Влияние металлсодержащих биокомпозитов грибного происхождения на растения картофеля in vitro

Изучено влияние содержащих металлы(II) композитов, полученных на основе внеклеточных метаболитов базидиомицетов Pleurotus ostreatus, Ganoderma lucidum, Grifola umbellata и Laetiporus sulphureus, на жизнеспособность и ответные реакции растений картофеля in vitro. Исследования проводили на пробирочных растениях картофеля in vitro сорта Лукьяновский, восприимчивого к возбудителю кольцевой гнили – бактерии Clavibacter sepedonicus. Изучали биопленкообразование Clavibacter sepedonicus, морфометрические показатели растений, фитотоксичность субстанций грибного происхождения. Наибольший антибиопленкообразующий эффект наблюдался у металлсодержащих биокомпозитов на основе G. lucidum; Fe- и Co-содержащие биопрепараты подавляли образование биопленок Clavibacter sepedonicus на 40–50%. На высоту растений негативно воздействовали только не содержащие металлы(II) композиты на основе L. sulphureus и P. ostreatus, а также Co-содержащий препарат из P. ostreatus. Снижение прироста растений по сравнению с контролем можно связать с выраженными антибиотическими свойствами этих базидиомицетов и кобальта. Остальные исследуемые биокомпозиты не оказывали негативного влияния на рост картофеля in vitro. Ряд морфометрических показателей растений (длина междоузлий, количество листьев) оставался практически неизменным при воздействии биокомпозитов грибного происхождения. В отличие от вегетативной части растений биомасса корней и их длина увеличивалась на 10–20% под влиянием биокомпозитов. Медьсодержащие препараты из G. lucidum не проявляли фитотоксического действия в отношении растений и обладали эффектом усиления устойчивости картофеля к Clavibacter sepedonicus. Стимуляция физиологических процессов формирования подземной части растений как предпосылка повышения урожайности позволяет судить о полезных свойствах предложенных биокомпозитов, экологически чистых благодаря природному происхождению и эффективных в очень малых дозах. Полученные результаты свидетельствуют о безопасности биокомпозитов на основе G. lucidum и Gr. umbellata для растений картофеля и возможных перспективах оздоровления картофеля с применением металлсодержащих биокомпозитов, полученных с использованием культур высших грибов.

1. Eljounaidi K., Lee S.K., Bae H. Bacterial endophytes as potential biocontrol agents of vascular wilt diseases – Review and future prospects // Biological Control. 2016. Vol. 103. P. 62–68. https://doi.org/10.1016/j.biocontrol.2016.07.013

2. Бояркина С.В., Омеличкина Ю.В., Шафикова Т.Н. Генерация пероксида водорода в растениях и культурах клеток картофеля при инфицировании Pectobacterium carotovorum ssp. carotovorum // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2019. Т. 9. N 1. С. 67–74. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-1-67-74

3. Van der Wolf J.M., Van Beckhoven J.R.C.M., Hukkanen A., Karjalainen R., Muller P. Fate of Clavibacter michiganensis ssp. sepedonicus, the causal organism of bacterial ring rot in potato, in weeds and field crops // Journal of Phytopathology. 2005. Vol. 153. Issue 6. P. 358–365. https://doi.org/10.1111/j.1439-0434.2005.00985.x

4. Li X., Tambong J., Yuan K.X., Chen W., Xu H., Lévesque C.A., et al. Re-classification of Clavibacter michiganensis subspecies on the basis of whole-genome and multi-locus sequence analyses // International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 2018. Vol. 68. Issue 1. P. 234–240. https://doi.org/10.1099/ijsem.0.002492

5. Van der Wolf J.M., Elphinstone J.G., Stead D.E., Metzler M., Müller P., Hukkanen A., Karjalainen R. Epidemiology of Clavibacter michiganensis subsp. sepedonicus in relation to control of bacterial ring rot. Plant Research International, Wageningen, The Netherlands. 2005. 38 p.

