КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 19-14-00138

НазваниеЭколого-физиологические и молекулярно-генетические аспекты взаимодействий в триотрофных системах микроорганизмы – пасленовые растения – насекомые

РуководительГлупов Виктор Вячеславович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт систематики и экологии животных Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл

Года выполнения при поддержке РНФ 2019 - 2021 

КонкурсКонкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-107 - Экология биосистем

Ключевые словако-адаптации, паразиты, эндофиты, фитопатогены, триотрофные системы, иммунный ответ, аскомицеты, насекомые-фитофаги, биологический контроль

Код ГРНТИ34.35.01


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Механизмы взаимодействий в триотрофных системах растения – насекомые –микроорганизмы остаются слабо изученными, между тем, анализ данных механизмов может внести существенный вклад в понимание возникновения эпизоотий в популяциях насекомых, и разработку новых подходов к биологическому контролю фитофагов и фитопатогенов. Проект посвящен изучению коадаптаций в триотрофных системах пасленовые растения – фитофаги – энтомопатогенные/эндофитные аскомицеты (Beauveria и Metarhizium). В рамках проекта впервые будет оценена естественная заселенность пасленовых растений указанными эндофитными грибами. Будет проанализировано влияние искусственной колонизации грибами растений на иммунитет как самих растений, так и питающихся ими насекомых. В частности, у растений будут проанализированы системы, связанные с устойчивостью к фитопатогенам, а у насекомых – к энтомопатогенам и инсектицидам (детоксицирующая и антиоксидантная системы, клеточный и гуморальный иммунитет). Будут исследованы морфофизиологические и генетические трансформации у энтомопатогенных грибов при селекции через растения и насекомых, что позволит проанализировать микроэволюционные процессы при формировании адаптаций грибов к разным хозяевам. Планируется изучение в организме насекомых белков, гомологичных белкам растений и их роль в устойчивости к патогенам. Кроме того, планируется разработать подходы к внесению энтомопатогенных грибов в агроценозы с целью снижения фитопатогенной нагрузки, стимуляции роста растений и повышения урожайности. В качестве основных модельных объектов будут использованы картофель, томаты, колорадский жук, персиковая тля и грибы Beauveria bassiana и Metarhizium robertsii. При решении поставленных задач планируется использовать ряд современных микробиологических, биохимических и молекулярно-генетических методов (ЭПР-спектрометрия, секвенирование нового поколения, количественная ПЦР, иммуноблот и др.). В ходе проекта планируется разработать новые подходы к повышению урожайности пасленовых растений и снижению численности насекомых-вредителей.

