Механізми резистентності зернових культур до збудників фузаріозів

Найбільш ефективним шляхом запобігання ушкодженню ураженням збудниками видів Fusarium є впровадження резистентних до збудників хвороби сортів та гібридів зернових культур [Foroud N.A., Eudes F., 2009; Foroud N.A., 2011; Моргун В.В. та співавт., 2014].

Фізіологічні механізми резистентності зернових колосових культур до збудників фузаріозів

Механізми резистентності до фузаріозної кореневої гнилі та до фузаріозу колосу до цього часу відносно малодосліджені. Насамперед, це стосується фузаріозної кореневої гнилі, механізми ураження якою у світовій літературі практично не відомі. Набагато більше інформації з дослідження механізмів ураження фузаріозом колосу. Проте детальні механізми ураження хворобою все ще залишаються нез’ясованими. Так, згідно з дослідженнями H.W. Schroeder та J.J. Christensen (1963) визначено два головних механізми резистентності до фузаріозу колосу. Тип І – резистентність до первинної інфекції, тип ІІ – резистентність до розповсюдження збудника хвороби по рослині.

У більш сучасних роботах також визначено резистентність до ураження зерна (тип ІІІ), а також толерантність до фузаріозу колосу та трихотеценів. До типу V відносять резистентність до накопичення трихотеценів. Резистентність типу V може формуватися як блокуванням накопичення трихотеценів шляхом індукції метаболізму токсикантів, так і шляхом інгібування біосинтезу мікотоксинів [Miller J.D. et al., 1985; Mesterhazy A., 1995, 2002, 2003].

Дослідження, що дозволяють оцінити інфікування трихотеценами у режимі реального часу, виконані P. Ilgen та співавторами у 2009 році. Серед мікотоксинів трихотецени впливають на вірулентність Fusarium graminearum досить складним чином, що має залежність від господаря, а також хемоспецифічність. Первинні фактори, які індукують синтез мікотоксинів, до цього часу невідомі. Для детектування індукції шляху синтезу трихотеценів гени зеленого флуоресцентного білка (GFP) були приєднані до промоутера гена TRI5, що кодує триходієнсинтазу. У результаті мутант отримав повністю функціональний ген TRI5 з одночасним синтезом флуоресцентного білка. Показано, що експресія TRI5 індукується під час росту на середовищі й синтез трихотеценів не обов’язково індукується під час інфекції. Також встановлено тканиноспецифічність під час грибної інфекції пшениці [Ilgen P. et al., 2009].

Лігніфікація клітинної стінки чи потовщення осі колосу, яке супроводжується зменшенням розвитку гіф збудника та осі, відносять до формування резистентності пшениці до фузаріозу типу ІІ [Kang Z., Buchenauer H., 1999, 2000, 2002, 2003]. Jansen та співавтори (2005) також спостерігали потовщення клітинної стінки осі колосу рослин, які інокульовані мутантами F. graminearum, що не продукують трихотеценові мікотоксини [Proctor R.H. et al., 1995, 2005, 2006], при цьому розповсюдження збудника не спостерігалося. Відомо, що біосинтез трихотеценових мікотоксинів індукується, коли гіфи збудника досягають осі колосу [Ilgen P. et al., 2009], а синтез трихотеценів необхідний для розповсюдження хвороби [Proctor R.H. et al., 1995].

Таким чином, імовірно, що акумуляція трихотеценів є складовою механізму послаблення захисного бар’єра осі колосу, а генотипи, резистентні за типом ІІ, протидіють ураженню шляхом потовщення клітинної стінки у порівнянні з чутливими генотипами.

Серед головних злакових культур України пшениця є найбільш чутливою до фузаріозу колосу. Тетраплоїдна тверда пшениця (ААВВ) більш чутлива порівняно з гексаплоїдною (ААВВDD) м’якою пшеницею. Ячмінь є другою за рівнем ураженості збудниками фузаріозу культурою. При цьому 6-рядний ячмінь уражається фузаріозом колосу практично на рівні пшениці, а дворядний суттєво більш стійкий до збудників хвороби. Вважають, що резистентність ячменю до фузаріозу реалізується за типом ІІ. При цьому спостерігали розповсюдження міцелію збудників із зовнішніх джерел, розповсюдження хвороби по осі колосу не спостерігалося.

