Relationship between the Composition of Root Exsudates and the Efficiency of Interaction of Wheat Plants with Microorganisms

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Plant roots secrete various organic substances into the rhizosphere, which are a source of nutrition for microorganisms and largely determine the nature of plant-microbe interactions. The composition of the main fractions of root exudates in ten modern varieties of wheat was determined: amino acids, organic acids and sugars. Reliable qualitative and quantitative differences between varieties for individual components of exudates were revealed, which determined the peculiarities of cultivar clustering on this trait. Relationships between exudation and the effectiveness of plant interaction with the growth-promoting rhizobacterium Pseudomonas fluorescens SPB2137 and the phytopathogenic fungus Fusarium culmorum 30 in laboratory systems, as well as with the resistance of varieties to diseases in the field, were found. The number of P. fluorescens SPB2137 in the root zone positively correlated with the amount of many amino acids, as well as maltose, secreted by the roots. The stimulating effect of rhizobacteria on root growth positively correlated with the amount of released glucose and melibiose. The relationship between the nature of root exudation and root colonization or the susceptibility of varieties to F. culmorum 30 was not found. The analysis of correlations between the incidence of wheat varieties in the field and the intensity of exudation of certain substances, as well as with the biocomposition index of amino acid exudation, was carried out. The role of root exudate components in the formation of effective plant-microbial systems is discussed.

About the authors

A. I. Shaposhnikov

All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology

Email: belimov@rambler.ru
Russia, 196608, St. Petersburg

A. A. Belimov

All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology

Author for correspondence.
Email: belimov@rambler.ru
Russia, 196608, St. Petersburg