Ожидаемые результаты
В рамках проекта впервые будет получен ряд новых данных о коадаптациях в системе растения – насекомые – эндофитные/энтомопатогенные грибы. В частности, впервые будет установлен естественный уровень заселенности пасленовых растений энтомопатогенными/эндофитными грибами (Beauveria, Metarhizium), и их доля участия в общем пуле грибных эндосимбионтов. Впервые будет проведен комплексный анализ защитных реакций растений и насекомых-фитофагов при колонизации растений грибами. Подход с селекцией грибов через насекомых хозяев и растения позволит вскрыть ряд важнейших адаптаций у грибов с "двойной жизненной стратегией". Впервые будет выяснена роль гомологичных для растений и насекомых белков (В-лектин рицина) при развитии грибных инфекций. Будут разработаны подходы к внесению энтомопатогенных грибов в агроценозы с целью максимального снижения заболеваемости фитопатогенными микроорганизмами и повышению урожайности. Результаты будут обладать высоким уровнем новизны и цитируемости, поскольку данная область исследований лежит в рамках одного их мировых трендов по изучению энтомопатогенов/эндофитов в триотрофных системах, однако биохимические и молекулярно-генетические подходы в данной области пока немногочисленны. Полученные результаты будут опубликованы в высокорейтинговых международных журналах, включая журналы первого квартиля с импакт фактором 3-5. Исходя из полученных результатов, мы планируем разработать новые подходы к управлению численностью фитофагов и фитопатогенов, что будет способствовать развитию органического земледелия и получению экологически безопасной продукции.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В ходе выполнения проекта проведен комплекс исследований, связанных со взаимодействиями между энтомопатогенными грибами, пасленовыми растениями и насекомыми. Показано, что на картофельных полях количество колониеобразующих единиц (КОЕ) грибов Metarhizium зависит от потенциального плодородия почв, достигая 20 тыс КOE/грамм почвы. Однако во внутренних тканях растений грибы детектируются единично. Метагеномный анализ внутренних тканей картофеля также показал очень низкое относительное обилие энтомопатогенных грибов (Beauveria, Metarhizium) в корнях и их отсутствие в листьях, относительно общего пула грибов, представленных преимущественно фитопатогенами. Таким образом, естественная колонизация внутренних тканей картофеля очень незначительная. Установлено, что при выращивании картофеля в условиях гидропоники, обработка корневой системы конидиями грибов B. bassiana и M. robertsii приводит к существенным изменениям в содержании фотосинтезирующих пигментов, активации ферментативной защиты растений (пероксидаза, супероксиддисмутаза) и снижению уровня пролина. При этом указанные изменения происходят в короткие сроки (7 суток после обработки). Исследовано влияние штаммов M. robertsii с разными патогенными стратегиями на стимуляцию роста томатов. Так, при инфицировании насекомых рядом штаммов грибов наблюдается бактериальный распад трупов насекомых после их колонизации грибом. Это приводит к повышенному содержанию нитратного и аммонийного азота в трупах и значительной стимуляции роста растений при их выращивании на субстратах, дефицитных по минеральному азоту. Штаммы с классическим развитием микоза (способные спорулировать на убитых ими насекомых) приводят к менее выраженной стимуляции роста растений. Таким образом, использование «девиантных» штаммов (не способных спорулировать на трупах), будет приводить к более быстрому, но только пассивному потоку азота от убитых насекомых к растениям. В ходе проекта получены линии изолятов B. bassiana и М. robertsii шестикратно пассированных через растения томатов и через личинок вощинной огневки. Данные изоляты представляют интерес для исследования изменения их морфофизиологических и вирулентных свойств в ходе адаптации к разным хозяевам – растениям и насекомым. Данный анализ запланирован на следующих этапах проекта. Проведен генно-информационный анализ гомологичных последовательностей лектинов, содержащих рициновый домен у насекомых, растений и бактерий. Установлено, что данный домен неоднократно заимствовался и дуплицировался разными видами бактерий, растений и членистоногих. Исходя из проанализированных данных мы предположили, что рициновый домен может входить в состав фермента, обладающего фунгицидными свойствами. Проведены эксперименты по оценке экспрессии гена гомолога В-лектина рицина в тканях колорадского жука при грибных инфекциях. Показано существенное повышение его экспрессии в кутикуле и жировом теле при развитии микозов, вызываемых разными видами грибов (B. bassiana и M. robertsii). Уровень экспрессии также прямо зависел от уровня восприимчивости у личинок разных возрастных групп. Следует отметить, что изменения экспрессии гена гомолога В-лектина рицина не было взаимосвязано с экспрессией генов антибактериального пептида Аттацина и белка теплового шока. Последнее косвенно свидетельствует о том, что усиление экспрессии гена гомолога В-лектина рицина вызвано именно грибными инфекциями. В настоящее время нет достоверной информации об антигрибных пептидах колорадского жука, поэтому дальнейшее исследование рицин-подобного В-лектина представляет существенный интерес. Впервые получены данные по влиянию обработки картофеля грибами M. robertsii и B. bassiana на развитие ризоктониоза и стимуляцию роста растений в полевых условиях. Показано, что обработка посадочных клубней конидиями B. bassiana приводит к существенному снижению ризоктониоза стеблей и столонов. Сходные тренды отмечены при обработке посадочных клубней конидиями M. robertsii, но различия были несущественными. Оба гриба значительно снижали склероциальный индекс на клубнях нового урожая. Кроме того оба гриба приводили к повышению пероксидазной активности в корнях через 4 недели после обработки клубней. Прибавка урожая картофеля составила 12 и 19% процентов после обработки M. robertsii и B. bassiana соответственно. Системная колонизация картофеля энтомопатогенными грибами не превышала 5%, однако было зарегистрировано активное развитие исследуемых грибов в корневой системе. В экспериментах in vitro показано, что исследуемые энтомопатогены подавляют Rhizoctonia solani, некротизируя гифы фитопатогена и ингибируя формирование склероциев. Таким образом, обработка посадочных клубней конидиями энтомопатогенных грибов приводит к подавлению развития ризоктониоза в течение вегетационного периода и приводит к повышению качества клубней нового урожая.