Рис та овес є найбільш резистентними до фузаріозу колосу серед зернових культур.

Тритікале, гібрид пшениці та жита, в цілому, має більшу резистентність до збудників фузаріозу в порівнянні з рослинами пшениці [Kang Z., Buchenauer H., 1999]. Резистентність тритікале до фузаріозу наближається до рівня гексаплоїдної пшениці [Langevin F., Eudes F., Comeau A., 2004].

Необхідно зазначити, що симптоми ураження рослин вівса фузаріозом у посівах не спостерігаються так чітко, як на інших зернових культурах. Рослини вівса за ураження фузаріозом колосу акумулюють більше мікотоксинів – DON та T-2 токсину – у порівнянні з рослинами пшениці [Tekauz A., McCallum B., Gilbert J., 2000; Tekauz A., McCallum B., Ames N., Fetch J.M., 2004; Tekauz A., Mitchell Fetch J.W., Rossnagel B.G., Savard M.E., 2008].

Генетичні основи резистентності зернових колосових культур до фузаріозу колосу

Резистентність до фузаріозу колосу є полігенною ознакою. Масштабні ураження посівів зернових в Україні в останні роки звертають увагу на необхідність створення сортів та гібридів з високими рівнями резистентності до хвороби. Ідентифіковано понад 100 QTL резистентності гексаплоїдної пшениці до фузаріозу колосу, 22 з них мають множинні популяції [Burstmayr H. et al., 2009, 2012].

За інформацією бази даних EuroWheat (Aarhus University, Faculty of Agricultural Sciences, Department of Agroecology and Environment), високоселективні гени стійкості до фузаріозу на сьогодні невідомі. У генетичних та селекційних дослідженнях використовуються такі QTL, що визначають формування резистентності до збудників фузаріозів:

У китайського сорту пшениці Sumai3, з резистентністю до фузаріозу за типом ІІ, охарактеризовано три головних QTL: QTL 3BS (також відомий як Fhb1), який є потужним джерелом резистентності за типом ІІ; QTL 5A, який асоціюється з резистентністю за типом І. Відомо, що QTL 5A присутній у різних плазмах з різних регіонів світу. Третім QTL є 6BS (Fhb2) [Burstmayr et al., 2009].

Запропоновано, що QTL 3BS кодує чи регулює експресію UDP-глікозилтрансфераз чи інгібітора пектинметилестерази [Lemmens M. et al., 2005; Zhuang Y. et al., 2013]. Вірогідним механізмом UDP-глікозилтрансфераз може бути детоксикація мікотоксинів, зокрема DON, шляхом конденсації глюкози з C-3 гідроксильною групою [Poppenberger B. et al., 2003].

Ензимна детоксикація мікотоксинів розглядається як вірогідний шлях зменшення забруднення зерна токсикантами. Повна деструкція DON у середовищах з мікроорганізмами спостерігається нечасто, а результати сильно варіюють. Детоксикація DON у реакціях, орієнтованих на його епоксидну групу або гідроксил на вуглеці 3, є більш доцільною. Мікробні штами, які метаболізують DON шляхом де-епоксидації в анаеробних умовах, ізольовані з травної системи тварин. Кормові добавки, що позиціонуються як системи для індукування метаболізму трихотеценів, вже є на ринку, проте їх активність потребує підтвердження. Новий шлях детоксикації, що призводить до утворення 3-оксо-DON і 3-епі-DON, був виявлений в систематично не споріднених ґрунтових бактерій з трьох континентів. Ферменти, що беруть участь у метаболічній деструкції, ще необхідно ідентифікувати. Були створені рослини Arabidopsis, тютюну, пшениці, ячменю та рису, які можуть метаболізувати DON шляхом ацетилювання DON на вуглеці 3. У пшениці, яка експресує активність ацетилювання DON, підвищення стійкості до фузаріозу колосу було помірним. За використання гена Tri101 з Fusarium sporotrichioides встановлено, що фермент Fusarium graminearum, який володіє більш високою активністю щодо DON, імовірно, буде кращим вибором. Глікозилювання трихотеценів може відбуватися в рослинах, що сприяє стійкості пшениці до інфікування F. graminearum. За допомогою маркерів відбір на основі гена трихотецин-3-О-глюкозилтрансферази може бути використано в селекції на стійкість до фузаріозів. Ацетилтрансферази грибів та глюкозилтрансферази рослин, які націлені на вуглець 3 трихотецинів, залишаються перспективними претендентами для інженерії резистентності до фузаріозу колосу. Бактеріальні ферменти, що каталізують окислення, епімеризацію і, менш імовірно, деепоксидацію DON, можуть розширити цей перелік у майбутньому [Karlovsky P., 2011].

