Участие лигнина и конденсированных дубильных веществ в защитной реакции хвойных на патогенные грибы

Оценка устойчивости и чувствительности хвойных к болезням и вредителям важна для прогнозирования вспышек численности насекомых и эпифитотий грибных болезней. Диагностика возможного развития очагов ксилофагов в хвойных лесах разработана слабо и основана, как правило, на определении активности смоловыделения (Положенцев, 1965). Этот показатель, названный П. А. Положенцевым, «живичным индикатором», хорошо работает только на сосне и ели, имеющих регулярное расположение смоляных ходов. Для пихты и лиственницы характерно другое строение смолоносной системы, поэтому использование живичного индикатора невозможно. Это вызвало необходимость разработки иных методов биодиагностики, в частности, исследование реакции деревьев на патогенные грибы, ассоциированные с насекомыми-ксилофагами.

В течение последних десятилетий проводятся активные исследования индуцированных защитных реакций хвойных в ответ на инокулирование патогенов с целью изучения механизмов их устойчивости (Reid et aL, 1967, Wong, Berryman, 1977, Hain 1983, Cook, Hain, 1987, DeMars et aL, 1988, Paine et al., 1997). В качестве грибов, индуцирующих защитную реакцию флоэмы хвойных, используют фитопатогенные ассоцианты стволовых вредителей, причем значительная часть работ в данной области выполнена с применением возбудителей синевы древесины из семейства Ophiostomataceae Nannf. Признаком патогеиности этих грибов является возникновение обширных некрозов флоэмы после инокуляции гриба в проводящие ткани хвойных. Исследования показали, что грибы Verticillium sp. и Leptographium sp., переносимые черным пихтовым усачом Monochamus urussovi Fisch., будучи занесены во флоэму ствола здорового дерева, вызывают обширные некрозы флоэмы хвойных, в том числе пихты сибирской (Abies sibirica Ledeb.), ели сибирской (Picea obovata Ledeb.) и лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.) (Ветрова и др., 1995). Связь со стволовым вредителем, установленная патогенность и широкий спектр хозяев данных грибов позволяет использовать их в качестве индукторов защитных реакций проводящих тканей при изучении устойчивости хвойных к болезням и вредителям.

Инокуляция грибов, переносимых насекомыми-ксилофагами, в проводящие ткани хвойных вызывает защитную сверхчувствительную реакцию, направленную на остановку и инактивацию патогена (Reid et ah, 1967, Wong, Berryman, 1977, Cook, Hain, 1987, DeMars et ah, 1988, Paine et ah, 1997). Эта реакция включает такие процессы, как некротизация инфицированных тканей, накопление в инфицированных и смежных с ними клетках терпеноидных и фенольных соединений (Reid et ah, 1967, Shrimpton, Whitney, 1969, Brignolas et ah, 1995). Предполагается, что активность защитных механизмов при этом зависит от запаса углеводов в тканях флоэмы и транспорта их к месту инфекции (Christiancen, Ericsson, 1986).

Образование сверхчувствительных некрозов свидетельствует о несовместимости растения-хозяина и патогена (Kosuge, 1969). Размеры некроза характеризуют устойчивость растения к патогенным грибам, так как в случае несовместимости число некротизированных клеток соответствует числу пораженных клеток (Озерецковская и др., 1995). Параметры защитной реакции флоэмы ствола хвойных на офиостомовые грибы, в частности, величина некроза, содержание смолы, могут характеризовать степень устойчивости хвойных к патогенам (Raffа, Berryman, 1982, Cook, Hain, 1987). Однако, в литературе не имеется примеров, демонстрирующих возможность оценки снижения устойчивости хвойных при действии неблагоприятных экологических факторов.

