Кореневі екзометаболіти, як екологічний чинник у взаємодії культурних рослин з ґрунтовими мікроорганізмами

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.33730/2077-4893.3.2022.266410

Ключові слова:

ексудати рослини, коренева система, мікробіом, ризосфера, сигналінг, метаболіти

Анотація

Викладено результати аналізу джерел наукової літератури щодо ролі кореневих екзо- метаболітів у взаємодії між культурними рослинами та ґрунтовими мікроорганізмами. Доведено, що кореневі екзометаболіти розпізнаються ризосферними мікроорганізмами, які, своєю чергою, продукують сигнальні молекули та ініціюють різні реакції рослин у відповідь на колонізацію. Розглянуто основні функції кореневих екзометаболітів та наведено їхні специфічні особливості залежно від виду рослин та стадії їхнього розвит- ку. Викладено результати досліджень щодо позитивного впливу мікробіому ризосфери на ріст і розвиток рослин, який обумовлено секрецією гормонів росту рослин рістстиму- лювальних бактерій, солюбілізацією поживних речовин, антагонізмом до патогенів та індукцією імунної системи рослин. Описано компоненти захисних метаболічних систем рослин від ґрунтових фітопатогенних мікроорганізмів, що забезпечують біомолекули фенольних сполук. Висвітлено механізми регуляції взаємодії як на рівні молекулярних та ультраструктурних змін клітини, так і на рівні біохімічних та фізіологічних процесів. Показана участь білків-транспортерів у синтезі та ексудації захисних фітохімічних речовин, які можуть бути модифіковані мікробіомом ґрунту. Сигнальні молекули рослин індукують гіфальне розгалуження мікроміцетів і запускають морфогенез гіф грибів, що передує успішній колонізації. Розглянуто особливості везикулярно-арбускулярної мікоризи, індуковані кореневі ексудати якої сприяють як розвитку мікробних асоціа- цій у ризосфері, так і росту рослин. Взаємодія рослин із ґрунтовими мікроорганізмами відіграє важливу роль у стійкості рослин до важких металів, наприклад за рахунок зменшення їх біодоступності в ґрунті за допомогою різних механізмів. Дослідження кореневих екзометаболітів рослин дасть змогу краще зрозуміти взаємодію рослин із мікроорганізмами, та її екологічну роль у мікробно-рослинних асоціаціях.

Біографії авторів

А.І. Парфенюк, Інститут агроекології і природокористування НААН

доктор біологічних наук, професор

В.В. Бородай, Інститут агроекології і природокористування НААН

доктор сільськогосподарських наук, доцент

Ю.А. Туровнік, Інститут агроекології і природокористування НААН

доктор філософії

Посилання

Kong, X.X., Luo, L.D., Zhao, J.J. et al. (2019). Expression of Frigida in root inhibits flowering in Arabidopsis thaliana. Journal of Experimental Botany, 70, 5101–5114. DOI: http://doi.org/10.1093/jxb/erz287 [in English].

Turovnik, Y.A., Parfenyuk, A.I., Demyanyuk, O.S. & Beznosko, I.V. (2020). Korenevi ekzometabolity roslyn sonyashnyku yak faktor vplyvu na zhyttyezdatnist’ fitopatohennoho hryba Alternaria alternata (Fr.) Keiss. [Root exometabolites of sunflower plants as a factor affecting the viability of the phytopathogenic fungus Alternaria Alternata (Fr.) Keiss.]. Zbalansovane pryrodokorystuvannya — Balanced nature management, 1, 102–107. DOI: https://doi.org/10.33730/2310-4678.1.2020.203937 [in Ukrainian].

Shrestha, A., Grimm, M., Ojiro, I. et al. (2020). Impact of Quorum Sensing Molecules on Plant Growth and Immune System. Frontiers in Microbiology, 11, 1545. DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.01545 [in English].

Scavo, A., Restuccia, A. & Mauromicale, G. (2018). Allelopathy: Principles and Basic Aspects for Agroecosystem Control. Springer – Sustainable Agriculture Reviews, 28. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-90309-5_2 [in English].

Zaimenko, N.V. (Ed.). (2021). Suchasni metody v alelopatychnykh doslidzhenniakh. Metodychnyi posibnyk [Modern methods in allelopathic research. Methodical manual]. Kyiv [in Ukrainian].

Li, B., Li, Y.Y., Wu, H.M. et al. (2016). Root exudates drive interspecific facilitation by enhancing nodulation and N2 fixation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 113, 6496–6501. DOI: http://doi.org/10.1073/pnas.1523580113 [in English].

Kong, C.H., Zhang, S.Z., Li, Y.H. et al. (2018). Plant neighbor detection and allelochemical response are driven by root-secreted signaling chemicals. Nature Communications, 9, 3867. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-018-06429-1 [in English].

