Патология растений - Plant pathology

Содержание

Патология растений — Plant pathology

Научное изучение болезней растений Жизненный цикл возбудителя черной гнили, Xanthomonas campestris pathovar campes

Патология растений (также фитопатология ) — это научное исследование заболеваний у растений, вызываемых патогенами (инфекционными организмами) и условиями окружающей среды (физиологическими факторами).). Организмы, вызывающие инфекционные заболевания, включают грибы, оомицеты, бактерии, вирусы, вироиды, вирус. -подобные организмы, фитоплазмы, простейшие, нематоды и паразитические растения. Не включены эктопаразиты, такие как насекомые, клещи, позвоночные или другие вредители, которые влияют на здоровье растений, поедая их ткани. Патология растений также включает изучение идентификации патогенов, этиологии болезней, циклов болезней, экономических последствий, эпидемиологии болезней растений, устойчивости растений к болезням, того, как болезни растений влияют на людей и животных, генетики патосистем, и лечение болезней растений.

Содержание

1 Обзор
2 Патогены растений
- 2.1 Грибки
  - 2.1.1 Аскомицеты
  - 2.1.2 Базидиомицеты
  - 2.2.1 Оомицеты
  - 2.2.2 Фитомикса
  - 2.3.1 Фитоплазмы и спироплазмы
  Обзор
  Борьба с болезнями растений имеет решающее значение для надежного производства продуктов питания и создает серьезные проблемы при сельскохозяйственном использовании земли, воды, топлива и других ресурсов. Растения как в естественных, так и в культурных популяциях обладают естественной устойчивостью к болезням, но есть многочисленные примеры разрушительных воздействий болезней растений, таких как Великий голод в Ирландии и каштановый ожог, а также повторяющиеся тяжелые заболевания. болезни растений, такие как рисовый пигмент, нематода соевых бобов и рак цитрусовых.
  . Однако борьба с болезнями является достаточно успешной для большинства сельскохозяйственных культур. Борьба с болезнями достигается за счет использования растений, которые были выведены с целью обеспечения хорошей устойчивости ко многим болезням, и подходов к выращиванию растений, таких как севооборот, использование семян, свободных от патогенов, подходящей даты посадки и плотности посадки, контроль полевой влажности и пестицидов. Постоянный прогресс в науке о патологии растений необходим для улучшения контроля над болезнями и для того, чтобы идти в ногу с изменениями давления болезней, вызванными продолжающейся эволюцией и перемещением патогенов растений и изменениями в методах ведения сельского хозяйства.
  Болезни растений причиняют большие экономические потери фермерам во всем мире. Подсчитано, что в крупных регионах и для многих видов сельскохозяйственных культур болезни обычно снижают урожайность растений на 10% каждый год в более развитых регионах, но потери урожая от болезней часто превышают 20% в менее развитых регионах. По оценкам Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, вредители и болезни являются причиной около 25% потерь урожая. Чтобы решить эту проблему, необходимы новые методы раннего обнаружения болезней и вредителей, такие как новые датчики, обнаруживающие запахи растений, и спектроскопия и биофотоника, которые могут диагностировать здоровье растений и метаболизм.
  патогены растений
  мучнистая роса, биотрофный гриб
  грибы
  Большинство фитопатогенных грибов принадлежат к аскомицетам и базидиомицетам. Грибки воспроизводят как половым путем, так и бесполым путем образования спор и других структур. Споры могут распространяться на большие расстояния по воздуху или воде, или они могут передаваться через почву. Многие грибы, обитающие в почве, способны сапротрофно жить, проводя часть своего жизненного цикла в почве. Это факультативные сапротрофы. Грибковые заболевания можно контролировать с помощью фунгицидов и других методов ведения сельского хозяйства. Однако новые расы грибов часто развиваются, устойчивые к различным фунгицидам. Биотрофные грибковые патогены колонизируют живые ткани растений и получают питательные вещества из живых клеток-хозяев. Некротрофные грибковые патогены инфицируют и убивают ткани хозяина и извлекают питательные вещества из мертвых клеток хозяина. К значительным грибковым патогенам растений относятся:
  рисовый бласт, вызываемый некротрофным грибком
  Ascomycetes
  Basidiomycetes
  Грибоподобные организмы
  Оомицеты
  оомицеты являются грибоподобными организмами. Они включают в себя некоторые из наиболее разрушительных патогенов растений, включая род Phytophthora, который включает возбудителей фитофтороза картофеля и внезапной гибели дуба. За корневую гниль.
  ответственны определенные виды оомицетов. Несмотря на то, что они не являются близкими родственниками грибов, оомицеты разработали аналогичные стратегии заражения. Оомицеты способны использовать эффекторные белки для отключения защитных сил растения в процессе заражения. Патологи растений обычно группируют их с грибковыми патогенами.
  К значительным патогенам оомицетов относятся:
  Phytomyxea
  Некоторые слизистые плесени в Phytomyxea вызывают серьезные заболевания, в том числе корень у капусты и ее родственников и мучнистая парша в картофеле. Они вызваны видами Plasmodiophora и Spongospora соответственно.
