ВПЛИВ ХІТОЗАНІВ НА ДИНАМІКУ ВМІСТУ ФЕНОЛЬНИХ СПОЛУК У ЛИСТКАХ ТОМАТІВ
DOI:
https://doi.org/10.31861/biosystems2023.02.149Ключові слова:
хітозан, рутин, хлорогенова кислота, кавова кислота, томатиАнотація
Мета цієї роботи полягала у вивченні впливу хітозанів різної молекулярної маси на динаміку вмісту фенольних сполук у рослин томатів сорту ‘Загадка’. В експерименті досліджували рослини томатів, які обробляли хітозаном з молекулярною масою 50-190 kDa і 310–375 kDa. За допомогою методу високоефективної тонкошарової хроматографії (HPTLC) виконали біохімічне профілювання екстрактів досліджуваних рослин. Виявлено відмінності у первинних реакціях рослин на хітозани різної молекулярної маси. Низькомолекулярний хітозан викликав суттєве збільшення вмісту фенолів і, відповідно, підвищував антиоксидантний потенціал тканин листків. Збільшення вмісту фенолів у відповідь на дію низькомолекулярного хітозану відбувається через активацію фенілпропаноїдного синтезу і збільшення загального антиоксидантного потенціалу, що свідчить про мобілізацію рослинного організму проти потенційного патогена. Так, через годину після обробки рослин розчином низькомолекулярного хітозану вміст рутину у листках становив 3,36 мг/г, а вже за 18 год – 5,56 мг/г. Вміст хлорогенової і кавової кислот у листках зростав за 12 год. За 18 год вміст хлорогеної кислоти становив 1,64 мг/г, а кавової кислоти – 0,18 мг/г. Це може бути пов'язано з поступовим розкладання хлорогенової кислоти на складові компоненти під впливом низькомолекулярного хітозану, яке супроводжується вивільненням кавової кислоти. Встановлено позитивну кореляцію між пулом хлорогенової і кавової кислоти (r = 0,995; р < 0,06). Отже в залежності від молекулярної маси хітозан викликає у рослини томатів значні зміни у синтезі фенілпропаноїдів і біохімічну трансформацію складних і простих ефірів гідроксикоричних кислот.
Розчин високомолекулярного хітозану викликав у листках томатів зменшення кількості сполук з високим антиоксидантним потенціалом, що вказує на активацію іншої системи захисту рослин. Вміст рутину в листках за обробки високомолекулярним хітозаном через 18 годин становив 1,32 мг/г, що в чотири рази менше порівняно з обробкою рослин низькомолекулярним хітозаном. Водночас у відповідь на обробку високомолекулярним хітозаном в листках суттєво зростав вміст кавової кислоти. Зниження вмісту фенолів пов’язано з ізоляції тканин від потенційної загрози, яка спрямована на її нейтралізацію. Результатом такої реакції є окиснення фенольних сполук, додаткова лігніфікація і суберинізація клітинних стінок. Активація в рослиннному організмі вже в перші години після оброки низькомолекулярним або високомолекулярним хітозаном різних реакцій індукованого імунітету вказує на існування системи диференціального розпізнавання рослинами складних біполімерів.
Посилання
Adamuchio-Oliveira L. G., Mazaro S. M., Mógor G., et al. Chitosan associated with chelated copper applied on tomatoes: enzymatic and anatomical changes related to plant defense responses. Scientia Horticulturae. 2020; 271: 109431. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2020.1094
Aktuganov G., Melent'ev A. Specific features of chitosan depolymerization by chitinases, chitosanases, and nonspecific enzymes in the production of bioactive chitooligosaccharides (Review). Applied Biochemistry and Microbiology. 2017; 53: 611-627. https://doi.org/10.1134/S0003683817060023.
Andersen E.J., Ali S., Byamukama E., Yen Y., Nepal MP. Disease Resistance Mechanisms in Plants. Genes (Basel). 2018; 9 (7): 339. https://doi.org/10.3390/genes9070339.
Badawy M. E. I., Rabea E. I. Potential of the biopolymer chitosan with different molecular weights to control postharvest gray mold of tomato fruit. Postharvest Biology and Technology. 2009; 51(1): 110–117. https://doi.org/10.1016/j.postharvbio.2008.