Большинство ранних исследований реакций растений на заражение патогенными грибами было направлено на поиск веществ, токсичных для насекомых-переносчиков, и, в основном, ограничивалось анализом вторичного смолообразования (Hain et ai., 1983, Cook, Hain, 1987, 1988, Beriyman, 1988). Роль фенольных соединении в индуцированнои защите хвойных менее изучена, хотя эта группа веществ известна у древесных своей антимикробной активностью против многих паразитических грибов (Gottstain, Gross, 1992).

Лигнин и конденсированные дубильные вещества, называемые также проантоцианидинами, относятся к полимерным фенольным соединениям. У хвойных содержание лигнина и проантоцианидинов составляет около четверти сухой массы (Stafford, 1988, Запрометов, 1996). Лигнин локализован главным образом во вторичных клеточных стенках и срединных пластинках трахеид, сосудов, волокон (Davin, Levis, 1996) и выполняет функцию укрепления клеточных стенок. Лигнин обнаружен также в стенках паренхимных клеток и в межклеточном пространстве (Batcher, 1977). Каллусные и суспензионные культуры хвойных содержат лигнифицированные клетки (Venverloo, 1969, Davin, Levis, 1992, Запрометов, 1996). На травянистых растениях установлено, что лигнин выполняет защитную функцию (Moerschbacher, 1990). Исследование участия в защитной реакции флоэмы ствола хвойных лигнина, образующегося в тканях растения в ответ на инфицирование, не проводили.

Свободные дубильные вещества находятся в клеточной вакуоли растения. Предполагают, что дубильные вещества, как и лигнин, выполняют защитную функцию (Stafford, 1988). Имеющиеся данные об изменении содержания проантоцианидинов в зоне реакции хвойных на инфекцию достаточно противоречивы (Jewell, 1976, Hemingway et ah, 1977 Brignolas et ah, 1995).

Таким образом, представленные литературные данные показывают недостаточную изученность защитной функции лигнина и проантоцианидинов у хвойных и требуют дополнительных исследований.

Цель исследований — оценка роли лигнина и конденсированных дубильных веществ в защитной реакции хвойных к патогенным грибам, переносимым насекомыми-ксилофагами. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1) исследование динамики содержания лигнина и проантоцианидинов в некротизированных участках флоэмы ствола хвойных, возникающих в ответ на действие фитопатогенных ассоциантов черного пихтового усача;

2) изучение содержания лигнина и проантоцианидинов во флоэме ствола пихты после инокуляции патогенных грибов в разные фенофазы летнего периода;

3) сравнительный анализ содержания лигнина и проантоцианидинов в инфицированной флоэме ствола хвойных у деревьев с разным уровнем устойчивости;

4) изучение влияния экстрактов из мицелия патогенных грибов на содержание лигнина и проантоцианидинов при действии их на флоэму ствола и культуры ткани хвойных.

В результате проведенных исследований получены новые данные по содержанию полифенолов у хвойных, отражающие механизм защитной реакции деревьев на патогенные грибы, переносимые насекомыми-ксилофагами. Впервые показано накопление лигнина во флоэме хвойных в зоне воздействия офиостомовых грибов, либо их метаболитов. При этом отмечена связь скорости накопления лигнина с устойчивостью хвойных к грибам. Доказана индуцирующая активность метаболитов офиостомовых грибов in vivo и in vitro. Получено подтверждение концепции о связи процессов роста, и защиты и снижении активности процессов защиты в период активного роста (Lorio, 1988).

Полученные результаты демонстрируют возможность биоиндикации устойчивости хвойных к насекомым-ксилофагам и патогенным грибам по биохимическим параметрам защитной реакции на офиостомовые грибы, либо их метаболиты.

Работа является составной частью исследований Инситута леса по теме «Физиологические основы инфекционного иммунитета хвойных» и проводилась в комплексе с сотрудником лаборатории лесной микробиологии Н. В. Пашеновой. Эксперименты на культурах ткани осуществлялись в комплексе с сотрудником лаборатории физиологии и биохимии древесных растений Г. К. Зражевской.