Зазначимо, що зважаючи на складність і низький рівень відтворюваності процесів детоксикації мікотоксинів, на ринку пропонують численні пероральні сорбенти для зменшення ураження тварин мікотоксинами у зерні. Проте їх ефективність щодо зменшення токсичності мікотоксинів класу трихотеценів дорівнює нулю. Тому приділяється увага мікробній детоксикації мікотоксинів у період до потрапляння в шлунковий тракт тварин. Відомо, що DON повністю метаболізує у де-епокси-DON мікрофлорою рубця та кишковою мікрофлорою. Еубактерія BBSH 797 була здатна розкладати DON та протидіяти токсичному впливу DON у тваринних організмах. Ряд оглядів присвячено ефективності мікробних кормових добавок у пом’якшенні токсичних ефектів DON. За результатами численних експериментів, на сьогоднішній день, імовірно, лише мікроорганізми є основними видами живих організмів, придатних для біодеградації мікотоксинів. Економічна ефективність цього підходу потребує виробничого підтвердження [Awad W.A. et al., 2010].

Глікозил-DON та похідні кон’югату знайдено у Fusarium-інфікованих зернових культурах [Berthiller et al., 2005; Dall’Asta et al., 2005; Lemmens et al., 2005].

У дослідженнях С.Л. Мірось встановлено кількість генів специфічної стійкості до збудника фузаріозу в десяти ліній озимої м’якої пшениці, що використовуються у вітчизняній селекції. З’ясовано функціональний стан генів окремих оксидоредуктаз – супероксиддисмутази (СОД), цитохромоксидази (ЦХО), фенолоксидази (ФО) та пероксидази (ПО) – у ліній озимої м’якої пшениці до та після ураження фузаріозом, а також наявність асоціацій між функціональним станом зазначених ген-ензимних систем і рівнем стійкості цих ліній. Показано, що в чутливих та стійких генотипів спостерігаються істотні відмінності в реакціях цих ферментів на зараження фузаріями. Визначено, що між наявністю множинних молекулярних форм (ММФ) СОД, ЦХО, ФО та ПО не було знайдено чіткого асоціювання з рівнем стійкості ліній пшениці до фузаріозу, але експресивність смуг окремих ізозимів на електрофореграмах виявляє чіткі асоціації з ознакою стійкості рослин до фузаріозу колосу. Зазначено, що ці ізозими можна рекомендувати маркерами стійкості рослин до фузаріозу на ранніх стадіях їх розвитку. Доведено, що такими маркерами можуть бути ММФ СОД з Rf 0,08, ФО з Rf 0,45 і ПО з Rf 0,03. З’ясовано, що рівень стійкості цих ліній пшениці визначається, в першу чергу, генами вертикальної стійкості, що взаємодіють як адитивно-домінантні та комплементарні гени [Мірось С.Л., 2003].

Інгібітор пектинметилестерази взаємодіє з ферментом та інгібує активність пектинметилестерази, ключового ферменту біосинтезу пектину. Пектин є головним компонентом клітинних стінок рослин, і його розклад спостерігається під час інфікування пшениці видами Fusarium [Kang Z., Buchenauer H., 2000]. Клітинна стінка є складною структурою і, головним чином, складається з целюлози, складної мережі геміцелюлози та інтегрованого в загальну матрицю пектину. Пектин синтезується у високометил-етерифікованих формах, де є деетерифікування пектину метилестеразами (ПМЕС) клітинної стінки. Ступінь та характер метилетерифікації впливають на структуру клітинної стінки і властивості з відповідними змінами у перебігу фізіологічних процесів рослин та їх стійкості до патогенів. Активність PME має вирішальну роль у взаємодії рослина – патоген. При цьому пектин стає більш чутливим до дії ферментів, що продукуються патогенами [Lionetti V. et al., 2012].

