Academic Journal
Бактериальный белок МF3: возможные механизмы его защитного действия против вируса табачной мозаики и рост-стимулирующих эффектов
| Title: | Бактериальный белок МF3: возможные механизмы его защитного действия против вируса табачной мозаики и рост-стимулирующих эффектов |
|---|---|
| Source: | VIII Пущинская конференция «Биохимия, физиология и биосферная роль микроорганизмов». |
| Publisher Information: | Crossref, 2024. |
| Publication Year: | 2024 |
| Subject Terms: | СИСТЕМНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ, БЕЛОК MF3, ВИРУС ТАБАЧНОЙ МОЗАИКИ, СУПЕРОКСИДДИСМУТАЗА, РОСТСТИМУЛИРУЮЩИЙ ЭФФЕКТ |
| Description: | Интенсивное использование синтетических пестицидов позволило в течение последних десятилетий значительно снизить потери от болезней продукции растениеводства в сельском хозяйстве. Однако обработка промышленных посевов сельскохозяйственных культур химическими пестицидами приводит к их накоплению в продукции, собранной с обработанных полей, а также к попаданию данных ксенобиотиков в почву и водоемы. Одним из возможных подходов к снижению нагрузки чужеродных для окружающей среды средств защиты от болезней в агроценозах является применение биогенных индукторов системной устойчивости (СУ) растений. Одним из таких биогенных индукторов является выделенный из рост-стимулирующей бактерии Pseudomonas fluorescens белок MF3, который относится к бактериальным пептидил-пролил-цис/транс-изомеразам (PPI-азам) FKBP-типа [1]. Структура MF3 и кодирующего этот белок гена были определены [2] и защищены патентами в России и других странах. Надежный защитный эффект MF3 против фитовирусов, фитопатогенных грибов и бактерий подтвержден результатами вегетационных опытов и полевых испытаний на табаке, картофеле, пшенице и других культурах. Однако, молекулярные события, происходящие в растениях в ответ на обработку этим белком-индуктором, в том числе те, что повышают устойчивость сельскохозяйственных культур к вирусным заболеваниям, остаются неизученными. В связи с этим мы предприняли попытку исследовать влияние MF3 на экспрессию генов табака (с. Xanthi NN), ассоциированных с его СУ к вирусу табачной мозаики (ВТМ). Кроме того, мы попытались оценить возможность управления защитным эффектом MF3 путем изменения структуры его активного центра (АЦ), применяя метод аланинового сканирования [3] и эвристический метод с использованием двух правил подбора точечных аминокислотных замен, приводящих к снижению функциональной активности белков: поиск уникальных аминокислот в семействе белков с известной третичной структурой и замена на пролин аминокислот в составе α-спиралей вторичной структуры белка [4]. Мы также исследовали влияние MF3 на развитие и метаболизм обработанных им растений пшеницы. Данные, полученные при исследовании влияния MF3 на экспрессию генов табака, ассоциированных с его СУ к ВТМ, свидетельствуют о том, что данный белок способен активировать экспрессию супероксиддисмутазы (SOD) – одного из ключевых ферментов антиоксидантной системы растений. Так, установлено, что уровень экспрессии SOD в обработанных белком растениях был в 5 раз выше, чем в контрольных. С помощью аланинового сканирования получено 13 мутантов с последовательной заменой на аланин всех неалифатических аминокислот в составе АЦ MF3. Биотесты с обработкой ими растений табака показали, что некоторые из этих мутантных белков имеют различную защитную активность. Вторичная структура АЦ MF3 была предсказана с использованием алгоритма JNET (рис. 1А). Для поиска уникальных аминокислот АЦ MF3 было произведено выравнивание первичных последовательностей участков белков семейства PPI-аз с известной кристаллической структурой и значением GQME ≥ 0.70 в области гомологичной АЦ MF3 с использованием ресурса сервера Swissmodel (swissmodel.expasy.net) (рис. 1Б). Результаты эвристического подхода позволяют предположить, что наиболее перспективной для управления индуцирующей активностью MF3 и получения его мутантов с измененным АЦ является замена уникального лизина в альфа-спирали на пролин (NIIPGLEK->PALEGKAVGDDLEVVEPEDAYGE), которая отвечает обоим правилам указанного подхода. В ходе вегетационных опытов было обнаружено, что MF3 обладает способностью стимулировать рост и улучшать состояние растений пшеницы при неблагоприятных для вегетации условиях. Так, предпосевное замачивание семян яровой пшеницы (с. Дарья и с. Злата) в водных растворах этого белка (100 мкг/мл) и последующее послевсходовое опрыскивание той же дозой MF3 ее проростков, стимулировали их развитие, способствовали увеличению числа продуктивных (колосоносных) стеблей и размера колоса растений. Кроме того, обработка семян раствором белка MF3 приводила к увеличению средней массы сухого вещества растения на одну треть по сравнению с контролем. Результаты этих вегетационных экспериментов позволили выдвинуть предположение о возможной связи рост-стимулирующих эффектов MF3 с его влиянием на фотосинтез. Чтобы установить, оказывает ли обработка белком MF3 такое влияние, растения пшеницы (с. Злата), выращенные в контролируемых условиях (11⋅103 лк, 16-часовой световой период, φ = 60%, 22–24 °С) до стадии кущения (Z21-25), опрыскивали раствором MF3 (100 мкг/мл Н2О, 15 мл/растение) и через 2 и 10 суток после обработки определяли скорость ассимиляции СО2, а также скорость транспирации и устичную проводимость у обработанных и контрольных (опрыскивание водой) растений, используя для анализа процессов фотосинтеза портативную систему LI-6800 (LI-COR, США). Результаты этих экспериментов показали, что скорость ассимиляции СО2 у обработанных МF3 растений в среднем возрастает в 1,5–2,0 раза, по сравнению с контролем, на 2 и 10 сутки после опрыскивания соответственно (рис. 2). В то же время МF3 в испытанной концентрации не оказывал влияния на транспирацию и не снижал устичную проводимость, вследствие чего его использование не приводило к ухудшению тургора листьев, что нередко наблюдается при применении химических средств, например гербицидов [5]. Полученные данные подтверждают целесообразность дальнейших исследований молекулярных механизмов защитного действия МF3 против других фитопатогенных вирусов, а также грибов и бактерий. Они также свидетельствуют о том, что защитные препараты, которые могли бы быть созданы на его основе, будут способствовать фотосинтетическим процессам и улучшению состояния обработанных растений. Можно ожидать, что способность этого бактериального белка индуцировать СУ в сочетании с его положительными физиологическими эффектами обеспечит полноценную реализацию потенциальной продуктивности сельскохозяйственных культур и приведет к существенному повышению их урожая. |
| Document Type: | Article Conference object |
| Language: | Russian |
| DOI: | 10.34756/geos.2022.17.38323 |
| Accession Number: | edsair.doi...........9dda2af7f1b4fc6a2819f3f8503c6bca |
| Database: | OpenAIRE |
| DOI: | 10.34756/geos.2022.17.38323 |
|---|