Integrated approach to early detection of cotton disease resistance

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The functional features of the implementation of cotton protective reactions to the most dangerous pathogens, Verticillium dahliae and Fusarium oxysporum, Xanthomonas malvacearum and Rhizoctonia solani – were studied. The hypersensitivity reaction of cotton tissues infected with pathogens was controlled by methods of observing the movement and size of the zone of fluorescent substances and determining the amount of toxic compounds for pathogens – phytoalexins. Infection of cotton with Verticillium dahliae and Fusarium oxysporum already in the first days of incubation led to a bright blue fluorescence that spread upwards towards the growth point of the experimental plants. In cotton infected with Xanthomonas malvacearum and Rhizoctonia solani the color of the fluorescent zones was less intense. The rate of spread through plant tissues, especially at the initial stages of the latent period, was significantly lower. In addition, the content of post-infection inhibitors in the tissues of xylem vessels of cotton infected with gummosis and root rot was recorded at a significantly lower level compared to the experimental plants infected with Fusarium and Verticillium wilt. On the 20th day of incubation, a significant increase in the total content of phytoalexins was noted in experimental cotton plants infected with root rot and gummosis, but the amount of the main phytoalexin – isohemigossypol in the tissues of these plants reached only 50% of the level of samples infected with Fusarium and Verticillium wilt. A comparative analysis of the effect of the studied pathogens on the intensity of the hypersensitivity reaction and the parameters of chlorophyll fluorescence induction indicate the possibility of using these methods at the initial stages of the incubation period in infected plant tissues for early detection of cotton disease resistance. The establishment of a positive correlation between the results of fluorescent analysis and the indicators of the effectiveness of the hypersensitivity reaction indicate the advisability of an integrated approach to assessing the resistance of cotton to pathogens.

About the authors

I. G. Akhmedzhanov

Institute of Biophysics and Biochemistry at the National University of Uzbekistan

Email: iskakhm@mail.ru
Tashkent, Uzbekistan

M. M. Khotamov

Institute of Genetics and Plant Experimental Biology of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan

Email: mansurhatamov@mail.ru
Yukori-Yuz, Uzbekistan

References

  1. Adamakis I. D.S., Sperdouli I., Hanć A. et al. Rapid hormetic responses of photosystem II photochemistry of clary sage to cadmium exposure. Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. P. 1–21. https://doi.org/10.3390/ijms22010041
  2. Ahmed S., Kovinich N. Regulation of phytoalexin biosynthesis for agriculture and human health. Phytochemistry Rev. 2021. https://doi.org/10.1007/s11101–020–09691–8
  3. Ahuja I., Kissen R., Bones A. M. Phytoalexins in defense against pathogense. Trends Plants Sci. 2012. V. 17 (2). P. 73–90.
  4. Akhmedzhanov I. G., Agishev V. S., Dzholdasova K. B. et al. The use of a portable fluorimeter to study the effect of water deficit on the characteristics of delayed fluorescence of cotton leaves. Doklady Akademii nauk Uzbekistana. 2013. N3. P. 58–60. (In Russ.).
  5. Arruda R. L., Paz A. T.S., Bara M. T.F. et al. An approach on phytoalexins: function, characterization and biosynthesis in plants of the family Poaceae. Ciencia Rural. 2016. V. 46 (7). P. 1206–1216.
  6. Avazkhodzhaev M., Zeltzer S. S., Nuritdinova H., Raviprakashi G. D. Phytoalexins as a factor in Wilt Resistance of Cotton. In: Handbook of phytoalexin metabolism and action. Marcel Dekker Inc., N.Y.; Basel, 1995, pp. 129–160.
  7. Avazkhodzhaev M., Zeltser S. S. Physiological factors of cotton wilt resistance. FAN, Tashkent, 1980. (In Russ.).
  8. Avazkhodzhaev M., Agaev G. M. The informativeness of the hypersensitivity reaction in the functioning of immunological control in cotton. Uzbek. biol. zh. 2005. № 5. P. 30–34. (In Russ.).
  9. Babar A., Saleem M., Khan M. B. et al. Early detection of stripe rust infection in wheat using light-induced fluorescence spectroscopy. Photochem. Photobiol. Sci. 2023. V. 1. P. 115–134. https://doi.org/10.1007/s43630-022-00303-2
  10. Babar M. A., Saleem M., Hina A. et al. Chlorophyll as bioma- rker for early disease diagnosis. Laser Physics. 2018. V. 28 (6). P. 58–63.
  11. Belov M. L., Fedotov Yu.V., Bullo O. A. et al. Laser fluorescence diagnostics of plant conditions. Moscow State Technical University, Moscow, 2017. (In Russ.).
  12. Cardoni M., Quero J. L., Villar R. et al. Physiological and structural responses of olive leaves related to tolerance/susceptibility to Verticillium dahliae. Plants. 2022. V. 11 (17). P. 2302–2321. https://doi.org/10.3390/plants11172302
  13. Chilakala A. R., Mali K. V., Irulappan V. et al. Combined drought and heat stress influences the root water relation and determine the dry root rot disease development under field conditions: A study using contrasting chickpea genotypes. Front. Plant Sci. Sec. Plant Abiotic Stress. 2022. V. 13. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.890551
  14. Dospekhov B. A. Field experiment technique (with the basics of statistical processing of research results). Agropromizdat, Moscow, 1985. (In Russ.).
  15. Gulmurodova S., Sattarova R., Avazov S. et al. Fungal diseases of cotton and measures against them. Society and innovations. 2020. V.1 (1). P. 39–45. https://inscience.uz/index.php/socinov/index
  16. Gupta A., Hisano H., Hojo Y. et al. Global profiling of phytohormone dynamics during combined drought and pathogen stress in Arabidopsis thaliana reveals ABA and JA as major regulators. Scientific Rep. 2020. V. 7 (1). P. 1–13.
  17. Gurova T. А., Chesnochenko N. E. Chlorophyll fluorescence of wheat leaves when infected with Bipolaris sorokiniana, chloride salinity and seed hyperthermia. Siberian Herald of Agricultural Science. 2023. V. 52 (6). P. 12–28. (In Russ.).
  18. Hammerschmidt R. Phytoalexins: What have we learned after 60 years? Ann. Rev. Phytopathol. 1999. N37. P. 285–306.
  19. Heath M. C. Hypersensitive response-related death. Plant Molec. Biol. 2000. V. 44. P. 321–334.
  20. Karademira E., Karademira Ç., Ekincia R. et al. Effect of Verticillium dahliae Kleb on cotton yield and fiber technological properties. Int. J. Plant Prod. 2012. V. 6 (4). P. 1735–6814.
  21. Khan М. А. Laboratory guide for bacterial plant pathology. University of Agriculture, Faisalabad, 2012.
  22. Khasanov В. А. Cotton wilt and current identification methods of identification of Fusarium spp. Publishing House of Tashkent State Agrarian University, 2017. (In Russ.).
  23. Khotamov M. M., Agishev V. S., Akhmedzhanov I. G. Influence of Verticillium wilt infection on the functional activity of the cotton photosynthetic apparatus. Mikologiya i fitopatologiya. 2020. V. 54 (5). P. 340–346.
  24. Khotamov M. M., Akhmedzhanov I. G. Study of Verticillium wilt pathogenesis in different cotton genotypes. Mikologiya i fitopatologiya. 2021. V. 55 (2). P. 148–154.
  25. Khotamov M. M., Redzhapova M. M. Resistance of the variety diversity Gossypium hirsutum L. species to Verticillium wilt. Int. J. Innovative Research in Multidisciplinary Field. 2019. V. 5 (5). P. 78–80.