Експресія шляхом трансгенезу інгібітора пектинметилестерази Actinidia chinensis підвищує резистентність до грибних захворювань, у тому числі й до фузаріозу колосу у твердої пшениці. Метилетерифікація пектину клітинної стінки може впливати на рівень резистентності рослин до фузаріозу, оскільки метил-етерований пектин з високим вмістом метильних фрагментів може бути менш сприйнятливим до гідролізу такими пектиназами, як грибкові ендополігалактуронази (PG). Пектин секретується в клітинну стінку у високометилетерифікованій формі, де відбувається деметилювання етерифікованих пектинів метилестеразою (PME). Активність РМЕ контролюється специфічними інгібіторами білка (PmeI). Отже, підвищений рівень інгібування PME шляхом PmeI може модифікувати пектин метилетерифікацію. Щоб перевірити можливість підвищення стійкості пшениці шляхом модифікації метилетерифікації пектину клітинної стінки, створено трансгенні лінії пшениці з PmeI з актинідії (AcPMEI китайського лимонника). Експресія AcPMEI у пшениць призвела до зниженої ендогенної активності РМЕ, трансгенні лінії, які експресують високий рівень інгібітора, мали значне збільшення ступеня метилетерифікації. Ці лінії відзначалися зниженим рівнем симптомів захворювань, викликаних грибковими патогенами Bipolaris sorokiniana або Fusarium graminearum. Ця підвищена резистентність була пов’язана з порушеною здатністю цих грибкових патогенів до росту на метил-пектині й до зниження активності грибкової PG у гідролізуванні метил-пектину. Автори зазначають важливість ролі пектину, незважаючи на низький його вміст у клітинній стінці пшениці [Volpi C. et al., 2011].

Незважаючи на високу чутливість до фузаріозу, а також на рівень складності геному твердої пшениці, відома лише обмежена кількість досліджень ідентифікації QTL щодо резистентності до фузаріозу колосу у тетраплоїдної пшениці. Ряд досліджень проведено на диких видах Triticum turgidum subsp. durum.

Встановлено, що рівень стійкості до фузаріозу колосу змінюється не тільки серед сортів пшениці, але й серед їх диких родичів. Аналіз Graminea свідчить, що серед його видів не знайдено резистентних до фузаріозу колосу представників. Відомо, що тверда пшениця (Triticum turgidum L. conv. durum) системно більш чутлива до фузаріозу колосу, ніж Т. aestivum L. Важливість геному D надає стійкість до фузаріозу колосу. У той же час, недавні дослідження з використанням молекулярних маркерів свідчать про знаходження ефективних QTL на хромосомі 3BS у популяції гексаплоїдної та на 3А в тетраплоїдної рекомбінантних інбредних ліній хромосом. Хромосоми 3А Т. turgidum підвиду Dicoccoides несуть ген стійкості до ураження збудником фузаріозу колосу [Ban T., Watanabe N., 2001; Burstmayr H. et al., 2009, 2012].

Ряд QTL, що визначають резистентність до фузаріозу колосу, ідентифіковані у тетраплоїдної пшениці та збігаються з геномними регіонами QTL-резистентності гексаплоїдної пшениці, у тому числі 3B у T. turgidum subsp. durum та 6B з T. turgidum subsp. dicoccum до гексаплоїда 3BS та 6BS QTL відповідно [Burstmayr M. et al., 2012]. У ячменю QTL-резистентність до фузаріозу колосу ідентифіковано на усіх семи хромосомах [Yu G.T. et al., 2010].

Локус Vrs1, який формує тип рядності, асоційований з QTL, що визначає вищий рівень резистентності дворядного ячменю у порівнянні з шестирядним. Проте не з’ясовано, чи ця підвищена резистентність є результатом плейотропності, чи безпосередньо пов’язана з Vrs1 [Massman J. et al., 2011].

