Relationship between the level of carbohydrates and susceptibility of yellow lupin embryo axes to Fusarium oxysporum SCHLECHT. f. sp. lupini infection

The aim of the studies was to examine whether carbohydrates being an important nutritious agent and releasing a metabolic signal may play an essential role in plant resistance to fungal infections. At the early stages of seed germination in legume plants there occurs an intensive carbohydrate consumption for respiratory processes. A significant loss of carbohydrates in the germinating seed axis leads to the so-called carbohydrate starvation, which lasts up to the moment before the developing seedling starts independent sugar synthesis. Contemporary breeding cultivars of yellow lupin are especially subjected to carbohydrate starvation, because their selection conducted with the aim to increase protein content, has consequently caused a simultaneous drop in soluble sugars in seeds. In the earliest period of development, unfavourable environmental conditions as well as deep sowing are conducive to the occurrence of fungal infections. The most common fungal diseases of seedlings are fusarioses, the first symptons of which are visible already at the time of plant emergence. So, it seems that the level of carbohydrates in seeds may play an important role in plant defense against diseases. Assuming that plants have developed a wide range of constitutive and induced defense mechanisms preventing or restricting pathogen invasion, the purpose of the present studies was to determine whether the level of carbohydrates influences plant response at the moment of pathogenic fungal attack. Since it is known that one of the first plant cell responses to pathogen invasion is the so- called oxidative burst generating free radicals, the present paper contains results of determinations of the level of free radicals and Mn⁺² ions in yellow lupin embryo axes infected with Fusarium oxyspomm f. sp. lupini. The experiments were performed on the embryo axes of yellow lupin, which after the infection were cultured in vitro for 24-96 hours on medium with 60 mmol・dm⁻³ sucrose and without sugar. Results of free radical measurements made by EPR method have showed the presence of free radicals the level of which was higher in the embryo axes infected with the spores of Fusarium oxysporum f. sp. lupini than in the noninfected material. Comparing also the free radical concentration in the material infected with Fusarium oxyspomm f. sp. lupini cultured under different trophic conditions, it has been found that the free radical level in the lupin embryo axes increased at the lack of carbohydrates. Lupin embryo axes cultured on medium with sucrose have been found to have an increase of Mn⁺² ions concentration under the influence of infection, particularly after 76 and 96 hours of culture. The obtained results suggest that the resistance mechanism of sugar-fed tissues consists in levelling free radical toxic effect.

Celem badań było sprawdzenie czy węglowodany będące ważnym czynnikiem odżywczym oraz wyzwalające sygnał metaboliczny mogą odgrywać istotną rolę w odporności roślin na infekcje grzybowe. We wczesnych fazach kiełkowania nasion roślin motylkowych następuje intensywne zużycie węglowodanów do procesów oddechowych. Znaczny ubytek węglowodanów w osi kiełkującego nasienia prowadzi do tzw. głodu węglowodanowego, który trwa aż do momentu zanim rozwijająca się siewka rozpocznie samodzielną syntezę cukrów. Na głód ten narażone są szczególnie współcześnie hodowane odmiany łubinu żółtego, których selekcja prowadzona pod kątem zwiększenia poziomu białek spowodowała równoległy spadek cukrów rozpuszczalnych w nasionach. W tym najwcześniejszym okresie rozwoju, niekorzystne warunki środowiskowe oraz głęboki siew nasion sprzyjają rozwojowi infekcji grzybowych. Najczęściej występującymi chorobami grzybowymi siewek są fuzariozy, których pierwsze objawy są widoczne już w czasie wschodów roślin Wydaje się zatem, że poziom węglowodanów w nasionach może odgrywać ważną rolę w obronie organizmu przed chorobami. Przyjmując, że rośliny stosują szeroki arsenał konstytutywnych i indukowanych mechanizmów obronnych zapobiegających lub ograniczających inwazję patogenów, celem niniejszej pracy było określenie czy poziom węglowodanów wpływa na reakcje roślin w chwili ataku grzybów chorobotwórczych. Ponieważ wiadomym jest, że jedną z pierwszych odpowiedzi komórek roślinnych na inwazję patogena jest tzw. wybuch tlenowy generujący wolne rodniki, w niniejszej pracy przedstawiono wyniki oznaczeń poziomu wolnych rodników i jonów Mn⁺² w osiach zarodkowych łubinu żółtego infekowanych Fusarium oxysporum f. sp. lupini. Doświadczenia przeprowadzono na osiach zarodkowych łubinu żółtego, które po infekcji hodowano w czasie od 24 do 96 godzin in vitro na pożywce z 60 mmol・dm⁻³ sacharozy i bez cukru. Wyniki pomiaru wolnych rodników metodą EPR wykazały obecność wolnego rodnika, którego poziom w osiach zarodkowych infekowanych zarodnikami Fusarium oxysporum f. sp. lupini był wyższy w stosunku do materiału nieinfekowanego. Porównując także stężenie wolnego rodnika w materiale infekowanym Fusarium oxysporum f. sp. lupini hodowanym w różnych warunkach troficznych stwierdzono, że przy braku węglowodanów następował w osiach zarodkowych łubinu wzrost poziomu wolnego rodnika. W osiach zarodkowych łubinu hodowanych na pożywce z sacharozą stwierdzono wzrost stężenia jonów Mn⁺² pod wpływem infekcji, szczególnie po 72 i 96 godzinach hodowli. Uzyskane wyniki sugerują, że mechanizm odporności tkanek odżywionych cukrem, polega na niwelowaniu toksycznego działania wolnych rodników.