  Бактерии
  болезнь коронной желчи, вызываемая Agrobacterium
  Большинство бактерий, связанных с растениями, на самом деле сапротрофные и не причиняют вреда сам завод. Однако небольшое количество, около 100 известных видов, способны вызывать болезни. Бактериальные заболевания гораздо более распространены в субтропических и тропических регионах мира.
  Большинство патогенных бактерий растений имеют палочковидную форму (бациллы ). Чтобы иметь возможность колонизировать растение, у них есть определенные факторы патогенности. Известно пять основных типов факторов бактериальной патогенности: использование ферментов, разрушающих клеточную стенку, токсинов, эффекторных белков, фитогормонов и экзополисахаридов.
  Патогены, такие как Виды Erwinia используют ферменты, разрушающие клеточную стенку, чтобы вызвать мягкую гниль. Виды Agrobacterium изменяют уровень ауксинов, вызывая опухоли с фитогормонами. Экзополисахариды продуцируются бактериями и блокируют ксилемные сосуды, что часто приводит к гибели растения.
  Бактерии контролируют продуцирование через кворум-зондирование.
  Vitis vinifera с инфекцией Ca. Phytoplasma vitis
  Значительные бактериальные патогены растений:
  Фитоплазмы и спироплазмы
  Фитоплазмы и Спироплазмы — это род бактерий, у которых отсутствуют клеточные стенки, и они связаны с микоплазмами, которые являются патогенами человека. Вместе они упоминаются как молликуты. У них также, как правило, меньше геномов, чем у большинства других бактерий. Обычно они передаются сокососущими насекомыми и переносятся во флоэму растения, где оно воспроизводится.
  Вирус табачной мозаики
  Вирусы, вироиды и вирусоподобные организмы
  Существует много типов вируса растений, а некоторые даже бессимптомны. В нормальных условиях вирусы растений вызывают только потерю урожая. Следовательно, попытки контролировать их экономически нецелесообразны, за исключением случаев, когда они заражают многолетние виды, например фруктовые деревья.
  Большинство вирусов растений имеют небольшие одноцепочечные РНК геномы. Однако некоторые вирусы растений также имеют геномы двухцепочечной РНК или одно- или двухцепочечной ДНК. Эти геномы могут кодировать только три или четыре белка : репликазу, белок оболочки, белок движения, чтобы позволить клетке перемещаться через плазмодесмы, а иногда и белок, допускающий передачу вектором. Вирусы растений могут иметь еще несколько белков и использовать множество различных методов молекулярной трансляции.
  Вирусы растений обычно передаются от растения к растению с помощью вектора, но также имеет место механическая передача и передача через семена. Передача переносчиков часто осуществляется насекомым (например, тлей ), но некоторыми грибами, нематодами и простейшими оказались вирусными векторами. Во многих случаях насекомое и вирус являются специфическими для передачи вируса, например, цикадка свеклы, которая переносит вирус curly top, вызывающий заболевание у нескольких сельскохозяйственных культур. Одним из примеров является мозаичная болезнь табака, при которой листья становятся карликовыми, а хлорофилл листьев разрушается. Другой пример — густая верхушка банана, где растение карликово, а верхние листья образуют плотную розетку.
  Нематоды
  Корневые нематоды галлы
  Нематоды — маленькие многоклеточные червеобразные животные. Многие живут свободно в почве, но есть некоторые виды, паразитирующие на растениях корни. Они представляют собой проблему в тропических и субтропических регионах мира, где могут заразить сельскохозяйственные культуры. Картофельные цистные нематоды (Globodera pallida и G. rostochiensis) широко распространены в Европе, Северной и Южной Америке и ежегодно причиняют ущерб в размере 300 миллионов долларов США. У корневых узловатых нематод довольно широкий круг хозяев, они паразитируют на корневых системах растений и, таким образом, напрямую влияют на потребление воды и питательных веществ, необходимых для нормального роста и размножения растений, тогда как цистовые нематоды, как правило, способны инфицировать лишь несколько видов. Нематоды способны вызывать радикальные изменения в клетках корня, чтобы облегчить свой образ жизни.
  Простейшие и водоросли
  Существует несколько примеров заболеваний растений, вызываемых простейшими (например, Phytomonas, кинетопластид ). Они передаются в виде прочных зооспор, которые могут выжить в состоянии покоя в почве в течение многих лет. Кроме того, они могут передавать растительные вирусы. Когда подвижные зооспоры вступают в контакт с корневым волоском, они производят плазмодий, который проникает в корни.
  Некоторые бесцветные паразитические водоросли (например, Cephaleuros ) также вызывают болезни растений.
  Растения-паразиты
  Растения-паразиты, такие как заразиха, омела и повилика включены в исследование по фитопатологии. Повилика, например, может быть каналом для передачи вирусов или вирусоподобных агентов от растения-хозяина к растению, которое обычно не является хозяином, или для агента, который не передается посредством прививки.