T. S. Azarova

All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology

Email: belimov@rambler.ru
Russia, 196608, St. Petersburg

O. K. Strunnikova

All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology

Email: belimov@rambler.ru
Russia, 196608, St. Petersburg

N. A. Vishnevskaya

All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology

Email: belimov@rambler.ru
Russia, 196608, St. Petersburg

N. I. Vorobyov

All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology

Email: belimov@rambler.ru
Russia, 196608, St. Petersburg

O. S. Yuzikhin

All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology

Email: belimov@rambler.ru
Russia, 196608, St. Petersburg

L. A. Bespalova

National Grain Center named after P.P. Lukyanenko,
Central Estate of KNIISH

Email: belimov@rambler.ru
Russia, 350012, Krasnodar Territory, Krasnodar

I. A. Tikhonovich

All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology

Email: belimov@rambler.ru
Russia, 196608, St. Petersburg

References

  1. Byerlee D., Moya P. Impacts of International Wheat Breeding Research in the Developing World, 1966–1990. / Eds. P.W. Heisey, M.A. Lantican, and H.J. Dubin. International Maize and Wheat Improvement Center (CIMMYT), D.F., Mexico, 1993. 87 p.
  2. Pingali P. // PNAS. 2012. V. 109. № 31. P. 12302–12308.
  3. Raeboline A. Nelson L.E., Ravichandran K., Antony U. // J. Ethnic Foods. 2019. V. 6. Article 8. https://doi.org/10.1186/s42779-019-0011-9
  4. Pearce S. // J. Exp. Bot. 2021. V. 72. № 2. P. 157–160.
  5. Sharma R.C., Morgounov A., Akin B., Bespalova L., Lang L., Litvinenko M., et al. // Crop Sci. 2014. V. 54. № 6. P. 2469–2480.
  6. Li S., Zhang C., Li J., Yan L., Wang N., Xia L. // Plant Commun. 2021. V. 2. № 4. P. 100211.
  7. Elkoca E., Turan M., Donmez M.F. // J. Plant Nutr. 2010. V. 33. P. 2104–2119.
  8. Vessey J.K. // Plant Soil. 2003. V. 255. P. 571–586.
  9. Ryan P.R., Dessaux Y., Thomashow L.S., Weller D.M. // Plant Soil. 2009. V. 321. P. 363–383.
  10. Кожемяков А.П., Белоброва С.Н., Орлова А.Г. // Сельскохозяйственная биология. 2011. № 3. С. 112–115.
  11. Chandran H., Meena M., Swapnil P. // Sustainability. 2021. V. 13. Article 10986. https://doi.org/10.3390/su131910986
  12. Beneduzi A., Ambrosini A., Passaglia L.M.P. // Genet. Mol. Biol. 2012. V. 35. P. 1044–1051.
  13. Chaluvadi S., Bennetzen J.L. // Front. Plant Sci. 2018. V. 9. Aricle 1183. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.01183
  14. Kudoyarova G., Arkhipova T., Korshunova T., Bakaeva M., Loginov O., Dodd I.C. // Front. Plant Sci. 2019. V. 10. Article 1368. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.01368
  15. Mohanram S., Kumar P. // Ann. Microbiol. 2019. V. 69. P. 307–320.
  16. Weller D.M., Thomashow L.S. // Molecular Ecology of Rhizosphere Microorganisms. /Eds. O’Gara F., Dowling D.N., Boesten B. Weinheim, New York: VCH Publisher Inc., 1994. P. 1–18.
  17. Whipps J.M. // J. Exp. Bot. 2001. V. 52. P. 487–511.
  18. Belimov A., Kojemiakov, A., Chuvarliyeva C. // Plant Soil. 1995. V. 173. P. 29–37.
  19. Lugtenberg B., Kamilova F. // Annu. Rev. Microbiol. 2009. V. 63. P. 541–556.
  20. Bürgmann H., Meier S., Bunge M., Widmer F., Zeyer J. // Environ. Microbiol. 2005. V. 7. P. 1711–1724.
  21. Lugtenberg B.J.J., Dekkers L., Bloemberg G.V. // Annu. Rev. Phytopathol. 2001. V.39. P. 461–490.
  22. Кравченко Л.В., Азарова Т.С., Леонова–Ерко Е.И., Шапошников А.И., Макарова Н.М., Тихонович И.А. // Микробиология. 2003. Т. 72. № 1. С. 48–53.
  23. de Werra P., Huser A., Tabacchi R., Keel C., Maurhofer M. // Appl. Environ. Microbiol. 2011. V. 77 № 8. P. 2807–2812.
  24. Lynch J.M., Whipps J.M. // Plant Soil. 1990. V. 129. P. 1–10.
  25. Bais H.P., Weir T.L., Perry L.G., Gilroy S, Vivanco J.M. // Ann. Rev. Plant Biol. 2006. V. 57. P. 233–266.
