Fusarium verticillioides 感染に対する 2 種類のトウモロコシ交配種の抵抗性の基礎レベルに関する生理学的および生化学的な洞察

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Plant Physiol. Biochem..2020 May;152:194-210. S0981-9428(20)30205-9. doi: 10.1016/j.plaphy.2020.04.036.Epub 2020-05-11.

Fusarium verticillioides 感染に対する 2 種類のトウモロコシ交配種の抵抗性の基礎レベルに関する生理学的および生化学的な洞察

Physiological and biochemical insights into the basal level of resistance of two maize hybrids in response to Fusarium verticillioides infection.

Isaias S Cacique
Luiz F C C Pinto
Carlos E Aucique-Pérez
João A Wordell Filho
Fabrício A Rodrigues

PMID: 32422536 DOI: 10.1016/j.plaphy.2020.04.036.

抄録

Fusarium verticillioides による Fusarium stalk rot (FSR) は、世界的にトウモロコシの収量に影響を与える最も破壊的な病害の一つである。本研究では、葉面の純炭素同化率（A）、気孔の水蒸気コンダクタンス（g）、蒸散速度（E）、内部CO濃度（C）を評価し、酵素（キチナーゼ（CHI）、β-1-3-グルカナーゼ(GLU),フェニルアラニンアンモニアリアーゼ(PAL),ポリフェノールオキシダーゼ(PPO),カタラーゼ(CAT),アスコルビン酸ペルオキシダーゼ(APX),ペルオキシダーゼ(POX))の活性と全可溶性フェノール(TSP)の濃度を評価した。リグニン・チオグリコール酸（LTGA）誘導体およびマロンジアルデヒド（MDA）について，中等度耐性（BRS 1035）および感受性（30F35Y）のトウモロコシ交配種の植物の節間および節間を対象に評価した。その結果，30F35Yに比べてBRS 1035では，接種後30日目に上向き相対病変長（URLL）が46％，放射性真菌コロニー化（RFC）が29％低下した。また，両雑種ともにA，g，E値は有意に低下したが，C値は非接種植物と比較して感染葉で増加した。BRS 1035雑種からの接種植物は、30F35Y雑種からの接種植物に比べてA値が増加し、30ダイでのC値の増加は、BRS 1035雑種からの接種植物に比べて30F35Y雑種からの接種植物の方が大きかった。CHI、GLU、PPO、CAT、APXおよびPOX活性は、両ハイブリッドの接種植物では、非接種植物に比べて増加した。間節領域では，30F35Y株よりもBRS 1035株の方が，CHI（F. verticillioidesの感染過程）およびGLU（F. verticillioidesの感染初期）の活性の上昇が顕著であった。また、節間領域では、CHI（F. verticillioides感染過程）、PAL（20代）、PPO（30代）、CAT、POX（いずれも3代）の活性が30F35Y株よりもBRS 1035株の方が顕著であった。また，30代でのTSP濃度が低いことは，30F35Y株に比べてBRS 1035株の方がLTGA誘導体の濃度が高いことと関連していることが示唆された。以上の結果から、F. verticillioides による感染は、トウモロコシの茎の生理的・生化学的変化を誘発し、葉の光合成に影響を与えていると結論づけられた。活性酸素種除去のためのより強固な抗酸化代謝と防御酵素の効率的かつ強力な活性が、F. verticillioides 感染による細胞損傷を最小限に抑え、結果として FSR に対するトウモロコシの抵抗性が向上した。

Fusarium stalk rot (FSR), caused by Fusarium verticillioides, is one of the most destructive diseases impacting maize yield worldwide. In this study, net carbon assimilation rate (A), stomatal conductance to water vapor (g), transpiration rate (E), and internal CO concentration (C) were evaluated on leaves and the activities of enzymes (chitinase (CHI), β-1-3-glucanase (GLU), phenylalanine ammonia-lyase (PAL), polyphenoloxidase (PPO), catalase (CAT), ascorbate peroxidase (APX), peroxidase (POX)) as well the concentrations of total soluble phenolics (TSP), lignin-thioglycolic acid (LTGA) derivatives, and malondialdehyde (MDA) were evaluated in the internodes and nodes of plants from maize hybrids moderately resistant (BRS 1035) and susceptible (30F35Y) to FSR. The upward relative lesion length (URLL) and radial fungal colonization (RFC) were 46 and 29% lower for the BRS 1035 hybrid in comparison to 30F35Y hybrid, respectively, at 30 after inoculation (dai). For both hybrids, A, g, and E values significantly decreased while the C values increased on infected leaves compared to noninoculated plants. Inoculated plants from BRS 1035 hybrid showed an increase in A compared to inoculated plants from 30F35Y hybrid, and the increase in C values was greater for plants from 30F35Y hybrid at 30 dai compared to plants from BRS 1035 hybrid. The CHI, GLU, PPO, CAT, APX, and POX activities increased for inoculated plants from both hybrids compared to the noninoculated plants. In the internodes region, the increase in the activities of CHI (during the infection process of F. verticillioides) and GLU (at earlier stages of F. verticillioides infection) was more pronounced for plants from BRS 1035 hybrid than for plants from 30F35Y hybrid. In the region of the nodes, activities of CHI (during the infection process of F. verticillioides), PAL (at 20 dai), PPO (at 30 dai), and CAT and POX (both at three dai) were more pronounced for plants from BRS 1035 hybrid than for plants from 30F35Y hybrid. In the internodes region, the lower TSP concentration at 30 dai was linked to a high concentration of LTGA derivatives for inoculated plants from BRS 1035 hybrid compared to inoculated plants from 30F35Y hybrid. Taking together, the results of the present study allowed to conclude that the infection by F. verticillioides triggered physiological and biochemical changes on the stalk of maize plants influencing photosynthesis on leaves. A more robust antioxidative metabolism for reactive oxygen species removal in association with an efficient and strong activity of defense enzymes helped to minimize the cellular damage caused by F. verticillioides infection resulting, therefore, in an increase in maize resistance to FSR.