  Общие методы патогенной инфекции
  - Ферменты, разрушающие клеточную стенку : они используются для разрушения клеточной стенки растения , чтобы высвободить питательные вещества внутри. : они могут быть неспецифичными для хозяина, которые повреждают все растения, или специфическими для хозяина, которые вызывают повреждение только растения-хозяина.
  - эффекторные белки : они могут секретироваться в внеклеточной среде или непосредственно в клетку-хозяин, часто через систему секреции третьего типа. Известно, что некоторые эффекторы подавляют защитные процессы хозяина. Это может включать: снижение внутренних сигнальных механизмов растений или сокращение производства фитохимических веществ. Бактерии, грибки и оомицеты известны этой функцией.
  Споры : Споры фитопатогенных грибов могут быть источником инфекции для растений-хозяев. Сначала споры прикрепляются к кутикулярному слою на листьях и стеблях растения-хозяина. Для этого инфекционная спора должна быть перенесена из источника патогена, это происходит с помощью ветра, воды и переносчиков, таких как насекомые и люди. При благоприятных условиях спора будет производить модифицированные гифы, называемые зародышевой трубкой. Эта зародышевая трубка позже образует выпуклость, называемую аппрессорием, которая образует меланизированные клеточные стенки для создания давления толчка. Как только тургорное давление накапливается, аппрессорий оказывает давление на кутикулярный слой в виде затвердевшего штифта для проникновения. Этому процессу также способствует секреция из аппрессория ферментов, разрушающих клеточную стенку. Как только проникающий штифт входит в ткань хозяина, он развивает специализированные гифы, называемые гаусториями. В зависимости от жизненного цикла патогенов этот гаусторий может проникать в соседние клетки и питать их внутриклеточно или существовать межклеточно внутри хозяина.
  • Желтая жилка мозаика
  Физиологические расстройства растений
  Абиотические нарушения могут быть вызваны естественными процессами, такими как засуха, мороз, снег и град ; затопление и плохой дренаж; дефицит питательных веществ ; отложение минеральных солей, таких как хлорид натрия и гипс ; ожог ветром и поломка от урагана; и лесные пожары. Подобные нарушения (обычно классифицируемые как абиотические) могут быть вызваны вмешательством человека, что приводит к уплотнению почвы, загрязнению воздуха и почвы, засолению, вызванному орошением и дорогами. засол, чрезмерное применение гербицидов, неуклюжее обращение (например, повреждение деревьев газонокосилкой) и вандализм.
  листья орхидей с вирусными инфекциями
  Эпидемиология
  Эпидемиология: изучение факторов, влияющих на вспышку и распространение инфекционных заболеваний.
  Треугольник болезней растений
  Тетраэдр болезней (пирамида болезней) наилучшим образом отражает элементы, связанные с болезнями растений. В основе этой пирамиды лежит треугольник болезней, состоящий из таких элементов, как хозяин, патоген и среда. В дополнение к этим трем элементам люди и время добавляют остальные элементы, чтобы создать тетраэдр болезней.
  История: Исторически известные эпидемии болезней растений, основанные на огромных потерях:
  — Фитофтороз картофеля в Ирландии
  — Болезнь голландского вяза
  — Фитофтороз каштана в Северной Америке
  Факторы, влияющие на эпидемии:
  Хозяин: уровень устойчивости или восприимчивости, возраст и генетика.
  Патоген: количество инокулята, генетика и тип воспроизводства
  Устойчивость к болезням
  Устойчивость растений к болезням — это способность растения предотвращать и устранять инфекции, вызываемые патогенами растений.
  Структуры, которые помогают растениям предотвращать заболевания: кутикулярный слой, клеточные стенки и замыкающие клетки устьиц. Они действуют как барьер для предотвращения проникновения патогенов в растение-хозяин.
  Когда болезни преодолевают эти барьеры, рецепторы растений инициируют сигнальные пути для создания молекул, которые конкурируют с чужеродными молекулами. На эти пути влияют и запускают гены в растении-хозяине, и они подвержены влиянию генетической селекции для создания разновидностей растений, устойчивых к деструктивным патогенам.