Крім досліджень QTL, експерименти з функціональної геноміки проведено на пшениці та ячмені з метою ідентифікування генів та/чи молекулярних шляхів, які включені у формування (опосередкованої) резистентності до фузаріозу колосу [Pritsch С. et al., 2000, 2001; Wang J.H. et al., 2005; Zhou W.C. et al., 2005, 2006; Boddu J. et al., 2006, 2007; Bernardo A. et al., 2007; Golkari S. et al., 2007, 2009; Geddes J. et al., 2008; Li G. and Yen Y., 2008; Jia H. et al., 2009; Steiner B. et al., 2009; Cho W.K. et al., 2012, 2013; Foroud N.A. et al., 2012].

Відомо, що карбендазим є одним із фунгіцидів, який широко використовується для контролювання фузаріозу колосу у Китаї. Виявлено, що локус F. graminearum FGSG_04220, який має гомологічну послідовність з локусом дріжджів (Saccharomyces cerevisiae ScSWI6), далі названий FgSWI6. Видалення FgSWI6 викликає підвищену чутливість міцелію F. graminearum до карбендазиму в рідкому середовищі. Крім того, видалення FgSWI6 скорочує ріст міцелію, а також продукування та розвиток конідій. У клітинах F. graminearum, які не мають FgSWI6, знижуються ефективність продукування та розмір перитеціїв, а також спостерігаються дефекти у продукуванні аск з аскоспорами. Локус FgSWI6 необхідний для синтезу целюлози, толерантності до літію та синтезу деоксиніваленолу (DON) цього патогена. Крім того, видалення FgSWI6 значно послаблює вірулентність F. graminearum щодо пшениці. Тому присутність локусу FgSwi6p відіграє важливу роль у рівні інфікування пшениці грибковим патогеном F. graminearum, а також є складовою його стійкості до карбендазиму [Liu N. et al., 2013]. Відомо також про можливу роль FgSwi6 у взаємодії між збудником фузаріозу колосу пшениці F. graminearum та вірусом 1 (FgV1), штам DK21, який уражує грибок F. graminearum [Son M. et al., 2016].

Резистентність до фузаріозу є кількісною ознакою, й на сьогоднішній день описано понад 100 QTL. Повністю охарактеризовано два QTL. Fhb1 та Qfhs.ifa-5A широко досліджуються у світі, проте їх гени ще не ідентифіковані. Kugler з колегами дослідили ко-експресію мережі генів, які активуються у відповідь на інфікування фузаріозом, використовуючи RNA-seq дані з майже ізогенних ліній з резистентними та чутливими алелями з Fhb1 та Qfhs.ifa-5A. У мережі знайдено модулі реакції на патоген, які зростають за диференціального експресування генів між генотипами. Представлено аналіз експресії генів 4-х родин (глюкунази, NBS-LRR, WRKY фактори транскрипції та UDP-глікозилтрансферази), які внесли значний вклад у формування відповіді на інфікування патогеном. Комбінування мереживного підходу та диференціальної експресії генів і шляхів біосинтезу, асоційованих з Fhb1 та Qfhs.ifa-5A, дозволило встановити індуковані Fhb1 G-протеїни, зв’язані з кіназами рецептора, й гени біосинтезу жасмонату та етилену. Подібним шляхом знайдено гени, задіяні у біосинтезі та метаболізмі рибофлавіну, якого було більше у Qfhs.ifa-5A [Kugler K.G. et al., 2013].

Інтегровано транскриптомні та метаболомні дані для визначення відповіді на молекулярному рівні за інфікування збудником фузаріозу і накопичення DON у майже ізогенних лініях, що відрізняються двома локусами резистентності – Fhb1 та Qfhs.ifa-5A. Дані системного перегрупування в первинному обміні речовин і трансляційних змін у протидії грибку та впливу токсину дозволили виділити певні зміни у метаболізмі глутамату в лініях, що несуть Qfhs.ifa-5A. Ці відмінності реалізовані, ймовірно, через активність двох пермеаз амінокислот, розташованих у локусах кількісних ознак. Мапування області Fhb1 зменшило перелік претендентів до декількох генів, які специфічно експресуються як у присутності локусів кількісних ознак, так і у відповідь на патоген та включають в себе рецептор-подібну протеїнкіназу, протеїнкіназу та E3 убіквітин-протеїн лігазу. На рівні геному окремі субгеноми сприяють зростанню резистентності до хвороби. Зокрема, D-субгеном проявляв виражену реакцію на патоген та впливав на формування резистентності до хвороби [Nussbaumer T. et al., 2015; Schweiger W. et al., 2013].

