.С., Пионкевич В.А.Makarova L.E., Petrova I.G., Sokolova N.A., Makarov S.S., Pionkevich V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vuzbiochemi.elpub.ru/jour/article/view/843

К веществам, оказывающим вредное воздействие на живые организмы, относятся N-фенил-2-нафтиламин и фталаты, которые синтезируются и широко используются в химической промышленности. В то же время N-фенил-2-нафтиламин был обнаружен в надземных частях и в корнях некоторых видов растений, фталаты были найдены во многих видах растений и в бактериях. Исследование направлено на изучение защитной (антимикробной) реакции проростков гороха (Pisum sativum L.) сорта Торсдаг на инокуляцию бактериями Rhizobium leguminosarum bv. viceae (эндосимбионт) и Azotobacter chroococcum (эктосимбионт), вносимыми в водную среду роста корней. Показателями реакции были изменения содержания негативных аллелопатических соединений (пизатин, N-фенил-2-нафтиламин, фталаты) в корневых экссудатах. После инокуляции проростки росли одни сутки в камере BINDER KBW-240 при температуре 21 ºС, освещении 81 μМ.м-2 . с-1 и фотопериоде 16/8 ч (день/ночь). В этилацетатных экстрактах из водной среды, куда погружали корни проростков, содержание соединений определяли методом ВЭЖХ, а изменения в составе и соотношении фталатов – методом ГХ-МС. Установлено различное влияние ризобий и азотобактера на содержание вышеперечисленных соединений и на соотношения видов фталатов в корневых экссудатах. Представлены данные, указывающие на разную способность обоих видов бактерий деградировать N-фенил-2-нафтиламин до фталатов и на зависимость активности данного процесса у исследуемых бактерий от его концентрации в среде. N-фенил-2-нафтиламин по-разному, но негативно влиял на жизнеспособность и рост использованных в экспериментах бактерий.

Substances that have a harmful effect on living organisms include N-phenyl-2-naphthalamine and phthalates, which are synthesized and widely used in the chemical industry. At the same time, N-phenyl-2-naphthylamine was found in the aerial parts and in the roots of some plant species, phthalates were found in many plant species and in bacteria. The aim of this research was to study the protective (antimicrobial) reaction of pea (Pisum sativum L.) seedlings of the Torsdag variety to the inoculation with bacteria Rhizobium leguminosarum bv. viceae (endosymbiont) and Azotobacter chroococcum (ectosymbiont) introduced into the aqueous medium of root growth were studied. Changes in the content of negative allelopathic compounds (pisatin, N-phenyl-2-naphthylamine, phthalates) in root exudates were the reaction indicators. After the inoculation, the seedlings grew for 24 h in the BINDER KBW-240 chamber at 21 °C, with lighting of 81 μM.m-2 . sec-1 and a 16/8 h day/night photoperiod. In ethyl acetate extracts from the aqueous medium where the seedling roots were immersed, the content of the compounds was determined by HPLC, while changes in the composition and ratio of phthalates were determined by GC-MS. Data indicating the different ability of both bacterial species to degrade N-phenyl-2-naphthylamine to phthalates and the dependence of this process activity in the bacteria studied on its concentration in the medium were presented. N-phenyl-2-naphthylamine differently but negatively affected the viability and growth of the bacteria used in the experiments. A different effect of rhizobia and azotobacter on the content of the above named compounds and on the ratio of types of phthalates in root exudates was elicited.