Novoplansky, A. (2019). What plant roots know? Seminars in Cell & Developmental Biology, 92, 126–133. DOI: http://doi.org/10.1016/j.semcdb.2019.03.009 [in English].

Zhalnina, K., Louie, K.B., Hao, Z. et al. (2018). Dynamic root exudate chemistry and microbial substrate preferences drive patterns in rhizosphere microbial community assembly. Nature Microbiology, 3, 470–480. DOI: http://doi.org/10.1038/s41564-018-0129-3 [in English].

Jacoby, R.P., Chen, L., Schwier, M. et al. (2020). Recent advances in the role of plant metabolites in shaping the root microbiome. F1000Research, F1000, Faculty Rev-151. DOI: https://doi.org/10.12688/f1000research.21796.1 [in English].

Vranova, V., Rejsek, K., Skene, K.R. et al. (2013). Methods of collection of plant root exudates in relation to plant metabolism and purpose: a review. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 176, 175–199. DOI: https://doi.org/10.1002/jpln.2010003 [in English].

Pausch, J. & Kuzyakov, Y. (2018). Carbon input by roots into the soil: quantification of rhizodeposition from root to ecosystem scale. Global Change Biology, 24, 1–12. DOI: http://doi.org/10.1111/gcb.13850 [in English].

Di Benedetto, N.A., Corbo, M.R., Campaniello, D. et al. (2017). The role of plant growth promoting bacteria in improving nitrogen use efficiency for sustainable crop production: a focus on wheat. AIMS Microbiology, 3, 413–434. DOI: https://doi.org/10.3934/microbiol.2017.3.413 [in English].

Benocci, T., Aguilar-Pontes, M.V., Zhou, M. et al. (2017). Regulators of plant biomass degradation in ascomycetous fungi. Biotechnology for Biofuels and Bioproducts, 10, 152. DOI: https://doi.org/10.1186/s13068-017-0841-x [in English].

Lakshmanan, V., Selvaraj, G. & Bais, H.P. (2014). Functional soil microbiome: belowground solutions to an aboveground problem. Journal of Plant Physiology, 166, 689–700. DOI: http://doi.org/10.1104/pp.114.245811 [in English].

Catherine, M.-B. & Joel, L.S. (2018). Symbiotic nitrogen fixation by rhizobia — the roots of a success story. Plant Journal, 44, 7–15. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pbi.2017.12.001 [in English].

Jiao, Y., Wang, E., Chen, W. & Smith, D.L. (2017). Complex interactions in legume/cereal intercropping system: role of root exudates in rootto-root communication. bioRxiv, 097584. DOI: https://doi.org/10.1101/097584 [in English].

Rizaludin, M.S., Stopnisek, N., Raaijmakers, J.M. & Garbeva, P. (2021). The Chemistry of Stress: Understanding the 'Cry for Help' of Plant Roots. Metabolites, 11 (6), 357. DOI: https://doi.org/10.3390/metabo11060357 [in English].

Sohrabi, R., Ali, T., Harinantenaina Rakotondraibe, L. & Tholl, D. (2017). Formation and exudation of non-volatile products of the arabidiol triterpenoid degradation pathway in Arabidopsis roots. Plant Signaling and Behavior, 12, 1265722. DOI: https://doi.org/10.1080/15592324.2016.1265722 [in English].

Ruiz, C., Nadal, A., Foix, L. et al. (2018). Diversity of plant defense elicitor peptides within the Rosaceae. BMC Genetics, 19, 1–11. DOI: https://doi.org/10.1186/s12863-017-0593-4 [in English].

Peyraud, R., Dubiella, U., Barbacci, A. et al. (2017). Advances on plant-pathogen interactions from molecular toward systems biology perspectives. The Plant journal: for cell and molecular biology, 90, 720–737. DOI: https://doi.org/10.1111/tpj.13429 [in English].

Rosier, A., Medeiros, F.H. & Bais, H.P. (2018). Defining plant growth promoting rhizobacteria molecular and biochemical networks in beneficial plant-microbe interactions. Plant Soil, 428, 35–55. DOI: https://doi.org/10.1007/s11104-018-3679-5 [in English].

Parfenyuk, A.I. (2017). Sort roslyn yak chynnyk biolohichnoyi bezpeky v ahrotsenozakh Ukrayiny [Plant variety as a factor of biological safety in agrocenoses of Ukraine]. Ahroekolohichnyi zhurnal — Agroecological journal, 2, 155–163 [in Ukrainian].

Rasmann, S., Bennett, A., Biere, A. et al. (2017). Root symbionts: powerful drivers of plant aboveand belowground indirect defences. Insect Science, 24, 947–960. DOI: https://doi.org/10.1111/1744-7917.12464 [in English].

Amb, M.K. & Ahluwalia, A.S. (2016). Allelopathy: potential role to achieve new milestones in rice cultivation. Rice Science, 23, 165–183. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rsci.2016.06.001 [in English].