  Управление
  Карантин Больной участок растительности или отдельные растения можно изолировать от других здоровых растений. Образцы могут быть уничтожены или перемещены в теплицу для обработки или изучения. Другой вариант — избегать интродукции вредных неместных организмов, контролируя всю торговлю людьми и деятельность (например, AQIS ), хотя законодательство и правоприменение имеют решающее значение для обеспечения долгосрочной эффективности. Культурные Земледелие в некоторых обществах ведется в небольших масштабах, за ними ухаживают народы, чья культура включает в себя традиции земледелия, уходящие корнями в древние времена. (Примером таких традиций может быть обучение на протяжении всей жизни техникам террасирования участка, прогнозированию погоды и реагированию на нее, внесению удобрений, прививке, уходу за семенами и специальному садоводству.) Растения, за которыми пристально следят, часто получают выгоду не только от активной внешней защиты, но и от большей общая бодрость. Хотя это примитивно в том смысле, что это наиболее трудоемкое решение на сегодняшний день, там, где это практично или необходимо, оно более чем адекватно. Устойчивость растений Сложные сельскохозяйственные разработки теперь позволяют производителям выбирать среди систематически скрещивать виды для обеспечения максимальной устойчивости сельскохозяйственных культур в соответствии с патологическим профилем конкретного региона. Селекционные методы совершенствовались на протяжении веков, но с появлением генетических манипуляций стал возможен даже более тонкий контроль свойств иммунитета сельскохозяйственных культур. Однако разработка пищевых производств может быть менее выгодной, поскольку более высокая производительность часто компенсируется распространенным подозрением и негативным мнением об этом «вмешательстве» в природу. Химическая промышленность (см.: применение пестицидов ) Для борьбы с вышеуказанными угрозами можно использовать многие природные и синтетические соединения. Этот метод работает путем прямого уничтожения болезнетворных организмов или ограничения их распространения; однако было показано, что это имеет слишком широкий эффект, как правило, чтобы быть полезным для местной экосистемы. С экономической точки зрения все природные добавки, кроме простейших, могут лишить продукт статуса «органического», потенциально снижая ценность урожая. Биологические Севооборот может быть эффективным средством для предотвратить формирование паразитической популяции, поскольку организм, поражающий листья, будет голоден, когда листовая культура будет заменена клубневой и т. д. Могут существовать другие средства для уничтожения паразитов без прямого нападения на них. Интегрированные Использование двух или более из этих методов в комбинации дает больше шансов на эффективность.
  История
  Патология растений возникла с древних времен, начиная с Теофраста, но научные исследования начались в раннем современном периоде с изобретением микроскопа и были разработаны в 19 веке.
  Диагностика болезней растений и современные технологии
  Обзор
  Иллюстрация с обложки книги Ю.Т. Дьякова «О болезнях растений»
  Автор
  Редакторы
  Статья на конкурс «био/мол/текст»: Фитопатология — это наука о болезнях растений, о том, как с этими недугами бороться и предупреждать их возникновение. Чтобы побеждать болезни, надо их правильно, точно и своевременно диагностировать. Есть много методов такой диагностики; в последние десятилетия, с развитием молекулярных методов анализа, активно разрабатываются всё новые и новые, постепенно вытесняя из практики классические подходы. О трудностях диагностики болезней растений и об основных путях их преодоления и будет рассказано в этой статье.
  Конкурс «био/мол/текст»-2013
  Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2013 в номинации «Лучший обзор».
  Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific. Спонсор приза зрительских симпатий — фирма Helicon.
  Чем болеют растения?
  Для начала несколько слов о том, от чего, собственно, специалистам приходится защищать сельскохозяйственные растения. Причинами заболевания растений могут быть как факторы среды (летняя засуха или зимние морозы, недостаток питательных веществ в почве или их избыток и т.п.), так и различные паразитические организмы (бактерии, вирусы, грибы, круглые черви (нематоды) и даже другие растения).
  Грибы, бесспорно, являются основными патогенами культурных растений. Известно, например, что из 162 серьёзных заболеваний в Центральной Европе 135 (83%) вызываются грибами [2]. Фитопатогенные грибы — многочисленная группа; их описано свыше 10 000 видов, различных по систематическому положению, степени паразитизма, специализации и т.д. [3]. Они широко распространены в природе и при благоприятных для их развития условиях наносят значительный урон урожаю и сельскохозяйственным продуктам при хранении. Даже самые осторожные оценки говорят об уничтожении болезнями 10–20% потенциального урожая; без контрмер масштабы этих потерь резко возросли бы [2].
  Именно о проблемах диагностики болезней растений, вызываемых фитопатогенными грибами, пойдёт речь в данной статье.
  Врага надо знать в лицо
  Зачем же нужно, с одной стороны — обнаружение, а с другой — быстрое и точное (желательно — до вида, или даже расы) определение фитопатогенных грибов?
  На данный момент самым распространённым методом борьбы с фитопатогенными грибами является обработка растений фунгицидами. Понятно, что невозможно защитить культуры от всех возможных потенциальных угроз: это и сложно, и экономически невыгодно, да и для окружающей среды далеко не полезно. Именно поэтому важно знать, желательно — своевременно, с чем именно придётся бороться. Чем раньше обнаружена болезнь, тем больше шансов, что, приняв соответствующие меры, удастся её победить. Это верно для заболеваний как человека, так и растений. Кстати, точное определение вида грибов важно ещё и в довольно неожиданной области — реставрации деревянных строений — поскольку используемые там антисептические меры также очень сильно зависят от типа поражения [4].
  Кроме этого, идентификация фитопатогенных грибов необходима для изучения их таксономии и эволюции, их взаимоотношений с растениями-хозяевами, генетических основ восприимчивости и устойчивости растений, что, в конечном счете, должно помочь в разработке способов борьбы с патогенами и в селекции растений, невосприимчивых к болезням [5].
