Interacțiuni cu agenți patogeni ai plantelor

Editat de
Jens Staal

Universitatea din Gent, Belgia

Revizuite de
Susan Breen

Școala de Științe ale Vieții, Facultatea de Științe, Universitatea din Warwick, Regatul Unit

Chenglong Liu

Texas A&M University, Statele Unite

Afilierile editorului și ale recenzenților sunt cele mai recente oferite în profilurile lor de cercetare Loop și este posibil să nu reflecte situația lor în momentul examinării.

frontierele

  • Descărcați articolul
    • Descărcați PDF
    • ReadCube
    • EPUB
    • XML (NLM)
    • Suplimentar
      Material
  • Citarea exportului
    • Notă finală
    • Manager de referință
    • Fișier TEXT simplu
    • BibTex
DISTRIBUIE PE

Cercetare originală ARTICOL

  • 1 Școală de Științe ale Vieții, Universitatea Chongqing, Chongqing, China
  • 2 Școala de științe medicale de bază, Colegiul de medicină din nordul Sichuan, Nanchong, China
  • 3 Departamentul de biologie celulară și structurală, Universitatea din Texas Health Science Center din San Antonio, San Antonio, TX, Statele Unite
  • 4 Colegiul de Agronomie și Biotehnologie, Universitatea Southwest, Chongqing, China
  • 5 Institutul de biotehnologie vegetală, Consiliul Național de Cercetare din Canada, Saskatoon, SK, Canada

Introducere

Phytophthora infestans este un agent patogen oomycete notoriu, ca agent cauzal al răului târziu al cartofului, care a declanșat Marea foamete irlandeză la mijlocul secolului al XIX-lea (Pearson, 2011). Rătăcirea târzie a cartofului este cea mai gravă amenințare pentru plantele de cartof și provoacă pierderi economice semnificative la nivel mondial (Haverkort și colab., 2008). În ultimele decenii, au fost dezvoltate și aplicate mai multe fungicide chimice pentru controlul răului târziu al cartofului, vizând mecanismele tipice de afectare a lanțului respirator, perturbarea homeostaziei metabolice și inhibarea ARN polimerazei P. infestans (Matheron și Porchas, 2000; Mitani și colab., 2001; Gullino și colab., 2010). Cu toate acestea, genomul extrem de complex și imens al P. infestans conferă acestui agent patogen capacitatea de evoluție rapidă de a depăși aceste fungicide chimice prin modificarea unei singure gene (Haas și colab., 2009). Mai mult, este important să se ia în considerare problemele de mediu, sănătate și siguranță asociate fungicidelor chimice. Astfel, se dorește și se preferă nevoia de a dezvolta alternative la abordări bazate pe fungicide, care oferă o toxicitate mai mică, o țintă mai specifică și o durabilitate ecologică.

Melatonina, un produs natural denumit și N-acetil-5-metoxitriptamină, este prezentă pe scară largă la animale, plante și microbi (Arendt, 2005; Pandi-Perumal și colab., 2006; Reiter și colab., 2014). Inițial, funcția sa este cunoscută pentru a regla ritmurile circadiene. Ulterior, alte funcții, inclusiv modularea stării de spirit, a somnului, a metabolismului și a antioxidantului, sunt stabilite și în diverse organisme (Reiter și colab., 2009, 2015, 2016; Arnao și Hernandezruiz, 2015; Manchester și colab., 2015). Mai exact, melatonina a fost raportată a fi eficientă în inhibarea creșterii celulare a unor agenți patogeni umani prin afectarea funcțiilor lor mitocondriale, inhibarea formării biofilmului și reducerea substraturilor intracelulare (Tekbas și colab., 2008; Elmahallawy și colab., 2014; Yang și colab. ., 2014). De exemplu, melatonina inhibă Leishmania prin afectarea funcțiilor mitocondriale (Elmahallawy și colab., 2014). În plus, melatonina a mediat inhibarea creșterii unei varietăți de celule canceroase, cum ar fi hepatomul prin interferența metabolismului acizilor grași (Blask și colab., 1999a, b; Sauer și colab., 2001), cancerul colorectal prin scăderea MT1 (receptorul melatoninei 1) (Farriol și colab., 2000; Nemeth și colab., 2011), tumoră hipofizară prin perturbarea receptorului nuclear (Karasek și colab., 2003). Important, o serie de studii clinice au confirmat, de asemenea, că utilizarea melatoninei este o măsură eficientă pentru a controla o varietate de boli, inclusiv boli infecțioase cauzate de bacterii patogene sau virus, cum ar fi sepsis, Herpes (Sanchezbarcelo și colab., 2010).