Створено майже ізогенні лінії (NILs), які відрізняються присутністю найпотужнішого відомого локусу (QTLs) Qfhs.ifa-5A, що визначає резистентність до F. graminearum – Qfhs.ndsu-3BS (також відомого як ген резистентності Fhb1), який розташовано на короткому плечі хромосом 3В і 5А, відповідно. Після інокуляції спорами F. graminearum 16 траскриптів показали суттєво відмінні відповіді до Fhb1 та 352 до Qfhs.ifa-5A. При цьому ідентифіковано білок переносу ліпідів, вміст якого у 50 разів вищий у рослинах з алелем резистентності Qfhs.ifa-5A. Також ідентифіковано ген уридін-дифосфат-глікозилтрансферази (TaUGT12887), який має позитивну відмінність на відповідь інокуляції патогеном. cDNA від TaUGT12887 було сиквеновано з доступних геномних послідовностей пшениці, цей синтетично створений ген було експресовано у токсин-чутливому штамі Saccharomyces cerevisiae. Цей ген забезпечив певний рівень DON-резистентності, проте встановлений рівень був нижчим від раніше охарактеризованого HvUGT13248.

У наведених вище дослідженнях спостерігалася Fusarium-індукована регуляція патогенез-залежних білків та антиоксидантів. У ряді випадків така залежність прямої регуляції була вищою чи проявлялася швидше у резистентних ліній у порівнянні з чутливими [Golkari S. et al., 2009; Foroud N.A. et al., 2012]. Також спостерігалися зміни в експресії генів, що задіяні у регуляції біосинтезу гормонів та гормональної відповіді.

При дослідженні мікроділянок, оброблених гормонами, показано, що у формуванні резистентності до фузаріозу колосу задіяні жасмонова кислота та етилен [Li G., Yen Y., 2008]. У подальших дослідженнях для вивчення ролі жасмонової кислоти (JA) й етилену (ET), шляхів в опосередкуванні захисту пшениці від фузаріозу колосу, експресії генів у інфікованих Fusarium graminearum остюках сорту Wangshuibai та його чутливого мутанта NAUH117 на рівні локусу Fhb1 порівнювали з використанням мікрочипів пшениці. Результати показали, що більшість з JA-асоційованих генів були індуковані в Wangshuibai, в той час як лише деякі з них індукувалися у NAUH117. ELISA аналіз показав, що в інфікованих F. graminearum остюках ендогенний вміст JA був збільшений у Wangshuibai, однак не в чутливому мутанті NAUH117. Попередня обробка з екзогенними метилатом JA може зменшити ураженість пшениці хворобою. Проте попередня обробка екзогенним етефоном не мала подібного ефекту. Ці результати показали, що шлях біосинтезу JA може відігравати суттєву роль у формуванні резистентності до фузаріозу колосу [Sun Y. et al., 2016]. Також була встановлена роль жасмонової кислоти у сигналінгу резистентності до фузаріозу колосу пшениці [Desmond O.J. et al., 2005]. При цьому необхідно відзначити, що за резистентність до фузаріозної кореневої гнилі та до фузаріозу колосу відповідають різні групи генів [Li H. et al., 2010]. Вірус-індуковане інгібування експресії генів пшениці зумовило блокування шляхів ЕТ-сигналінгу та підвищило чутливість до фузаріозу колосу [Gillespie M.E. et al., 2012], що підтверджує результати, представлені G. Li та Y. Yen (2008).

На противагу, інгібування генів ET-INSENSITIVE 2 (EIN2), включених до ET-сигналінгу шляхом RNA-взаємодії, призводило до зниження резистентності до фузаріозу колосу пшениці сорту Bobwhite [Chen X. et al., 2009]. Екзогенне застосування прекурсорів чи інгібіторів етилену продемонструвало, що ЕТ-сигналінг може підвищувати чутливість до фузаріозу колосу у пшениці та ячменю.