  И, наконец, крайне важна сертификация зерна и посадочного материала в рамках карантинных программ. Известно, что фитопатогенные грибы могут распространяться многими путями — как естественными (с током воздуха, водой, насекомыми, животными), так и при помощи человека, перевозящего заражённые растения или их части не только между различными странами, но и между континентами. Зачастую такое перемещение приводит к неожиданному и масштабному распространению заболеваний.
  Например, пузырчатая ржавчина (Cronartium ribicola) была эндемична для Альп и востока России. Этот паразит, в цикле развития предполагающий обязательную смену хозяев, обитает круглый год на пятихвойных соснах, а летом поражает листья смородины; ни в одном из исходных ареалов он не причинял серьёзного ущерба. Однако веймутова сосна, завезённая в начале XVIII века из Америки в ряд областей Европы, оказалась крайне восприимчивым хозяином для данного гриба. За счёт этого распространившаяся инфекция причинила большой вред культурам смородины и высаженным веймутовым соснам, а в 1909 году была завезена с их рассадой в Америку, где встретила многочисленных хозяев для обеих фаз развития. Здесь стали страдать, прежде всего, лесообразующие пятихвойные сосны. Поэтому, чтобы разорвать инфекционную цепь паразита с обязательной сменой хозяев, пытаются уничтожать дикорастущие виды смородины [2].
  Ещё один показательный пример: возбудитель голландской болезни вяза (Ophiostoma ulmi) уже в XX столетии был занесён из континентальной Европы в Северную Америку. Начиная примерно с 1970 г., после того, как он был завезён в Великобританию, он успел уничтожить половину английских вязовых насаждений [2]. Теперь этот вид встречается и в России.
  Для того чтобы избежать подобного впредь, созданы списки карантинных организмов, и при перемещении растений или их семян между странами (или даже частями одной страны) обязательно проводится их обследование.
  «Классические» методы диагностики и трудности в их применении
  Как только что было показано, идентификация фитопатогенных грибов крайне важна, возник вопрос — каким образом она производится?
  Наиболее простой способ — это идентификация патогена по внешним признакам заболевания (симптомам), то есть по тому воздействию, которое он оказывает на поражённое растение [6]. Но здесь проблема в том, что к одним и тем же повреждениям растения-хозяина могут приводить совершенно разные микроорганизмы, отличающиеся разной устойчивостью к фунгицидам, вредоносностью и другими характеристиками. Как пример, здесь можно привести три листовые пятнистости пшеницы (рис. 1).
  Рисунок 1. Листовые пятнистости пшеницы. Слева — септориоз листьев пшеницы (возбудитель — Mycosphaerella graminicola). По центру — септориоз листьев и колоса пшеницы, проявление на листьях (возбудитель — Phaeosphaeria nodorum). Справа — жёлтая пятнистость пшеницы (возбудитель — Pyrenophora triticirepentis). Обратите внимание: несмотря на то, что это разные заболевания, поражения листьев очень похожи.
  Ещё одна проблема заключается в том, что далеко не все заболевания проявляются сразу же после заражения растения. Например, возбудитель пыльной головни ячменя (Ustilago nuda) обычно проникает во время цветения пшеницы в формирующуюся зерновку. Гриб не препятствует формированию зародыша, само зерно развивается нормально, ничем внешне не отличаясь от здорового. Мицелий зимует в зерновке. Весной одновременно с прорастанием семян происходит и рост мицелия, который по мере роста растения распространяется по различным его органам. Проявляется заболевание только в период колошения. При этом разрушаются все части колоса, превращаясь в чёрную споровую массу, после распыления которой остаются лишь ости и стержень колоса (рис. 2) [8].
  Рисунок 2. Пыльная головня ячменя: поражённое соцветие со спорами
  Стандартный для фитопатологов подход при определении фитопатогенных грибов — это выделение их в чистую культуру на какой-либо питательной среде, получение характерных образований (чаще всего это, конечно, спороношения) и затем идентификация гриба под микроскопом.
  Но здесь возникают определённые трудности. Основная из них заключается в том, что далеко не все паразитические грибы возможно культивировать на искусственных питательных средах: многим требуется наличие живых тканей растения-хозяина, либо присутствие других представителей сложного сообщества [10]. Но даже если гриб удаётся выделить в культуру, следующий вопрос — это то, сколько времени понадобится, чтобы добиться от него появления спороношения. Например, возбудитель белосоломенной болезни пшеницы и ржи (Gibellina cerealis), хотя и хорошо культивируется, даёт спороношение только после четырёх–пяти недель роста. Естественно, что меры по борьбе с патогеном необходимо принимать сразу после его обнаружения, а не через месяц, когда может оказаться, что спасать уже нечего.
  Рисунок 3. Сравнение конидий типовых образцов Alternaria longipes (вверху), Alternaria tenuissima (в центре), Alternaria alternata (внизу). Видно, что на основе сравнения только формы конидий этих трёх видов однозначно различить их крайне сложно. При идентификации видов в данном случае специалист использует не только форму конидий, но и другие признаки (например, способ образования конидий, их взаимное расположение и т.п.).