  26. de Weert S., Vermeiren H., Mulders I.H.M., Kuiper I., Hendrickx N., Bloemberg G.V., Vanderleyden J., De Mot R., Lugtenberg B.J.J. // Mol. Plant-Microbe Interact. 2002. V. 15. P. 1173–1180.
  27. Rudrappa T., Czymmek K.J., Pare P.W., Bais H.P. // Plant Physiol. 2008. V. 148. P. 1547–1556.
  28. Ling N., Raza W., Ma J., Huang Q., Shen Q. // Eur. J. Soil Biol. 2011. V. 47. P. 374–379.
  29. Tan S., Yang C., Mei X., Shen S., Raza W., Shen Q., Xu Y. // Appl. Soil Ecol. 2013. V. 64. P. 15–22.
  30. Ren L., Huo H., Zhang F., Hao W., Xiao L., Dong C., Xu G. // Plant Signal. Behav. 2016. V. 11. № 6. Article e1187357. https://doi.org/10.1080/15592324.2016.1187357
  31. Perry L.G, Alford E.R., Horiuchi J., Paschke M., Vivanco J.M. // The Rhizosphere (Second Edition). / Eds. Pinton, R., Varanini, Z., Nannipieri P. Boca Raton, FL: CRC Press, 2007. P. 297–330.
  32. Broeckling C.D., Broz A.K., Bergelson J., Manter D.K., Vivanco J.M. // Appl. Environ. Microbiol. 2008. V. 74. № 3. P. 738–744.
  33. Кравченко Л.В., Шапошников А.И., Макарова Н.М., Азарова Т.С., Львова К.А., Костюк И.И., Ляпунова О.А., Тихонович И.А. // Физиология растений. 2011. Т. 58. № 5. С 1–6.
  34. Stringlis I.A., Yu K., Feussner K., de Jonge R., Van Bentum S., Van Verk M.C., Berendsen R.L., Bakker P.A.H.M., Feussner I., Pieterse C.M.J. // PNAS. 2018. V. 115. № 22. P. E5213–E5222.
  35. Cotton T.E.A., Pe’triacq P., Cameron D.D., Meselmani M.A., Schwarzenbacher R., Rolfe S.A., Ton J. // ISME J. 2019. V. 13. P. 1647–1658.
  36. Huang A.C, Jiang T., Liu Y.X., Bai Y.C., Reed J., Qu B., Goossens A., Nützmann H.W., Bai Y., Osbourn A. // Science. 2019. V. 364. № 6440. eaau6389. https://doi.org/10.1126/science.aau6389
  37. Prudence S.M., Newitt J.T., Worsley S.F., Macey M.C., Murrell J.C., Lehtovirta–Morley L.E., Hutchings M.I. // Environ. Microbiome. 2021. V. 16. Article 12.https://doi.org/10.1186/s40793-021-00381-2
  38. Shi J.B., Gong X.Y., Khashi u Rahman M., Tian Q., Zhou X.G., Wu F.Z. // Plant Soil Environ. 2021. V. 67. P. 721–728.
  39. Owens A.G., Jones D.L. // Soil Biol. Biochem. 2001. V. 33. P. 651–657.
  40. Chen S., Waghmode T.R., Sun R., Kuramae E.E., Hu C., Liu B. // Microbiome. 2019. V. 7. Article 136. https://doi.org/10.1186/s40168-019-0750-2
  41. Hu L., Robert C.A.M., Cadot S., Zhang X., Ye M., Li B., Manzo D., Chervet N., Steinger T., van der Heijden M.G.A., Schlaeppi K., Erb M. // Nat. Commun. 2018. V. 9. Article 2738. https://doi.org/10.1038/s41467-018-05122-7
  42. Belimov A.A., Dodd I.C., Safronova V.I., Shaposhnikov A.I., Azarova T.S., Makarova N.M., Davies W.J., Tikhonovich I.A. // Ann. Appl. Biol. 2015. V. 167. P. 11–25.
  43. Phillips D.A., Fox T.C., King M.D., Bhuvaneswari T.V., Teuber L.R. // Plant Physiol. 2004. V. 136. P. 2887–2894.
  44. Kawasaki A., Dennis P.G., Forstner C., Raghavendra A.K.H., Mathesius U., Richardson A., Delhaize E., Gilliham M., Watt M., Ryan P.R. // Plant Physiol. 2021. V. 187. P. 2279–2295.
  45. Yahya M., Islam E.U., Rasul M., Farooq I., Mahreen N., Tawab A., Irfan M., Rajput L., Amin I., Yasmin S. // Front. Microbiol. 2021. V. 12. Article 744094. https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.744094
  46. Sasse J., Martinoia E., Northen T. // Trends Plant Sci. 2018. V. 25. № 1. P. 25–41.
  47. Tsunoda T., van Dam N.M. // Pedobiologia. 2017. V. 65. P. 58–67.
  48. Pang Z., Chen J., Wang T., Gao C., Li Z., Guo L., Xu J., Cheng Y. // Front. Plant Sci. 2021. V. 12. Article 621276. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.621276
  49. Кравченко Л.В., Макарова Н.М., Азарова Т.С., Проворов Н.А., Тихонович И.А. // Микробиология. 2002. Т. 71. № 4. С. 521–525.
  50. Струнникова О.К., Шахназарова В.Ю., Вишневская Н.А, Ручий А.С, Чижевская Е.П. // Микология и фитопатология. 2013. Т. 47. № 3. С. 196–203.
  51. Мэгарран Э. Экологическое разнообразие и его измерение. М.: Мир, 1992. 184 с.