Bhaskara Reddy M. V., Arul J., Angers P., Couture, L. Chitosan Treatment of Wheat Seeds Induces Resistance toFusarium graminearumand Improves Seed Quality. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 1999; 47(3): 1208–1216. https://doi.org/10.1021/jf981225k
Chien P.J., Sheu F., Lin H.R. Coating citrus (Murcott tangor) fruit with low molecular weight chitosan increases postharvest quality and shelf life. Food Chemistry. 2007; 100(3): 1160–1164. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2005.10.
Coqueiro D. S. O., Maraschin M., Piero R. M. D. Chitosan Reduces Bacterial Spot Severity and Acts in Phenylpropanoid Metabolism in Tomato Plants. Journal of Phytopathology. 2011; 159(7-8): 488–494. https://doi.org/10.1111/j.1439-0434.2011.01791.x
Davydova V., Yermak I., Gorbach V.I., Krasikova I.N., Solov'eva T. Interaction of Bacterial Endotoxins with Chitosan. Effect of Endotoxin Structure, Chitosan Molecular Mass, and Ionic Strength of the Solution on the Formation of the Complex. Biochemistry. Biokhimii͡a. 2000; 65: 1082-90.
Develey-Rivière M.-P., Galiana E. Resistance to pathogens and host developmental stage: a multifaceted relationship within the plant kingdom. New Phytologist. 2007; 175(3): 405–416. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2007.02130.x
Dubin A., Likhanov A., Klyachenko O., Subin A., Kluvadenko A. Effect of chitosan formulations of different biological origin on tobacco (Nicotiana tabacum L.) PR-genes expression. J Microbiol Biotech Food Sci. 2020; 9(6): 1141-1144. https://doi.org/10.15414/jmbfs.2020.9.6.1047-1052
Dutta P.K., Dutta J., Tripathi V.S. Chitin and chitosan: Chemistry, properties and applications. Journal of Scientific and Industrial Research. 2004; 63: 20-31.
Escamilla-Treviño L. L., Shen H., et al. Early lignin pathway enzymes and routes to chlorogenic acid in switchgrass (Panicum virgatum L.). Plant Molecular Biology. 2013: 84(4-5): 565–576. https://doi.org/10.1007/s11103-013-0152-y
Grennan A.K. Plant response to bacterial pathogens. Overlap between innate and gene-for-gene defense response. Plant Physiol. Nov. 2006; 142(3): 809-11. https://doi.org/10.1104/pp.106.900207.
Hammond-Kosack K. E. Resistance Gene-Dependent Plant Defense Responses. The Plant Cell Online. 1996; 8(10): 1773–1791. https://doi.org/10.1105/tpc.8.10.1773.
Hassan O., Chang T. Chitosan for Eco-friendly Control of Plant Disease. Plant Pathol. 2017; 11(2): 53-70.
Isah T. Stress and defense responses in plant secondary metabolites production. Biological Research. 2019; 52(1). https://doi.org/10.1186/s40659-019-0246-3
Jones J. D. G., Dangl J. L. The plant immune system. Nature. 2006; 444(7117): 323–329. https://doi.org/10.1038/nature05286
Kannojia P., Sharma P. K., Kashyap K. A., et al. Microbe-Mediated Biotic Stress Management in Plants Plant-Microbe. Interactions in Agro-Ecological. 2017; 26: 627-648. https://doi.org/10.1007/978-981-10-6593-4_26
Kim S. Competitive Biological Activities of Chitosan and Its Derivatives: Antimicrobial, Antioxidant, Anticancer, and Anti-Inflammatory Activities. International Journal of Polymer Science. 2018: 1–13. https://doi.org/10.1155/2018/1708172
Kolomiiets Y.V., Grygoryuk I.P., Butsenko L.M. Bacterial diseases of tomato plants. Monograph. Кyiv: CP Кomprynt, 2018, 348 p.