Pisum sativum L.корневые экссудатыRhizobiumAzotobacterпизатинN-фенил-2-нафтиламинфталатыPisum sativum L.root exudatesRhizobiumAzotobacterpisatinN-phenyl-2-naphthylaminephthalatesАвторы выражают глубокую признательность научному сотруднику Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН, к.т.н. А. С. Морицу, а также И. С. Капустину за техническую помощь. Аналитическая работа выполнена на оборудовании ЦКП «Биоаналитика» Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН (г. Иркутск).The authors express their deep gratitude to the research member of Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS, PhD A. S. Moritz, I. S. Kapustina for his technical assistance. Analytical work was performed with the equipment of the Common Use Center “Bioanalytics” of Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS (Irkutsk).ReferencesСултанходжаев М. Н., Таджибаев М. М. Фенил-β-нафтиламин из трех видов растений // Химия природных соединений. 1976. Т. 12. N 3. С. 406.Sultankhodzhaev M. N., Tadzhibaev M. M. Phenyl-β-naphthylamine from three plant species. Khimiya prirodnykh soedinenii = Chemistry of Natural Compounds. 1976;12(3):406. (In Russian).Евстратова Р. И., Запесочная Г. Г. N-фенил-2-нафтиламин из Centaurea salonitana // Химия природных соединений. 1977. N 4. С. 582.Evstratova R. I., Zapesochnaya G. G. N-phenyl-2-naphthylamine from Centaurea salonitana. Khimiya prirodnykh soedinenii = Chemistry of Natural Compounds. 1977;(4):582. (In Russian).Жанаева T. A., Кривощекова О. Е., Семенов А. А., Минаева В. Г. N-фенил-2-нафтиламин из цветов Burleurum aureum // Химия природных соединений. 1989. Т. 25. N 3. С. 377.Zhanaeva T. A., Krivoshchekova O. E., Semenov A. A., Minaeva V. G. N-phenyl-2-naphthylamine from Burleurum aureum flowers. Khimiya prirodnykh soedinenii = Chemistry of Natural Compounds. 1989;25(3):377. (In Russian).Makarova L. E., Smirnov V. I., Klyba L. V., Petrova I. G., Dudareva L. V. Role of allelopathic compounds in the regulation and development of legume-rhizobial symbiosis // Applied Biochemistry and Microbiology. 2012. Vol. 48, no. 4. P. 355-362. https://doi.org/10.1134/S0003683812030064.Makarova L. E., Smirnov V. I., Klyba L. V., Petrova I. G., Dudareva L. V. Role of allelopathic compounds in the regulation and development of legume-rhizobial symbiosis. Applied Biochemistry and Microbiology. 2012;48(4):355-362. https://doi.org/10.1134/S0003683812030064.Enikeev A. G., Semenov A. A., Permyakov A. V., Sokolova N. A., Gamburg K. Z., Dudareva L. V. Biosynsesis of ortho-phthalic acid esters in plant and cell cultures // Applied Biochemistry and Microbiology. 2019. Vol. 55, no. 3. P. 282-285. https://doi.org/10.1134/S0003683819020066.Enikeev A. G., Semenov A. A., Permyakov A. V., Sokolova N. A., Gamburg K. Z., Dudareva L. V. Biosynsesis of ortho-phthalic acid esters in plant and cell cultures. Applied Biochemistry and Microbiology. 2019;55(3):282-285. https://doi.org/10.1134/S0003683819020066.Makarova L. E., Moritz А. S., Sokolova N. А., Petrova I. G., Semenov А. А., Dudareva L. V., et al. Degradation of N-phenyl-2-naphthylamine by Rhizobium leguminosarum bv. viciae, Pseudomonas syringae pv. pisi, and Clavibacter michiganensis sps. sepedonicus bacteria // Applied Biochemistry and Microbiology. 2020. Vol. 56, no. 2. P. 202-210. https://doi.org/10.1134/S0003683820010123.Makarova L. E., Moritz А. S., Sokolova N. А., Petrova I. G., Semenov А. А., Dudareva L. V., et al. Degradation of N-phenyl-2-naphthylamine by Rhizobium leguminosarum bv. viciae, Pseudomonas syringae pv. pisi, and Clavibacter michiganensis sps. sepedonicus bacteria. Applied Biochemistry and Microbiology. 2020;56(2):202-210. https://doi.org/10.1134/S0003683820010123.