  И даже с определением тех фитопатогенных грибов, спороношения которых получить сравнительно просто, могут возникать сложности. К примеру, идентификация многих микромицетов сопряжена с рядом трудностей, таких как сходство морфологических характеристик разных видов и одновременно внутривидовая вариабельность признаков. Несмотря на внешнее сходство, возбудители могут значительно отличаться по патогенности, токсигенности, степени специализации, генетике взаимоотношений с растением-хозяином, вредоносности, чувствительности к фунгицидам и т.д. То есть разные виды обладают совершенно разными экологическими особенностями и хозяйственной значимостью [12]. Хорошим примером здесь является определение различных видов рода Alternaria (рис. 3). Очевидно, что для идентификации до вида нужны достаточно широкие познания в данной области и немалый опыт работы с исследуемым фитопатогеном.
  Ещё один способ, пригодный для обнаружения некоторых фитопатогенных грибов, заключается в смыве с субстрата, фильтрации и микроскопическом определении (и даже подсчёте, что даёт количественные данные) их спор. Чаще всего, таким способом оценивается количество грибных спор в зерне или в почве. Несмотря на то, что идентификация до вида на основании одних только спор чаще всего затруднена, этот способ широко применяется, а для анализа получаемых при помощи микроскопа изображений разрабатываются специальные компьютерные программы [14]. Например, таким образом определяют заражённость зерна возбудителем твёрдой головни (Tilletia caries) (рис. 4) [15]. Несмотря на использование компьютерных технологий, этот метод весьма трудоёмок и не подходит для исследования большого количества образцов.
  Рисунок 4. Зерновки, поражённые твёрдой головнёй пшеницы
  Молекулярная биология на службе фитопатолога
  Во всех описанных случаях на помощь исследователям могут прийти широко развивающиеся в последнее время молекулярные методы анализа. Сейчас в основе большинства из них лежит применение ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay, иммуноферментный анализ) [11], либо ПЦР (полимеразная цепная реакция, polymerase chain reaction) [17].
  Иммуноферментный анализ состоит из двух основных этапов: иммунной и ферментативной реакций. Иммунная реакция заключается в специфическом связывании характерного для данного микроорганизма антигена с диагностическим антителом. Ферментативная реакция необходима для обнаружения этого связывания. Как правило, она сопровождается изменением цвета, причём степень этого изменения может быть использована для определения количества присутствующего антигена.
  Есть много модификаций данного метода, бóльшая часть из которых применяется для обнаружения возбудителей болезней растений [16]. Особенно интересен так называемый «lateral flow assay» (анализ капли, растекающейся в радиальном направлении) (рис. 5), отличающийся высокой скоростью анализа и не требующий никакого специального оборудования или знаний. Используя такой набор (имеющий карманный формат), можно провести анализ непосредственно «в поле», так что не нужно даже отправлять образцы в лабораторию.
  Рисунок 5. Прибор CSL Pocket Diagnostic TM lateral flow immunodiagnostic kit. Растительный экстракт помещается на площадку (a), которая содержит латексные шарики, покрытые специфическими антителами; смесь мигрирует вдоль мембраны (b) к абсорбирующей поверхности (c). При этом имеющиеся в растворе целевые антигены связываются со специфичными антителами на латексных шариках. Мембрана содержит полосу антител, отличающихся необходимой специфичностью (измерительную полосу) (d) и полосу других антител, которые связываются с первыми антителами (контрольную полосу) (e). Латексные шарики, содержащие связанный антиген, задерживаются в тестовой зоне, давая видимую линию, тогда как излишние латексные шарики, которые не содержат антигена, задерживаются в контрольной зоне, показывая, что анализ работает. Наличие двух линий соответствует положительному результату (positive), наличие только одной линии (контрольной) говорит о негативном результате (negative).
  Основанные на иммуноферментном анализе методы широко применяются для обнаружения вирусов (в том числе поражающих растения) и значительно реже — для идентификации грибов и бактерий. Основной причиной этого является трудность получения антител с необходимой специфичностью: строение клеточных стенок грибов и бактерий гораздо сложнее, чем вирусного капсида, к тому же может изменяться в ходе их жизненного цикла. В результате получаемые антитела могут оказаться специфичны как сразу к большой группе видов, так и исключительно к отдельным жизненным формам данных микроорганизмов. Тем не менее, основанные на ELISA методы идентификации фитопатогенных грибов всё же разрабатываются: например, существует метод идентификации спор уже упоминавшейся в данной статье твёрдой головни [19].
  ПЦР — это ферментативная реакция, в результате которой происходит накопление большого количества копий какого-либо не слишком большого (чаще всего, 200–1500 пар нуклеотидов) фрагмента ДНК. Так как ДНК любого организма содержит как вариабельные (отличающиеся даже у близкородственных организмов), так и консервативные (сходные у эволюционно далёких видов) участки, возможно на основе выбора диагностического участка варьировать специфичность протекающей реакции.