La plante, melatonina crește rezistența împotriva agenților patogeni prin activarea expresiei genelor de apărare, creșterea producției de NO și îngroșarea peretelui celular (Yin și colab., 2013; Lee și colab., 2014, 2015; Qian și colab., 2015; Shi și colab., 2015, 2016; Zhao și colab., 2015; Lee și Back, 2016; Wei și colab., 2017). De exemplu, diferite gene legate de patogeneză (PR) și de apărare care sunt activate de acid salicilic (SA) și etilenă (ET) s-au dovedit a fi induse de melatonină în Arabidopsis și tutun (Lee și colab., 2014, 2015 ). Melatonina induce, de asemenea, producția de NO, care joacă un rol important în răspunsul imunitar înnăscut al plantelor împotriva atacurilor de agenți patogeni bacterieni (Shi și colab., 2015). De asemenea, s-a observat că melatonina este eficientă pentru îngroșarea peretelui celular prin inducerea acumulării de celuloză, galactoză, xiloză și caloză în plante pentru a preveni infecția cu agenți patogeni (Qian și colab., 2015; Zhao și colab., 2015). Recent, au fost explorate studii privind melatonina împotriva agenților patogeni ai plantelor în mod indirect prin declanșarea imunității plantelor. Cu toate acestea, se știe puțin despre interacțiunea directă dintre melatonină și agenții patogeni ai plantelor (Arnao și Hernandezruiz, 2015).

În acest studiu, am investigat efectele directe ale melatoninei asupra P. infestans. Rezultatele și observațiile au arătat că creșterea micelială, ultrastructura celulară, toleranța la stres și susceptibilitatea fungicidă P. infestans poate fi modificat semnificativ în prezența melatoninei. Din cauza lipsei soiurilor de cartof rezistente la boala târzie, controlul acestei boli notorii depinde în mare măsură de doza mare și de frecvența de aplicare a fungicidului. Interesant este că doza de fungicid poate fi redusă semnificativ atunci când a fost combinată cu melatonină, ceea ce ar fi important pentru sănătatea umană și pentru mediu. Majoritatea studiilor anterioare despre transcriptom s-au concentrat pe gazdă-P. infestans interacțiune (Gao și colab., 2013; Ali și colab., 2014; Frades și colab., 2015; Ah-Fong și colab., 2017), dar analiza transcriptomului nostru a fost concentrată pentru a releva mecanismul de bază al melatoninei împotriva P. infestans. Constatările cheie ale acestui studiu vor fi utile pentru a explora abordările alternative pe bază de melatonină pentru combaterea târziei a cartofului.

Materiale și metode

P. infestans Condiții de tulpină, mass-media și cultură

T30-4 (tipul de împerechere A1) este secvențiat P. infestans izolat care este utilizat în mod obișnuit în cercetările de laborator la nivel mondial (Haas și colab., 2009). A fost asigurat de Dr. Suomeng Dong, Universitatea de Agricultură din Nanjing, China. Tulpina a fost cultivată pe agar Rye A la 18 ° C în întuneric așa cum este descris într-un raport anterior (Avrova și colab., 2003).

Efectele melatoninei asupra bolii târzii a cartofului infectat de P. infestans T30-4

P. infestans tulpina T30-4 a fost cultivată pe agar Rye A la 18 ° C în întuneric timp de 14 zile (Avrova și colab., 2003). Apoi, frunzele de cartof și feliile de tuberculi (de 2 cm × 3 cm × 3 mm) au fost pulverizate cu soluție de melatonină în concentrații variate (0, 1, 3, 6, 8, 10 mM) dizolvate în DMSO și la fel volume de DMSO ca martor, iar apa, de asemenea, ca martor (CK) (excluzând influența melatoninei sau DMSO asupra frunzelor și tuberculilor). Apoi, discurile miceliale T30-4 cu diametrul de 7 mm au fost puse pe feliile și frunzele de tuberculi de cartofi (echipa de melatonină și echipa DMSO), apoi incubate la 18 ° C cu un ciclu de lumină/întuneric de 12 h/12 h timp de 5 zile. Mărimea fiecărei leziuni a fost măsurată apoi analizată cu cea a Studentului t-Test. Au fost efectuate trei repetări biologice pentru fiecare experiment.