Макарова Л. Е., Мориц А. С., Соколова Н. А. Образование фталатов при деградации N-фенил-2-нафтиламина почвенными бактериями // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2021. Т. 11. N 1. С. 107-115. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2021-11-1-107-115.Makarova L. E., Morits A. S., Sokolova N. A. Formation of phthalates during the degradation of N-phenyl-2-naphthylamine by soil bacteria. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya = Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. 2021;11(1):107-115. (In Russian). https://doi.org/10.21285/2227-2925-2021-11-1-107-115.Novak K. Induction of phytoalexin in pea roots by Rhizobia // Development in Soil Science. 1989. Vol. 18. P. 63-66. https://doi.org/10.1016/S0166-2481(08)70197-1.Novak K. Induction of phytoalexin in pea roots by Rhizobia. Development in Soil Science. 1989;18:63-66. https://doi.org/10.1016/S0166-2481(08)70197-1 .Шафикова Т. Н., Омеличкина Ю. В., Еникеев А. Г., Бояркина С. В., Гвильдис Д. Э., Семенов А. А. Эфиры ортофталевой кислоты подавляют способность фитопатогенов образовывать биопленки // Доклады Академии наук. 2018. Т. 480. N 3. С. 381-383. https://doi.org/10.7868/S0869565218150264.Shafikova T. N., Omelichkina Yu. V., Enikeev A. G., Boyarkina S. V., Gvil’dis D. E., Semenov A. A. Esters of orthophthalic acid inhibit the ability of phytopathogens to form biofilms. Doklady Akademii nauk. 2018;480(3):381-383. (In Russian). https://doi.org/10.7868/S0869565218150264.Makarova L. E., Dudareva L. V., Petrova I. G., Vasil’eva G. G. Secretion of phenolic compounds into root exudates of pea seedlings upon inoculation with Rhizobium leguminosarum bv. vicea or Pseudomonas siringae pv. pisi. // Applied Biochemistry and Microbiology. 2016. Vol. 52, no. 2. P. 205-209. https://doi.org/10.1134/S0003683816020095.Makarova L. E., Dudareva L. V., Petrova I. G., Vasil’eva G. G. Secretion of phenolic compounds into root exudates of pea seedlings upon inoculation with Rhizobium leguminosarum bv. vicea or Pseudomonas siringae pv. pisi. Applied Biochemistry and Microbiology. 2016;52(2):205-209. https://doi.org/10.1134/S0003683816020095.Проворов Н. А., Воробьев Н. И. Генетические основы эволюции растительно-микробного симбиоза: монография. СПб.: Информ-Навигатор, 2012. 400 с.Provorov N. A., Vorob’ev N. I. Genetic foundations of the evolution of plant-microbial symbiosis: monograph. St. Petersburg: Inform-Navigator; 2012. 400 p. (In Russian).Melnykova N. M., Mykhalkiv L. M., Omelchuk S. V., Beregovenko S. K. Rhizosphere microorganisms as a factor influencing the rhizobia-legume symbiosis // Plant Physiology and Genetics. 2018. Vol. 50, no. 4. P. 299-321. https://doi.org/10.15407/frg2018.04.299.Melnykova N. M., Mykhalkiv L. M., Omelchuk S. V., Beregovenko S. K. Rhizosphere microorganisms as a factor influencing the rhizobia-legume symbiosis. Plant Physiology and Genetics. 2018;50(4):299-321. https://doi.org/10.15407/frg2018.04.299.Акимова Г. П., Верхотуров В. В., Соколова М. Г., Белопухов С. Л. Модуляция про/антиоксидантной активности пероксидазы в корнях проростов гороха, инокулированных Rhizobium и Azotobacter // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 2019. N 1. С. 138-145. https://doi.org/10.34677/0021-342X-2019-1-138-145.Akimova G. P., Verkhoturov V. V., Sokolova M. G., Belopukhov S. L. Modulation of pro / antioxidant peroxidase activity in pea seedling roots inoculated with Rhizobium and Azotobacter. Izvestiya Timiryazevskoi sel’skokhozyaistvennoi akademii = Izvestiya of Timiryazev Agricultural Academy. 2019;(1):138-145. (In Russian). https://doi.org/10.34677/0021-342X-2019-1-138-145.Makoi J. H. R., Ndakidemi P. A. Biological, ecological and agronomic significance of plant phenolic compounds in rhizosphere of the symbiotic legumes (review) // African Journal of Biotechnology. 