  Таким образом, данный метод позволяет обнаруживать последовательности нуклеиновой кислоты, специфичные для конкретного организма или группы сходных организмов и, тем самым, выявлять его (их) присутствие в анализируемой пробе. Методы, основанные на ПЦР, позволяют идентифицировать патогенные виды как в чистой культуре, так и непосредственно в растительном материале, минуя этап изоляции грибов [20]. Как пример, здесь приведены результаты ПЦР, разработанной для идентификации грибов рода Pyrenophora (рис. 6), представители которого являются возбудителями жёлтой пятнистости злаков, в частности — пшеницы (рис. 1).
  Рисунок 6. Разделённые при помощи электрофореза продукты ПЦР, разработанной для идентификации грибов рода Pyrenophora. М — маркер, представляющий собой набор фрагментов ДНК известного размера, 1–10 — ДНК, выделенная из различных образцов листьев пшеницы, поражённых листовыми пятнистостями. Здесь продукт реакции (фрагмент ДНК известного размера) должен наблюдаться только в том случае, если в образце присутствует ДНК целевого организма, а именно — гриба рода Pyrenophora. В итоге видно, что растения под номерами 3–6, 8 и 9 больны жёлтой пятнистостью, а остальные — каким-либо другим внешне схожим заболеванием.
  Существует достаточно много модификаций метода ПЦР, большинство из которых применяется в изучении возбудителей болезней растений. Например, RAPD и RFLP анализы используются для уточнения родственных связей между различными грибами; ПЦР, специфичная для ДНК представителей отдельных родов или видов — для идентификации фитопатогенов (в том числе — в форматах nested и multiplex); ПЦР с регистрацией в режиме реального времени (real-time PCR) — для определения количества присутствующей целевой ДНК.
  Рассмотрим подробнее один из самых перспективных методов на основе ПЦР — ПЦР с регистрацией в режиме реального времени (рис. 7). В отличие от большинства других форматов ПЦР, он позволяет не только констатировать факт присутствия ДНК целевого патогена, но и измерить её количество. В качестве примера здесь приведено определение в двух образцах количества ДНК ещё одного возбудителя листовой пятнистости.
  Рисунок 7. ПЦР с регистрацией в режиме реального времени. В ходе реакции непрерывно измеряется флуоресценция пробы (Fluorescence Signal), которая увеличивается по мере накопления продукта реакции (время реакции здесь выражено в числе циклов реакции — Cycle Number). Чем больше целевой ДНК было в смеси на момент начала реакции, тем быстрее происходит накопление продукта, и, соответственно, тем меньше будет номер цикла (cycle threshold, C_t), при котором флуоресценция пробы достигнет порогового значения (Detection threshold). Количество ДНК в исходной пробе определяют по калибровочному графику (приведён на вставке), соотносящему исходное количество целевой ДНК (Quantity) со значениями C_t. В данном случае на графике показано изменение во времени флуоресцентного сигнала для двух образцов, содержащих ДНК Mycosphaerella graminicola (рис. 1), причём кривая «а» соответствует образцу с большей концентрацией.
  Интересно применение данного метода для анализа заражённости зерна твёрдой головнёй (рис. 4): при наличии соответствующих калибровочных графиков возможно получение результатов в виде числа спор, имеющихся в образце [7].
  Ложка дёгтя в бочке мёда
  Хотя преимущества и перспективы применения молекулярных методов идентификации сложно переоценить, на пути их практического использования имеется целый ряд трудностей. Несмотря на универсальность методов при конечном анализе, для их разработки и проверки требуется достаточно много времени и немалая экспериментальная база. Основной проблемой здесь является отсутствие возможности чисто теоретически оценить специфичность разрабатываемых методов.
  Ещё одна сложность является прямым следствием высокой чувствительности данных методов (особенно — основанных на ПЦР). Ведь если анализ позволяет выявить в образце присутствие даже одной споры фитопатогенного гриба, или всего лишь нескольких копий его ДНК, то и для получения ложноположительного результата оказывается достаточно даже минимального загрязнения изначально «чистого» образца. Следовательно, требования к стерильности оказываются крайне высоки на всех стадиях анализа, но всё равно всегда приходится использовать отрицательные контроли.
  Ну и самая большая проблема всех описанных в данной статье методов — это цена, ограничивающая их широкое применение в условиях небогатых российских хозяйств.
  Несколько слов о будущем
  Несмотря на все имеющиеся проблемы, молекулярные методы анализа интенсивно развиваются (о чём можно судить хотя бы по числу публикаций на соответствующие темы, которое с каждым годом становится всё больше). Старые методы постоянно совершенствуются, в то же время разрабатываются новые (например, метод биочипов [21] и секвенирование следующего поколения [22]), а цена одного анализа становится всё ниже. Поэтому можно надеяться, что не за горами то время, когда все упоминавшиеся в данной статье методики и их более совершенные аналоги действительно найдут широкое применение и облегчат жизнь фитопатологов и агрономов.
  Диагностика
  Диагностика – распознавание причин патологического состояния и постановка диагноза путем тщательного и всестороннего исследования больного организма (растения) [2] . В рамках фитопатологии, как науки, диагностика сегодня является обособленным направлением, представляющим крупное научное течение, занимающееся изучением и совершенствованием методов распознавания болезни растения [4] .