Măsurarea efectelor melatoninei asupra creșterii miceliene a P. infestans

Discurile miceliale T30-4 cu diametrul de 7 mm au fost cultivate pe plăci de agar Rye A suplimentate cu concentrații variate de soluție de melatonină (0, 1, 1,5, 2, 3 și 5 mM) și aceleași volume de DMSO ca martorul . Diametrele coloniei au fost măsurate în a 9-a zi și a 14-a zi. Ratele de inhibare au fost calculate utilizând diametrul coloniei martor (D), coloniei tratate medicamentos (M) după cum urmează: [(D - M)/(D - 0,7)] × 100%. Toate experimentele au fost repetate de trei ori.

Măsurători ale efectelor melatoninei asupra viabilității celulare a P. infestans

MTT, bromura de 3- (4,5-dimetil-2-tiazolil) -2,5-difenil-2H-tetrazoliu poate fi convertită în formazan de către reductaza mitocondrială a celulelor vii. Discurile miceliale T30-4 cu diametrul de 7 mm au fost cultivate pe plăci cu 96 de godeuri suplimentate cu DMSO (ca martor), melatonină (0, 3, 6, 10 mM), Infinito (0, 0,01, 0,05, 0,1 ml/L, ml/L reprezintă volumul de fungicid în 1 L apă) și diverse combinații de melatonină + Infinito (3 + 0,01, 6 + 0,05, 10 mM + 0,1 ml/L) și incubate la 18 ° C timp de 24 ore . După 24 de ore, s-a adăugat 10 μL soluție MTT și s-a incubat la 18 ° C timp de 4 ore. Apoi, probele au fost măsurate într-un cititor automat de microplăci care lucrează la o lungime de undă de 490 nm. Viabilitatea celulară (%) = [A (medicament) - A (simulat)]/[A (control) - A (simulat)].

Microscopie electronică

T30-4 a fost cultivat în mediu agar de secară A lichid conținând 6 mM melatonină și aceleași volume de DMSO au fost stabilite ca martor, apoi incubate la 18 ° C în întuneric timp de 9 zile. Apoi, micelii au fost colectați, fixați, observați pentru microscopul electronic cu scanare (SEM) și microscopul electronic cu transmisie (TEM) așa cum este descris în literaturi (Cao și colab., 2014; Chen și colab., 2017).

Testul de toleranță la stres

(1). Discurile miceliale T30-4 cu diametrul de 7 mm au fost cultivate pe plăci de agar Rye A cu diferite suplimente: DMSO (ca martor), melatonină (3 mM), NaCl (0,1 M)/H2O2 (0,1 mM) și o combinație de melatonină + NaCl/H2O2. Apoi, discurile au fost incubate la 18 ° C în întuneric timp de 14 zile.

(2). Discurile miceliale T30-4 cu diametrul de 7 mm au fost cultivate pe plăci de agar Rye A cu diferite tratamente: DMSO (ca control), melatonină (3 mM), UV (1.350 Mw/mm 2) timp de 30 de minute/37 ° C timp de 2 ore/4 ° C timp de 24 ore și o combinație de melatonină + UV/37 ° C/4 ° C. Apoi, discurile au fost incubate la 18 ° C în întuneric timp de 14 zile.

(3). După cele 14 zile, am măsurat diametrul coloniei și am calculat ratele de inhibare. Toate experimentele au fost repetate de trei ori.

Analiza efectului sinergismului/antagonismului combinației de melatonină și fungicid asupra P. infestans

Test de patogenitate a P. infestans prin utilizarea combinației de melatonină și fungicid

P. infestans tulpina T30-4 a fost cultivată pe agar Rye A la 18 ° C în întuneric timp de 14 zile (Avrova și colab., 2003). Apoi, frunzele de cartofi și feliile de tuberculi (de 2 cm × 3 cm × 3 mm) au fost pulverizate cu DMSO (ca martor), soluție de melatonină (3, 6, 8 mM), Infinito (0,0025, 0,025, 0,25 ml/L) și melatonină + Infinito (3 + 0,0025, 3 + 0,025, 3 + 0,25, 6 + 0,0025, 6 + 0,025, 6 + 0,25, 8 + 0,0025, 8 + 0,025, 8 mM + 0,25 ml/L). Discurile miceliale T30-4 cu diametrul de 7 mm au fost puse pe feliile și frunzele de tuberculi de cartofi și incubate la 18 ° C cu un ciclu de lumină/întuneric de 12 ore/12 ore timp de 5 zile. Apoi, dimensiunea fiecărei leziuni a fost măsurată și analizată cu cea a Studentului t-Test. Au fost efectuate trei repetări biologice pentru fiecare experiment.