2007. Vol. 6, no. 12. P. 1358-1368.Makoi J. H. R., Ndakidemi P. A. Biological, ecological and agronomic significance of plant phenolic compounds in rhizosphere of the symbiotic legumes (review). African Journal of Biotechnology. 2007;6(12):1358-1368.Sweigard J. A., Matthews D. E., Vanetten H. D. Synthesis of the phytoalexin pisatin by a methyltransferase from pea // Plant Physiology. 1986. Vol. 80, no. 1. P. 277-279. https://doi.org/10.1104/pp.80.1.277.Sweigard J. A., Matthews D. E., Vanetten H. D. Synthesis of the phytoalexin pisatin by a methyltransferase from pea. Plant Physiology. 1986;80(1):277-279. https://doi.org/10.1104/pp.80.1.277.Vanetten H. D., Temporini E., Wassman C. Phytoalexin (and phytoanticipin) tolerance as a virulence trait: why is it not required by all pathogens? // Physiological and Molecular Plant Pathology. 2001. Vol. 68, no. 2. P. 1276-1283. https://doi.org/10.1006/pmpp.2001.0350.Vanetten H. D., Temporini E., Wassman C. Phytoalexin (and phytoanticipin) tolerance as a virulence trait: why is it not required by all pathogens? Physiological and Molecular Plant Pathology. 2001;68(2):1276-1283. https://doi.org/10.1006/pmpp.2001.0350.Carlson R. E., Dolphin D. H. Pisum sativum stress metabolites: two cinnamylphenols and 2’-methoxychalcone // Phytochemistry. 1982. Vol. 21, no. 7. P. 1733-1736. https://doi.org/10.1016/S0031-9422(82)85049-8.Carlson R. E., Dolphin D. H. Pisum sativum stress metabolites: two cinnamylphenols and 2’-methoxychalcone. Phytochemistry. 1982;21(7):1733-1736. https://doi.org/10.1016/S0031-9422(82)85049-8.Altenburger R., Brack W., Greco W. R., Groot M., Jung K., Ovari A., et al. On the mode of action of N-phenyl-2-naphthylamine in plants // Environmental Science & Technology. 2006. Vol. 40, no. 19. P. 6163-6169. https://doi.org/10.1021/es060338e.Altenburger R., Brack W., Greco W. R., Groot M., Jung K., Ovari A., et al. On the mode of action of N-phenyl-2-naphthylamine in plants. Environmental Science & Technology. 2006;40(19):6163-6169. https://doi.org/10.1021/es060338e.Hauser R., Calafat A. M. Phthalates and human health // Occupational and Environmental Medicine. 2005. Vol. 62, no. 11. P. 806-818. https://doi.org/10.1136/oem.2004.017590.Hauser R., Calafat A. M. Phthalates and human health. Occupational and Environmental Medicine. 2005;62(11):806-818. https://doi.org/10.1136/oem.2004.017590.Kato-Noguchi H. Isolation and identification of an allelopathic substance in Pisum sativum // Phytochemistry. 2003. Vol. 62, no. 7. P. 1141-1144. https://doi.org/10.1016/S0031-9422(02)00673-8.Kato-Noguchi H. Isolation and identification of an allelopathic substance in Pisum sativum. Phytochemistry. 2003;62(7):1141-1144. https://doi.org/10.1016/S0031-9422(02)00673-8.Hartwig U. A., Josef C. M., Phillips D. A. Flavonoid released naturally from alfalfa seeds enhance growth rate of Rhizobium meliloti // Journal of Plant Physiology. 1991. Vol. 95, no. 3. P. 797-803. https://doi.org/10.1104/pp.95.3.797.Hartwig U. A., Josef C. M., Phillips D. A. Flavonoid released naturally from alfalfa seeds enhance growth rate of Rhizobium meliloti. Journal of Plant Physiology. 1991;95(3):797-803. https://doi.org/10.1104/pp.95.3.797.Cruickshank I. A. M. Studies of phytoalexins. IY. The antimicrobial spectrum of pisatin // Australian Journal of Biological Sciences. 1962. Vol. 15, no. 5. P. 141-159. https://doi.org/10.1071/BI9620147.Cruickshank I. A. M. Studies of phytoalexins. IY. The antimicrobial spectrum of pisatin. Australian Journal of Biological Sciences. 1962;15(5):141-159. https://doi.org/10.1071/BI9620147.Parke D., Ornston L. N. Enzymes of the β-ketoadipate pathway are inducible in Rhizobium and Agrobacterium spp. and constitutive in Bradyrhizobium spp. // Journal of Bacteriology. 