Ця неузгодженість у результатах також спостерігалася в експериментах з окремими фітогормонами, де пригнічували експресію EIN2 шляхом RNA-інтерференції в трьох генотипах пшениці. У цих дослідженнях ЕТ-сигналінг призводив до підвищення чутливості до фузаріозу колосу у нестійкого генотипу, не впливаючи на рівень чутливості генотипу, що резистентний за типом І, та призводив до підвищення резистентності генотипу, резистентного за типом ІІ. Диференціація у реакціях також спостерігалася за різного пригнічення експресії генів шляхів сигналінгу жасмонату та саліцилату [Foroud N.A. et al., 2009, 2011, 2012].

На класичній дводольній рослині Arabidopsis спостерігали перехресні збіги між шляхами сигналінгу жасмонату та саліцилату в резистентності до Fusarium. Автори запропонували визначати фази перебігу/час сигналінгу жасмонату та саліцилату як ключовий елемент у формуванні відмінностей у чутливості та резистентності до фузаріозу [Makandar R. et al., 2010].

Механізми резистентності кукурудзи до збудників фузаріозів

Існуюча варіабельність у пулі генів кукурудзи щодо резистентності до ураження фузаріозами качанів та гнилі стебел дозволила селекціонерам створити генотипи з високими рівнями резистентності до шкодочинних видів Fusarium [Reid L.M. et al., 2001, 2003, 2009; Mesterhazy A. et al., 2012].

Як і на зернових колосових культурах, розглядають 2 форми резистентності кукурудзи до ураження фузаріозами: резистентність до первинного ураження, де грибок не може проникнути через канали маточок і далі інфікувати зерно, та резистентність до розповсюдження хвороби, де збудник не може проникнути крізь оболонку зернини й тому не передається від зерна до зерна по качану.

Фізіологічними дослідженнями встановлено, до рівень резистентності до фузаріозу в кукурудзі корелює з рівнем вмісту флавонів у маточках, стеблах і зерні [Santiago R. et al., 2007], вмістом низькомолекулярних фенольних сполук, таких як гідроксицінамова кислота [Assabgui R.A. et al., 1993], та вмістом дегідроізомерів ферулової кислоти у перикарпії й алейроновому шарі зерна кукурудзи [Bily A.C. et al., 2003] та 4-ацетилбензоксазолін-2-он (4-ABOA) у зерні [Miller J.D. et al., 1997].

Взаємозв’язок між метаболізмом фенольних сполук та резистентністю кукурудзи до Fusarium graminearum, збудника гнилі стебла Gibberella, був досліджений рядом вчених. Профілі фенольної кислоти у стеблах шести інбредних ліній кукурудзи різного рівня резистентності було проаналізовано від фази виходу пестикових стовпчиків до зрілості зерна. Було ідентифіковано чотири різні фракції фенольних сполук у інокульованих та неінокульованих тканинах серцевини: нерозчинні та зв’язані з клітинною стінкою, пул вільних фенольних соплук, розчинні етер-похідні фенольних сполук і розчинні глікозид-феноли. Аналіз за допомогою ВЕРХ показав, що п-кумарова кислота й ферулова кислота були найбільш поширеними сполуками у розчинній та зв’язаній з клітинною стінкою фракціях. Кількість вільних, глікозид-фенолів і етер-похідних фенольних сполук у серцевині були нижче рівня, необхідного для пригнічення росту або накопичення мікотоксинів за інфікування Fusarium. Однак існують значні негативні кореляції між вмістом диферулових кислот у клітинних стінках і рівнем ураження хворобою. Результати показали, що майбутні дослідження повинні бути зосереджені на рівнях диферулових кислот у початкових процесах інфікування. Диферулати можуть відігравати певну роль у генотиповій стійкості кукурудзи до гнилі початку (серцевини початку Gibberella) як попередньо сформованих бар’єрів на шляху інфекції [Santiago R. et al., 2007].

Встановлено роль гідроксицинамату у формуванні резистентності до фузаріозу, показано зміни у клітинній стінці маточок за інокуляції F. graminearum. Здатність генотипів кукурудзи до уповільнення процесів інфікування через формування структурних особливостей геміцелюлози або інгібіторів ксиланази необхідно дослідити у подальшому [Cao А. et al., 2011].