Analiza transcriptomului și analiza setului de date

Tekbas, O. F., Ogur, R., Korkmaz, A., Kilic, A. și Reiter, R. J. (2008). Melatonina ca antibiotic: noi perspective asupra acțiunilor acestei molecule omniprezente. J. Pineal Res. 44, 222-226. doi: 10.1111/j.1600-079X.2007.00516.x

Tian, ​​M., Chaudhry, F., Ruzicka, D. R., Meagher, R. B., Staiger, C. J. și Day, B. (2009). Factorul de depolimerizare a actinei Arabidopsis AtADF4 mediază transducția semnalului de apărare declanșat de Pseudomonas syringae efector AvrPphB. Fiziol vegetal. 150, 815–824. doi: 10.1104/pp.109.137604

Wegener, G. și Krause, U. (2002). Diferite moduri de activare a fosfofructokinazei, o enzimă cheie reglatoare a glicolizei, în mușchiul vertebrat de lucru. Biochimie. Soc. Trans. 30, 264–270.

Wei, Y., Hu, W., Wang, Q., Zeng, H., Li, X., Yan, Y. și colab. (2017). Identificarea, analiza transcripțională și funcțională a proteinei de șoc termic anii 90 în banane (Musa acuminata L.) evidențiază rolul lor nou în răspunsul plantelor mediate de melatonină la ofilirea Fusarium. J. Pineal Res. 62: e12347. doi: 10.1111/jpi.12367

Xiong, F., Zhang, R., Meng, Z., Deng, K., Que, Y., Zhuo, F., și colab. (2017). Brassinosteriod Insensitive 2 (BIN2) acționează ca un efector în aval al țintei de rapamicină (TOR) cale de semnalizare pentru a regla creșterea fotoautotrofă în Arabidopsis. Fitol nou. 213, 233–249. doi: 10.1111/nph.14118

Yamanishi, M., Narazaki, H. și Asano, T. (2015). Melatonina depășește rezistența la clofarabină în două linii celulare leucemice prin expresia crescută a deoxicitidin kinazei. Exp. Hematol. 43, 207–214. doi: 10.1016/j.exphem.2014.11.001

Yang, H. P., Tsang, P. C. și Tsang, P. W. (2014). Melatonina inhibă formarea biofilmului în parapsiloză Candida. J. Mycol. Med. 24, 360–361. doi: 10.1016/j.mycmed.2014.05.003

Yin, L., Wang, P., Li, M., Ke, X., Li, C., Liang, D. și colab. (2013). Melatonina exogenă îmbunătățește rezistența Malusului la pata de mere Marssonina. J. Pineal Res. 54, 426–434. doi: 10.1111/jpi.12038

Zhao, C., Waalwijk, C., De Wit, P. J. G. M., Der Lee, T. V. și Tang, D. (2011). EBR1, un nou factor de transcripție Zn 2 Cys 6, afectează virulența și dominanța apicală de tip hifal în fusarium graminearum. Mol. Plant Microbe Interact. 24, 1407–1418. doi: 10.1094/MPMI-06-11-0158

Zhao, H., Xu, L., Su, T., Jiang, Y., Hu, L. și Ma, F. (2015). Melatonina reglează metabolismul glucidic și se protejează împotriva Pseudomonas syringae pv. infecție cu tomate DC3000 în Arabidopsis thaliana. J. Pineal Res. 59, 109-119. doi: 10.1111/jpi.12245

Cuvinte cheie: Phytophthora infestans, melatonină, boala târzie a cartofului, toleranță la stres, susceptibilitate la fungicide, transcriptom

Citare: Zhang S, Zheng X, Reiter RJ, Feng S, Wang Y, Liu S, Jin L, Li Z, Datla R și Ren M (2017) Melatonina atenuează boala târzie a cartofului prin perturbarea creșterii celulare, toleranța la stres, sensibilitatea fungicidă și Homeostazia expresiei genelor în Phytophthora infestans. Față. Plant Sci. 8: 1993. doi: 10.3389/fpls.2017.01993

Primit: 26 august 2017; Acceptat: 06 noiembrie 2017;
Publicat: 21 noiembrie 2017.

Jens Staal, Universitatea din Gent, Belgia

Susan Breen, Organizația de cercetare științifică și industrială a Commonwealth-ului (CSIRO), Australia
Chenglong Liu, Texas A&M University, Statele Unite

† Acești autori au contribuit în mod egal la această lucrare.