Bais, H.P., Tiffony, L., Weir, L.T. et al. (2006). The role of root exudates in rhizosphere interactions with plant and other organisms. Annual Review of Plant Biology, 57, 233–266. DOI: https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.57.032905.105159 [in English].

Miozzi, L., Vaira, A.M., Catoni, M. et al. (2019). Arbuscular mycorrhizal symbiosis: plant friend or foe in the fight against viruses? Frontiers in Microbiology, 10, 1238. DOI: http://doi.org/10.3389/fmicb.2019.01238 [in English].

Zúñiga, A., Donoso, R.A., Ruiz, D. et al. (2017). QuorumSensing systems in the plant growth-promoting bacterium Paraburkholderia phytofirmans PsJN exhibit cross-regulation and are involved in biofilm formation. Molecular Plant-Microbe Interactions, 30, 557–565. DOI: https://doi.org/10.1094/MPMI-01-17-0008-R [in English].

McCormick, S. (2018). Rhizobial strain-dependent restriction of nitrogen fixation in a legume-rhizobium symbiosis. Plant Journal, 93, 3–4. DOI: http://doi.org/10.1111/tpj.13791 [in English].

Arunachalam, S., Schwinghamer, T., Dutilleul, P. & Smith, D.L. (2018). Multiyear effects of biochar, lipo-chitooligosaccharide, thuricin 17, and experimental bio-fertilizer for switchgrass. Agronomy Journal, 110, 77–84. DOI: https://doi.org/10.2134/agronj2017.05.0278 [in English].

Jiang, D., Tan, M., Wu, S. et al. (2021). Defense responses of arbuscular mycorrhizal fungus-colonized poplar seedlings against gypsy moth larvae: a multiomics study. Horticultural Research, 8, 245. DOI: https://doi.org/10.1038/s41438-021-00671-3 [in English].

Ahemad, M. & Khan, M.S. (2011). Effect of pesticides on plant growth promoting traits of green gram-symbiont, Bradyrhizobium sp. strain MRM6. Bull Environ Contam Toxicol, 86, 384–388. DOI: https://doi.org/10.1007/s00128-011-0231-1 [in English].

Tiwari, S. & Lata, C. (2018). Heavy Metal Stress, Signaling, and Tolerance Due to Plant-Associated Microbes: An Overview. Frontiers in Plant Science, 9, 452. DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00452 [in English].

Chauhan, D., Yadav, V., Vaculík, M. et al. (2021). Aluminum toxicity and aluminum stress-induced physiological tolerance responses in higher plants. Critical Reviews in Biotechnology, 41, 715–730. DOI: https://doi.org/10.1080/07388551.2021.1874282 [in English].

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-09-06

Номер

№ 3 (2022)

Розділ

Статті

Ліцензія

Авторське право і ліцензування

Умови ліцензії: автори зберігають авторські права і надають журналу право першої публікації з роботою, одночасно ліцензованої за ліцензією Creative Commons Attribution License International CC-BY, яка дозволяє іншим ділитися роботою з визнанням авторства роботи і початкової публікації в цьому журналі.

Якщо стаття прийнята до публікації в «Агроекологічний журнал», автор повинен підписати угоду про передачу авторських прав. Угода відправляється на поштову (оригінал) або адресу електронної пошти (відсканована копія) редакції журналу.

Цією угодою автор підтверджує, що представлені матеріали:

  • не порушують авторських прав інших осіб або організацій;
  • раніше не публікувались в інших видавництвах і не були представлені для публікації в інших виданнях.

Автор передає редакції «Агроекологічного журналу» права на:

  • публікації статті українською (англійською та російською) мовою і поширення її друкованої копії;
  • поширення електронної копії статті, а також електронної копії перекладу статті на англійську мову (для статей українською та російською мовами), будь-якими електронними засобами (розміщення на офіційному сайті журналу, електронних баз даних, сховищ тощо) друкована копія перекладу.

Автор залишає за собою право без згоди редакції та засновників:

  1. Використовувати матеріали статті повністю або частково в ознайомлювальних цілях.
  2. Використовувати матеріали статті повністю або частково для написання власних дисертацій.
  3. Використовувати матеріали статті для підготовки тез доповідей, доповідей конференцій, а також усних доповідей.
  4. Додати електронні копії статті (включаючи остаточну електронну копію, завантажену з офіційного сайту журналу) за адресою:
    • персональні веб-ресурси всіх авторів (веб-сайти, веб-сторінки, блоги тощо);
    • веб-ресурси установ, в яких працюють автори;
    • некомерційні веб-ресурси відкритого доступу (наприклад, arXiv.org).

У всіх випадках наявність бібліографічного посилання на статтю або гіперпосилання на її електронну копію на офіційному сайті журналу є обов'язковим.