У результаті дворічних досліджень детектували рівень інфікування F. graminearum, накопичення трихотеценових мікотоксинів, кислоти і склад фенольних сполук у зерні кукурудзи чутливого та помірно стійкого сорту з використанням кількісної ПЦР та рідинної хроматографії у поєднанні з фотодіодним детектором і мас-спектрометричною ідентифікацією. Інтенсивність росту F. graminearum і накопичення трихотеценів різко скоротилися у рослинах помірно стійкого сорту. Встановлено, що концентрація хлорогенової кислоти була більшою у помірно стійкого сорту [Atanasova-Penichon V. et al., 2012].

Встановлено кореляцію між товщиною перикарпу (оболонки зернини) та рівнем резистентності до F. verticillioides. Виявлено, що потовщений перикарп може блокувати надходження міцелію до зернини та слугувати перешкодою до ураження комахами [Hoenisch R.W., Davis R.M., 1994]. Також встановлено варіабельність властивостей перикарпу та зв’язок змін із рівнем резистентності до хвороби [Sampietro D.A. et al., 2009].

Цукрова кукурудза відрізняється тонким перикарпом та високим рівнем ураження видами F. graminearum і F. verticillioides. Генотипи, які створені шляхом селекції, з високою резистентністю до фузаріозу качанів, що викликають F. graminearum, також проявляли високий рівень резистентності до F. verticillioides та пухирчатої сажки (Ustilago zeae) у дослідах з інокуляцією збудниками. Це може свідчити про єдині механізми резистентності до цих хвороб [Reid L.M. et al., 2000, 2002, 2009].

Похідні алканів з довгим ланцюгом на поверхні маточок кукурудзи, вірогідно, беруть участь у формуванні механізму резистентності до хвороби. Проте автори зазначають, що вміст алканів не є головним механізмом формування резистентності до фузаріозу [Miller S.S. et al., 2003].

Природа резистентності до фузаріозів у кукурудзи носить складний/комплексний характер, генотипи кукурудзи проявляють різні рівні резистентності як на рівні ураження зерен, так і на рівні каналів маточок [Lemmens M. et al., 2005]. Знайдено локуси кількісних ознак (QTL), що асоційовані з резистентністю кукурудзи до фузаріозу Fusarium.

Автори винайшли 7 локусів кількісних ознак (QTL), що визначають 47% фенотипової варіабельності до фузаріозу качанів за ураження F. verticillioides та 9 – накопичення фумонізину з 67% рівнем варіабельності. На двох популяціях кукурудзи визначено, що 3 QTL фузаріозу качанів та 2 – фумонізину були маповані у подібних позиціях. Два QTL локалізовані на хромосомі 4 та 5 – в обох популяціях [Robertson-Hoyt L.A. et al., 2006].

M. Martin та співавтори ідентифікували ко-локалізовані локуси кількісних ознак QTL як для резистентності до фузаріозу качанів за ураження F. graminearum, так і за зниженням рівнів мікотоксину DON у різних мапованих популяціях [Martin M. et al., 2011].

Y. Reinprecht та співавтори у пошуку генів резистентності до Fusarium graminearum у кукурудзи ідентифікували понад 100 генів поза локусами кількісних ознак (QTL), серед яких ті, що асоційовані з індукцією хітінази та протеїнкінази [Reinprecht Y. et al., 2008].

Шляхом метааналізу QTL, що асоційовані з формуванням механізмів резистентності у 14 дослідах із визначення шкодочинності F. graminearum, F. verticillioides та Aspergillus f. Avus, встановлено, що локуси кількісних ознак резистентності локалізовані на одних хромосомах. Ці дослідження, а також інші роботи свідчать на користь положення щодо єдиного механізму формування резистентності до фузаріозу та інших хвороб у кукурудзи й інших зернових культур [Xiang K. et al., 2010].

Автори у роботах з визначення причин виникнення більш агресивних популяцій збудників видів Fusarium розглядають участь різних генів та генетичних механізмів, у т.ч. й популяційного аналізу, у формуванні резистентності до фузаріозу кукурудзи та пшениці [Zhang Y. et al., 2011; Zhang H. et al., 2012].