 

Публикации

1. Глупов В.В., Мартемьянов В.В., Крюков В.Ю. Insect parasites in multicomponent systems and the development of new bioinsecticides BIO WeB of Conferences, - (год публикации - 2020).

2. Крюков В.Ю., Кабилов М.Р., Смирнова Н., Томилова О.Г., Тюрин М.В., Аханаев Ю.Б., Поленогова О.П., Данилов В.П., Жангиссина С., Аликина Т., Ярославцева О.Н., Глупов В.В. Bacterial decomposition of insects post-Metarhizium infection: Possible influence on plant growth Fungal Biology, V. 123 P. 927-935 (год публикации - 2019).

3. Томилова О.Г., Шалдяева Е.М., Крюкова Н.А., Пилипова Ю.В., Шмиди Н.С., Данилов В.П., Крюков В.Ю., Глупов В.В. Entomopathogenic fungi decrease Rhizoctonia disease in potato in field conditions Annals of Applied Biology, - (год публикации - 2020).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проект посвящен изучению механизмов взаимодействий между энтомопатогенными грибами, пасленовыми растениями, фитофагами и фитопатогенами. В рамках текущего этапа показано, что при естественной численности энтомопатогенных грибов Beauveria и Metarhizium в экосистеме картофельного поля (до 10 тыс. колониеобразующих единиц на грамм почвы) данные грибы могут детектироваться в ризосфере картофеля, однако проникновение во внутренние ткани этого растения является редким событием. Метагеномный анализ показал, что сообщества эндофитов картофеля при выращивании в открытом грунте представлены преимущественно фитопатогенными грибами, а доля участия Beauveria и Metarhizium очень низка. Среди грибов Metarhizium, в ризосфере и во внутренних тканях корней и стеблей обнаружены два криптических вида (M. robertsii и M. brunneum). В экспериментах, проводимых в условиях гидропоники выявлен ранний иммуно-физиологический ответ растений картофеля к энтомопатогенным грибам. Установлено, что обработка корневой системы конидиями грибов B. bassiana и M. robertsii приводит к задержке ростовых процессов, существенным изменениям в содержании фотосинтезирующих пигментов, активации ферментативной защиты растений и накоплению свободного пролина. Мы полагаем, что энтомопатогенные грибы на ранних этапах взаимодействия с растениями картофеля могут выступать в качестве стресс-фактора, приводящего к активации защитных систем. Запуск этих ответных реакций носит затратный характер для растительного организма, что может приводить к краткосрочному отставанию в росте. В ходе проекта получены линии изолятов B. bassiana и М. robertsii восьмикратно пассированных через растения томатов и через насекомых (личинок вощинной огневки). Установлено, что длительные пассажи приводят к изменениям содержания углерода и азота в спорах грибов, изменению характера углеводного питания, а также к модификации вирулентных свойств. Зафиксированные изменения свидетельствуют о наличии тонких, но статистически существенных сдвигов в метаболизме полученных линий энтомопатогенных грибов и могут служить отправной точкой в детальном изучении трансформаций, формируемых в ходе адаптации к разным хозяевам – растениям и насекомым. Проведён информационный анализ структуры пептида рицинового В-лектина колорадского жука и возможного его участия в защите от грибных инфекций. Эксперименты по изучению экспрессии гена при различных стрессах, в том числе при грибной инфекции показали, что подъем его экспрессии является специфической реакцией на грибное вторжение. Мы полагаем, что исследуемый рициновый В-лектин является антигрибным пептидом колорадского жука. Отметим, что ранее антигрибные пептиды не были описаны у этого вида насекомого. В полевых экспериментах показано что обработка картофеля грибом M. robertsii ингибирует развитие ризоктониоза и повышает урожайность. При этом стабильный результат достигался при разных способах внесения гриба: обработке клубней перед посадкой и проливе почвы в фазе всходов. Однако обработка клубней является более технологичным и экономичным методом. На основании этих данных мы планируем на следующий год проведение производственных испытаний грибов в целях защиты от ризоктониза и повышения продуктивности данной культуры.

 

Публикации

1. Крюков В.Ю., Ярославцева О.Н., Глупов В.В. Физиолого-экологические аспекты взаимоотношений между энтомопатогенными грибами (Ascomycota, Hypocreales) и насекомыми Паразитология, том 54, № 6, с. 443–469. (год публикации - 2020).