  26. Kiran S., Elliatoglu S. S., Ustun A. S. et al. Phytoalexin accumulations in the callus culture of two eggplant genotypes by using Verticillium dahliae Kleb. Elicitor. Int. Forestry Horticult. 2017. V. 3 (3). P. 1–8.
  27. Konan Y. K.F., Kouassi K. M., Kouakou K. L. et al. Effect of methyl jasmonate on phytoalexins biosynthesis and induced disease Resistance to Fusarium oxysporum f. sp. vasinfectum in cotton (Gossypium hirsutum L.). Int. J. Agron. 2014. https://doi.org/10.1155/2014/806439
  28. Kuc J. Phytoalexins. Stress metabolism and disease resistance in plants. Ann. Rev. Phytopathol. 1995. N33. P. 275–297.
  29. Liu Z., Wang J., Luo S. et al. Effects of Xanthomonas campestris pv. campestris on the photosynthesis of cabbage in the early stage of infection. Scientia Horticulturae. 2024. V. 324 (2). 112620. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2023.112620
  30. Matorin D. N., Timofeev N. P., Batakov A. D. et al. Toxic effect of ciprofloxacin on the photosynthesis reactions in microalga Scenedesmus quadricauda (Turp.) Bréb. Theor. Appl. Ecol. 2024. N1. P. 150–155.
  31. Metlitskiy L. V., Ozeretskovskaya O. L. How plants protect themselves from diseases. Moscow, 2018. (In Russ.).
  32. Nesterenko T. V., Shikhov V. N., Tikhomirov A. A. Fluorescent method for determining the reactivity of the photosynthetic apparatus of plant leaves. Journal of General Biology. 2019. V. 80 (3). P. 187–199.
  33. Pascual I., Azcona I., Morales F. et al. Photosynthetic response of pepper plants to wilt induced by Verticillium dahliae and soil water deficit. J. Plant Physiol. 2010. V. 167 (9). P. 701–708.
  34. Pedras M. S.C., Chumala P. B., Jin W. et al. The phytopathogenic fungus Alternaria brassicicola: phytotoxin production and phytoalexin elicitation. Phytochemistry. 2009. V. 70. P. 394–402.
  35. Pontier D. The hypersensitive response. A programmed cell death associated with plant resistance. C. R. Acad. Sci. J. 1998. V. 321 (9). P. 721–734. https://doi.org/10.1016/s0764-4469(98)80013-9
  36. Posudin Yu.I., Godlevska O. O., Zaloilo I. A. et al. Application of portable fluorometer for estimation of plant tolerance to abiotic factors. Int. Agrophysics. 2010. V. 24 (4). P. 363–368.
  37. Sharma I., Thakur A., Sharma A. et al. Phytoalexins: implications in plant defense and human health. In: Plant secondary metabolites. 2022. P. 329–353. https://doi.org/10.1007/978-981-16-4779-6_10
  38. Shucla P. K., Mishra P., Mishra N. A prospective study on emerging roles of phytoalexins in plant protection. Int. J. Pharma Biol. Sci. 2019. V. 10 (3). P. 186–198.
  39. Sinha R., Irulappan V., Patil B. S. et al. Low soil moisture predisposes field-grown chickpea plants to dry root rot disease: evidence from simulation modeling and correlation analysis. Sci. Rep. 2021. V. 11. 6568. https://doi.org/10.1038/s41598-021-85928-6
  40. Thakur A., Verma S., Reddy P. V., Sharma D. Hypersensitive responses in plants. Agricultural Rev. 2019. V. 40 (2). P. 113–120. https://doi.org/10.18805/ag.R-1858
  41. Tian X., Ruan J., Huang J. et al. Gossypol: phytoalexin of cotton. Sci. China Life Sci. 2016. V. 59 (2). P. 122–129.
  42. Tiku A. R. Antimicrobial compound (phytoanticipins and phytoalexins) and their role in plant defense. In: J. M. Merlion, K. Ramawat (eds). Co-evolution of secondary metabolites. Reference series in phytochemistry. Springer, Cham, 2020, pp. 845–868.
  43. Авазходжаев М., Зельцер С. С. (Avazkhodzhaev, Zeltser) Физиологические факторы устойчивости хлопчатника к вилту. Ташкент: ФАН, 1980. 22 c.
  44. Авазходжаев М., Агаев Г. М. (Avazkhodzhaev, Agaev) Информативность реакции гиперчувствительности в функционировании иммунологического контроля у хлопчатника // Узб. биол. журн. 2005. № 5. С. 30–34.
  45. Ахмеджанов И. Г., Агишев В. С., Джолдасова К. Б. и др. (Akhmed- zhanov et al.) Использование портативного флуориметра для изучения влияния водного дефицита на характеристики замедленной флуоресценции листьев хлопчатника // Докл. Акад. наук Узбекистана. 2013. № 3. С. 58–60.
  46. Белов М. Л., Федотов Ю. В., Булло О. А. и др. (Belov et al.) Лазерная флуоресцентная диагностика состояния растений. М.: МГТУ им. М. Э. Баумана, 2017. 56 с.
  47. Гурова Т. А., Чесноченко Н. Е. (Gurova, Chesnochenko) Флуоресценция хлорофилла листьев пшеницы при поражении Bipolaris sorokiniana, хлоридном засолении и гипертермии семян // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2023. Т. 52. № 6. С. 12–28.
  48. Доспехов Б. А. (Dospekhov) Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). М.: Агропромиздат, 1985. 360 с.
  49. Метлицкий Л. В., Озерецковская О. Л. (Metlitskiy, Ozeretskovskaya) Как растения защищаются от болезней. М.: URSS, 2018. 192 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

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».