1986. Vol. 165, no. 1. P. 288-292. https://doi.org/10.1128/jb.165.1.288-292.1986.Parke D., Ornston L. N. Enzymes of the β-ketoadipate pathway are inducible in Rhizobium and Agrobacterium spp. and constitutive in Bradyrhizobium spp. Journal of Bacteriology. 1986;165(1):288-292. https://doi.org/10.1128/jb.165.1.288-292.1986.Пат. № 2231546, Российская Федерация, C12 N1/20//(C12 N1/20, C12 R1:065). Штамм бактерий AZ D10 VKM B-2272 Д, обладающий ростостимулирующими свойствами и устойчивый к дельтаметрину / О. Б. Вайшля, А. А. Бондаренко; заявитель и патентообладатель Томский государственный университет. Заявл. 28.08.2002; опубл. 27.06.2004.Vaishlya O. B., Bondarenko A. A. Strain of bacterium AZ D10 VKM B-2272 D eliciting growth-stimulating properties and resistant to deltamethrin. Patent RF, no. 2231546; 2004. (In Russian).Marek E. V., Koslitz S., Weiss T., Fartasch M., Schlüter G., Käfferlein H. U., et al. Quantification of N-phenyl-2-naphthylamine by gas chromatography and isotope-dilution mass spectrometry and its percutaneous absorption ex vivo under workplace conditions // Archives of Toxicology. 2017. Vol. 91, no. 11. P. 3587-3596. https://doi.org/10.1007/s00204-017-2046-2.Marek E. V., Koslitz S., Weiss T., Fartasch M., Schlüter G., Käfferlein H. U., et al. Quantification of N-phenyl-2-naphthylamine by gas chromatography and isotope-dilution mass spectrometry and its percutaneous absorption ex vivo under workplace conditions. Archives of Toxicology. 2017;91(11):3587-3596. https://doi.org/10.1007/s00204-017-2046-2.Alim Al-Bari M. A., Sayeed M. A., Rahman M. S., Mossadik M. A. Characterization and antimicrobial activities of a phenolic acid derivative produced by Streptomyces bangladeshiensis, a novel species collected in Bangladesh // Research Journal of Medical Sciences. 2006. Vol. 1, no. 2. P. 77-81.Alim Al-Bari M. A., Sayeed M. A., Rahman M. S., Mossadik M. A. Characterization and antimicrobial activities of a phenolic acid derivative produced by Streptomyces bangladeshiensis, a novel species collected in Bangladesh. Research Journal of Medical Sciences. 2006;1(2):77-81.Пастухова Е. С., Егорова В. О., Соколова Н. А., Плотникова Е. Г. Бактерии-деструкторы ортофталевой кислоты, выделенные из отходов калийного производства // Вестник Пермского университета. Серия: Биология. 2010. N 3. С. 227-232.Pastukhova E. S., Egorova V. O., Sokolova N. A., Plotnikova E. G. Ortho-phthalic acid degrading bacteria isolated from potash waste. Vestnik Permskogo universiteta. Seriya: Biologiya = Bulletin of Perm University. Biology. 2010;(3):227-232.Kim S. M., Yoo J. A., Baek J. M., Cho K. H. Diethyl phthalate exposure is associated with embryonic toxicity, fatty liver changes, and hypolipidemia via impairment of lipoprotein functions // Toxicology in Vitro. 2015. Vol. 30, no. 1. P. 383-393. https://doi.org/10.1016/j.tiv.2015.09.026.Kim S. M., Yoo J. A., Baek J. M., Cho K. H. Diethyl phthalate exposure is associated with embryonic toxicity, fatty liver changes, and hypolipidemia via impairment of lipoprotein functions. Toxicology in Vitro. 2015;30(1):383-393. https://doi.org/10.1016/j.tiv.2015.09.026.Mathesius U., Bayliss C., Weinman J. J., Schlaman H. R. M., Spaink H. P., Rolfe B. G., et al. Flavonoids synthezed in cortical cells during nodule initiation are early developmental markers in white clover // Molecular Plant-Microbe Interactions. 1998. Vol. 11, no. 12. P. 1223-1232. http://dx.doi.org/10.1094/MPMI.1998.11.12.1223.Mathesius U., Bayliss C., Weinman J. J., Schlaman H. R. M., Spaink H. P., Rolfe B. G., et al. Flavonoids synthezed in cortical cells during nodule initiation are early developmental markers in white clover. Molecular Plant-Microbe Interactions. 1998;11(12):1223-1232. http://dx.doi.org/10.1094/MPMI.1998.11.12.1223.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.