6. Żaczek A., Struś K., Sokołowska A., Parniewski P., Wojtasik A., Dziadek J. Differen-tiation of Clavibacter michiganensis subsp. Sepedonicus using PCR melting profile and variable number of tandem repeat methods // Letters in Applied Microbiology. 2019. Vol. 68. Issue 1. P. 24–30. https://doi.org/10.1111/lam.13081

7. Бояркина С.В., Омеличкина Ю.В., Волкова О.Д., Еникеев А.Г., Верхотуров В.В., Шафикова Т.Н. Ответные реакции растений табака на воздействие биотрофа Clavibacter michiganensis и некротрофа Pectobacterium carotovorum // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2016. Т. 6. N 3. С. 42–49. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2016-6-3-42–49

8. Киргизова И.В., Гаджимурадова А.М., Омаров Р.Т. Особенности накопления антиоксидантных ферментов у растений картофеля в условиях биотического и абиотического стрессов // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2018. Т. 8. N 4. С. 42–54. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2018-8-4-42-54

9. Lin D., Xing B. Phytotoxicity of nanoparticles: inhibition of seed germination and root growth // Environmental Pollution. 2007. Vol. 150. Issue 2. P. 243–250. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2007.01.016

10. Lee W.-M., An Y.-J., Yoon H., Kweon H.-S. Toxicity and bioavailability of copper nanoparticles to the terrestrial plants mung bean (Phaseolus radiatus) and wheat (Triticum aestivum): plant agar test for water-insoluble nanoparticles // Environmental Toxicology and Chemistry: An International Journal. 2008. Vol. 27. N 9. P. 1915–1921. https://doi.org/10.1897/07-481.1

11. Lee C.W., Mahendra S., Zodrow K., Li D., Tsai Y.-C., Braam J., et al. Developmental phytotoxicity of metal oxide nanoparticles to Arabidopsis thaliana // Environmental Toxicology and Chemistry: An International Journal. 2010. Vol. 29. Issue 3. P. 669–675. https://doi.org/10.1002/etc.58

12. Benn T.M., Westerhoff P. Nanoparticle silver released into water from commercially available sock fabrics // Environmental Science & Technology. 2008. Vol. 42. Issue 11. P. 4133–4139. https://doi.org/10.1021/es7032718

13. Tsivileva O.M., Perfileva A.I. Selenium compounds biotransformed by mushrooms: not only dietary sources, but also toxicity mediators // Current Nutrition & Food Science. 2017. Vol. 13. Issue 2. P. 82–96. https://doi.org/10.2174/1573401313666170117144547

14. Romanenko A.S., Riffel A.A., Graskova I.A., Rachenko M.A. The role of extracellular pH-homeostasis in potato resistance to ring rot pathogen // Journal of Phytopathology. 1999. Vol. 147. Issue 11-12. P. 679–686. https://doi.org/10.1046/j.1439-0434.1999.00450.x

15. Омеличкина Ю.В., Бояркина С.В., Шафикова Т.Н. Реакции эффектор-активируемого иммунитета в культурах клеток картофеля и табака при действии фитопатогена Clavibacter michiganensis ssp. sepedonicus // Физиология растений. 2017. Т. 64. N 3. С. 204–212. https://doi.org/10.7868/S0015330317020099

16. Цивилева О.М., Перфильева А.И., Иванова А.А., Павлова А.Г. Биополимерные композиты грибного происхождения против бактериального фитопатогена // Биомика. 2018. Т. 10. N 2. C. 210–213. https://doi.org/10.31301/2221-6197.bmcs.2018-30

17. Аветисян Л.Р., Шагинян И.А., Чернуха М.Ю. Основные механизмы формирования эпидемически значимых госпитальных клонов бактерий // Успехи современной биологии. 2016. Т. 136. N 1. C. 41–52.

18. Akintokun A.K., Ojesola C.O., Akintokun P.O., Oloyede A.R. Antagonistic effect of Bacillus thuringiensis for the control of bacterial wilt of tomato (Lycopersicon esculentum Mill) // Nigerian Journal of Biotechnology. 2019. Vol. 36. Issue 1. P. 94–102. https://dx.doi.org/10.4314/njb.v36i1.13

19. Елисеева О.В., Елисеев А.Ф. Содержание некоторых микроэлементов в вегетативных органах редьки (Raphanus sativus L.) // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. ТСХА. 2011. N 2. С. 59–68.