  52. Городничев Р.М., Пестрякова Л.А., Ушницкая Л.А., Левина С.Н., Давыдова П.В. Методы экологических исследований. Основы статистической обработки данных: учебно-методическое пособие. Якутск: Издательский дом СВФУ, 2019. 94 с.
  53. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. М.: Институт компьютерных исследований, 2002. 656 с.
  54. Сергеев А.П., Тарасов Д.А. Введение в нейросетевое моделирование: учебное плобие Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2017. 128 с.
  55. Гудфеллоу Я., Бенджио И., Курвилль А. Глубокое обучение. М.: ДМК Пресс, 2018. 652 с.
  56. Naher U.A., Radziah O., Halimi M.S., Shamsuddin Z.H., Mohd Razi I. // Res. J. Microbiol. 2008. V. 3. P. 580–587.
  57. Кузмичева Ю.В., Шапошников А.И., Азарова Т.С., Петрова С.Н., Наумкина Т.С., Борисов А.Ю., Белимов А.А. и др. // Физиология растений. 2014. Т. 61. № 1. С. 121–128.
  58. Inceoglu Ö., Salles J.F., van Elsas J.D. // Microb. Ecol. 2012. V. 63. P. 460–470.
  59. Kuzmicheva Y.V., Shaposhnikov A.I., Petrova S.N., Makarova N.M., Tychinskaya I.L., Puhalsky J.V. et al. // Plant Soil. 2017. V. 419. P. 83–96.
  60. Шапошников А.И., Моргунов А., Акин Б., Макарова Н.М., Белимов А.А., Тихонович И.А. // Сельскохозяйственная биология. 2016. Т. 51. № 1. С. 58–78.
  61. Beleggia R., Rau D., Laidò G., Platani C., Nigro F., Fragasso M., De Vita P., Scossa F., Fernie A.R., Nikoloski Z., Papa R. // Mol. Biol. Evol. 2016. V 33. P. 1740–1753.
  62. Iannucci A., Fragasso M., Beleggia R., Nigro F., Papa R. // Front. Plant Sci. 2017. V. 8. Article 2124.https://doi.org/10.3389/fpls.2017.02124
  63. Qu Q., Li Y., Zhang Z., Cui H., Zhao Q., Liu W., Lu T., Qian H. // J. Hazard Mater. 2021. V. 411. Article 125137. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125137
  64. O’Neal L., Vo L., Alexandre G. // Appl. Environ. Microbiol. 2020. V. 86. № 15. Article e01026-20. https://doi.org/10.1128/AEM.01026-20
  65. Цавкелова Е.А., Климова С.Ю., Чердынцева Т.А., Нетрусов Л.И. // Прикл. биохимия и микробиология. 2006. Т. 42. № 2. С. 133–143.
  66. Patten C.L., Blakney A.J., Coulson T.J. // Crit. Rev. Microbiol. 2013. V. 39. № 4. P. 395–415.
  67. Сырова Д.С., Шапошников А.И., Юзихин О.С., Белимов А.А. // Прикл. биохимия и микробиология. 2022. Т. 58. № 1. С. 3–22.
  68. Glick B.R., Biljana T., Czarny J., Cheng Z., Duan J., McConkey B. // Crit. Rev. Plant Sci. 2007. V. 26. P. 227–242.
  69. Богатых Б.А. Фрактальная природа живого: системное исследование биологической эволюции и природы сознания. М.: Книжный дом “ЛИБЕКОМ”, 2012. 256 с.
  70. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. М.: Институт компьютерных исследований, 2002. 656 с.
  71. Гафаров Ф.М., Галимянов А.Ф. Искусственные нейронные сети и приложения: учебное пособие. Казань: Изд-во Казанского университета, 2018. 121 с.
  72. Воробьев Н.И., Селина М.В. // Пермский аграрный вестник. 2021. № 4(36). С. 92–99.
  73. Keller B., Wicker T., Krattinger S.G. // Annu. Rev. Phytopathol. 2018. V. 56. P. 67–87.
  74. Wulff B.B., Krattinger S.G. // Curr. Opin. Biotechnol. 2022. V. 73. P. 270–275.
  75. Dracatos P.M., Haghdoust R., Singh D., Park R.F. // New Phytol. 2018 V. 218. № 2. P. 453–462.
  76. Проворов Н.А., Тихонович И.А., Ворорбьев Н.И. // Генетика. 2016. Т. 52. № 2. С. 137–145.
  77. Rengel Z. // Plant Soil. 2002. V. 245. P. 59–70.
  78. Wang J., Li R., Zhang H., Wei G., Li Z. // BMC Microbiol. 2020. V. 20. Article 38. https://doi.org/10.1186/s12866-020-1708-z

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (68KB)
Indexing metadata
3.

Download (72KB)
Indexing metadata
4.

Download (59KB)
Indexing metadata
5.

Download (387KB)
Indexing metadata
6.

Download (24KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 А.И. Шапошников, А.А. Белимов, Т.С. Азарова, О.К. Струнникова, Н.А. Вишневская, Н.И. Воробьев, О.С. Юзихин, Л.А. Беспалова, И.А. Тихонович

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».