Krylov V. B., Nifantiev N. E. Synthetic Oligosaccharides Mimicking Fungal Cell Wall Polysaccharides. Current Topics in Microbiology and Immunology. 2019; https://doi.org/10.1007/82_2019_187
Li Y., Beisson F., Koo A. J. K., et al. Identification of acyltransferases required for cutin biosynthesis and production of cutin with suberin-like monomers. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2007; 104 (46): 18339–18344. https://doi.org/10.1073/pnas.0706984104
Miao M., Xiang L. Pharmacological action and potential targets of chlorogenic acid. Advances in Pharmacology. 2020; https://doi.org/10.1016/bs.apha.2019.12.002
Naikoo M. I., Dar M. I., Raghib F., et al. Role and Regulation of Plants Phenolics in Abiotic Stress Tolerance. Plant Signaling Molecules. 2019; 157–168. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-816451-8.00009-5
Nicole M., Toppan A., Geiger J. P., et al. Defense responses of Hevea brasiliensis to elicitors from root rot fungi. Canadian Journal of Botany. 1991; 69(8): 1819–1824. https://doi.org/10.1139/b91-231
Niggeweg R., Michael A. J., Martin C. Engineering plants with increased levels of the antioxidant chlorogenic acid. Nature Biotechnology. 2004; 22(6): 746–754. https://doi.org/10.1038/nbt966
Patel K., Patel D. K. The Beneficial Role of Rutin, A Naturally Occurring Flavonoid in Health Promotion and Disease Prevention: A Systematic Review and Update. Bioactive Food as Dietary Interventions for Arthritis and Related Inflammatory Diseases. 2019; 457–479. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-813820-5.00026-x
Raafat D., Sahl H.-G. Chitosan and its antimicrobial potential - a critical literature survey. Microbial Biotechnology. 2009; 2(2): 186–201. https://doi.org/10.1111/j.1751-7915.2008.00080.x
Ranathunge K., Thomas R. H., Fang X., et al. Soybean Root Suberin and Partial Resistance to Root Rot Caused by Phytophthora sojae. Phytopathology. 2008; 98(11): 1179–1189. https://doi.org/10.1094/phyto-98-11-1179
Ride J. P. Lignification in wounded wheat leaves in response to fungi and its possible role in resistance. Physiological Plant Pathology. 1975; 5(2): 125–134.
Shetty R., Frette X., Jensen B., et al. Silicon-Induced Changes in Antifungal Phenolic Acids, Flavonoids, and Key Phenylpropanoid Pathway Genes during the Interaction between Miniature Roses and the Biotrophic Pathogen Podosphaera pannosa. Plant Physiology. 2011; 157 (4): 2194–2205. https://doi.org/10.1104/pp.111.185215
Singh D. P., Singh A. Disease and insect resistance in plants. Enfield. Science Publishers Inc. 2005.
Subin O.V., Likhanov A.F., Sereda O.V., et al. Dynamics of phenolic compounds in leaves Fragaria ananassa Duch. after treatment with different forms of chitosan. BioTechnologia. 2020; 101(3): 227-237. https://doi.org/10.5114/bta.2020.97881
Tanase C., Bujor O.-C., Popa V.I. Phenolic Natural Compounds and Their Influence on Physiological Processes in Plants. In Polyphenols in Plants, 2nd ed.; Watson, R.R., Ed.; Academic Press: Cambridge, MA, USA. 2019. 45–58.
Thakur M., Sohal B. Role of Elicitors in Inducing Resistance in Plants against Pathogen Infection: A Review. ISRN Biochemistry. 2013: 1-10.
Thakur M., Sohal B. S. Role of Elicitors in Inducing Resistance in Plants against Pathogen Infection: A Review. ISRN Biochemistry. 2013; 1–10. https://doi.org/10.1155/2013/762412
Dixon R. et al. The phenylpropanoid pathway and plant defence - a genomics perspective. Molecular Plant Pathology. 2002; 3 (5): 371-390.
Xing K., Zhu X., Peng X., Qin S. Chitosan antimicrobial and eliciting properties for pest control in agriculture: a review. Agronomy for Sustainable Development. 2014; 35(2): 569–588. https://doi.org/10.1007/s13593-014-0252-3
Zhang D.L., Quantick P.C. Effects of chitosan coating on enzymatic browning and decay during postharvest storage of litchi (Litchi chinensis Sonn.) fruit. Postharvest Biol Technol. 1997; 12: 195–202.
Borodai V.V., Subin O.V., Likhanov A.F. Study of the antimicrobial effect of chitosan and biologically active compositions based on it. Biological Systems: Theory & Innovation. 2020, Vol. 11(4), 18-25. http://dx.doi.org/10.31548/biologiya2020.04.002
Tkalenko G. M. (2012) Protection of tomatoes from diseases in closed soil. Agrobusiness today. No. 23. P. 27–31.