20. Sabo V.A., Knezevic P. Antimicrobial activity of Eucalyptus camaldulensis Dehn. plant extracts and essential oils: A review // Industrial Crops and Products. 2019. Vol. 132. P. 413–429. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2019.02.051

21. Eichenlaub R., Gartemann K.H. The Clavibacter michiganensis subspecies: molecular investigation of gram-positive bacterial plant pathogens // Annual Review of Phytopathology. 2011. Vol. 49. P. 445–464. https://doi.org/10.1146/annurev-phyto-072910-095258

22. Цивилева O.M., Нгуен T.Ф., Ву Л.Н., Чернышова М.П., Юрасов Н.А., Петров А.Н. [и др.]. Липидные компоненты пигментированного и глубинного мицелия Ganoderma разных климатических зон // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2015. N 3. С. 37–47.

23. Liang C., Tian D., Liu Y., Li H., Zhu J., Li M., et al. Review of the molecular mechanisms of Ganoderma lucidum triterpenoids: Ganoderic acids A, C2, D, F, DM, X and Y // European Journal of Medicinal Chemistry. 2019. Vol. 174. P. 130–141. https://doi.org/10.1016/j.ejmech.2019.04.039

24. Ikon G.M., Udobre E.A., Etang U.E., Ekanemesang U.M., Ebana R.U., Edet U.O. Phytochemical screening, proximate composition and antibacterial activity of oyster mushroom, Pleurotus ostreatus collected from Etim Ekpo in Akwa Ibom state, Nigeria // Asian Food Science Journal. 2019. Vol. 6. Issue 2. P. 1–10. https://doi.org/10.9734/AFSJ/2019/45956

25. Younis A.M., Yosri M., Stewart J.K. In vitro evaluation of pleiotropic properties of wild mushroom Laetiporus sulphureus // Annals of Agricultural Sciences. 2019. Vol. 64. Issue 1. P. 79–87. https://doi.org/10.1016/j.aoas.2019.05.001

26. Matute R.G., Serra A., Figlas D., Curvetto N. Copper and zinc bioaccumulation and bioavailability of Ganoderma lucidum // Journal of Medicinal Food. 2011. Vol. 14. Issue 10. P. 1273–1279. https://doi.org/10.1089/jmf.2010.0206

27. Glukhova L.B., Frank Y.A., Danilova E.V., Avakyan M.R., Banks D., Tuovinen O.H., et al. Isolation, characterization, and metal response of novel, acid-tolerant Penicillium spp. from extremely metal-rich waters at a mining site in Transbaikal (Siberia, Russia) // Microbial Ecology. 2018. Vol. 76. Issue 4. P. 911–924. https://doi.org/10.1007/s00248-018-1186-0

28. Ćilerdžić J., Galić M., Vukojević J., Stajic M. Pleurotus ostreatus and Laetiporus sulphureus (Agaricomycetes): possible agents against Alzheimer and Parkinson diseases // International Journal of Medicinal Mushrooms. 2019. Vol. 21. Issue 3. P. 275–289. https://doi.org/10.1615/IntJMedMushrooms.2019030136

29. Xia X.-J., Zhou Y.-H., Shi K., Zhou J., Foyer C.H., Yu J.-Q. Interplay between reactive oxygen species and hormones in the control of plant development and stress tolerance // Journal of Experimental Botany. 2015. Vol. 66. Issue 10. P. 2839–2856. https://doi.org/10.1093/jxb/erv089

30. Milanović J., Oklestkova J., Novák O., Mihaljević S. Effects of potato spindle tuber viroid infection on phytohormone and antioxidant responses in symptomless Solanum laxum plants // Journal of Plant Growth Regulation. 2019. Vol. 38. Issue 1. P. 325–332. https://doi.org/10.1007/s00344-018-9842-7

31. Efimova M.V., Kolomeichuk L.V., Boyko E.V., Malofii M.K., Vidershpan A.N., Plyusnin I.N., et al. Physiological mechanisms of Solanum tuberosum L. plants’ tolerance to chloride salinity // Russian Journal of Plant Physiology. 2018. Vol. 65. Issue 3. P. 394–403. https://doi.org/10.1134/S1021443718030020

32. Поликсенова В.Д. Индуцированная устойчивость растений к патогенам и абиотическим стрессовым факторам (на примере томата) // Вестник Белорусского государственного университета. Серия 2. Химия. Биология. География. 2009. N 1. С. 48–60.

33. Karasov T.L., Chae E., Herman J.J., Bergelson J. Mechanisms to mitigate the trade-off between growth and defense // The Plant Cell. 2017. Vol. 29. Issue 4. P. 666–680. https://doi.org/10.1105/tpc.16.00931