  Постановка диагноза – это установление типа болезни, его характера (инфекционное или неинфекционное), причины, возбудителя заболевания и выбор соответствующих мер борьбы.На данном этапе развития науки имеются несколько методов диагностики: макроскопический (патографический), микроскопический, микологический, химический, физический, молекулярный [2] . Наиболее прогрессивной является молекулярная диагностика [5] .
  Содержание:
  Макроскопический (патографический, визуальный) метод диагностики
  Макроскопический метод диагностики – позволяет ставить диагноз по видимым невооруженным глазом внешним признакам (симптомам). При необходимости используется незначительное увеличение (лупа, бинокль) [2] .
  При использовании этого метода для правильной постановки диагноза необходимо:
  - проанализировать большое количество растений, поскольку совокупность всех признаков заболевания встречается не на всех растениях или симптомы не всегда выражены ясно;
  - тщательно осмотреть и оценить состояния больных растений от корней до вершины (точки роста);
  - проанализировать условия местопроизрастания объекта;
  - установить причины, способствовавшие возникновению болезни растения (антропогенные факторы, неблагоприятные погодные условия, поражение другими болезнями, повреждения насекомыми) [5] .
  Исследование образца растения в лаборатории
  Микроскопический метод диагностики
  Микроскопический метод диагностики – исследование с помощью микроскопа спороношения возбудителя заболевания или пораженных тканей растения [2] .
  Этот метод применяется для установления наличия патогена в тканях больного растения, то есть определения характера заболевания, и определения вида возбудителя болезни [2] .
  Метод микроскопирования дает возможность установить наличие характерных признаков спороношения, свойственных тому или иному патогену и с помощью определителя установить его систематическое положение [2] .
  Выращивание Sclerotinia sclerotiorum на питательной среде.
  Микологический метод диагностики
  Микологический метод диагностики – выделение инокулюма патогена из пораженных частей растения, его изоляции и выращивания (культивирования) на подходящей питательной искусственной или естественной среде [3] [2] .
  Культивирование патогенов включает три основных этапа:
  - подготовка образцов естественных субстратов (почвы, органов растений, растительных остатков), из которых осуществляют высев на обычные или элективные питательные среды, способные обеспечить развитие одного или группы родственных видов;
  - выделение и получение чистой культуры патогена на питательных средах;
  - пересев чистых культур на дифференциально-диагностические среды для определения их видовой принадлежности [3][2] .
  Физический метод диагностики
  Физический метод диагностики – основан на различных свойствах семян, тканей и органов больных и здоровых растений. Органы больных растений исследуются на резонанс, свечение в ультрафиолетовых лучах, цвет клеточного сока, электропроводность, плотность [2] .
  В частности, качество семян можно определить по плотности, поскольку у больных и здоровых семян она различна. Скрытую гниль древесины первоначально устанавливают путем выстукивания, поскольку здоровые и фаутные стволы издают разные звуки [2] .
  К физическим методам диагностики относится метод идентификации патогена с помощью индикаторного растения – метод индикаторных растений. Он основан на использовании растений-индикаторов, дающих специфичные симптомы, характерные для определенного вида возбудителя болезни. Метод индикаторных растений широко используется для идентификации вирусных, вироидных, фитоплазменных заболеваний [1] .
  Молекулярные методы диагностики
  Молекулярные методы диагностики – комплекс методов молекулярной детекции фитопатогенов, позволяющие провести точную диагностику на любой стадии развития заболевания [5] .
  Различают три группы методов:
  1. Первая группа методов основана на выявлении специфичных химических соединений (маркерных молекул) для конкретного патогенна. В качестве маркерных молекул используются жирные кислоты, хинин, эргостерин. Наличие метаболитов выявляется с помощью хроматографии [5] .
  2. Вторая группа методов – спектр приемов иммунной диагностики. Эти методы сводятся к формированию в образце комплексов «антиген – антитело» и последующей визуализации полученных комплексов. Для визуализации применяют различные способы: фотометрия, флуореметрия, микроскопия иммунопреципитатов [4] .
  3. Третья группа методов основывается на различных вариантах протекания полимеразной цепной реакции (ПРЦ). Маркерные последовательности ДНК возбудителей болезни амплифицируются и визуализируются с помощью флуореметрии, электрофореза в ходе «ПЦР в реальном времени». Важное преимущество этой группы методов – возможность установления наличия и определения вида патогена даже при его незначительном (следовом) количестве [5] .
  Большинство методов молекулярной диагностики характеризуются быстротой и простотой использования, позволяющей проводить исследования в условиях передвижных мини-лабораторий. На основе методов молекулярной диагностики выпускаются различные коммерческие наборы для выявления патогенов – диагностикумы [5] .
  Источник https://ru.wikibrief.org/wiki/Plant_pathology
  Источник https://biomolecula.ru/articles/diagnostika-boleznei-rastenii-i-sovremennye-tekhnologii
  Источник https://www.pesticidy.ru/dictionary/Diagnostics
  Читать статью Для каких болезней растение алоэ