За матеріалами статті на тему «Церкоспороз — хвороба плямистості листя цукрових буряків» («Cercospora leaf spot disease of sugar beet») журналу Plant Signaling & Behavior №1 (18) 2023 р.

Епідемія плямистості листя церкоспорозу

Вперше рід Cercospora описав П'єр Андреа Саккардо в Італії. У 1886 році була вперше задокументована карта розповсюдження патогенів та симптоми цієї хвороби. Через кілька десятиліть після початкового опису глобальне розповсюдження збудника церкоспорозу стало серйозною проблемою для вирощування цукрових буряків.

Згідно з нещодавнім опитуванням щодо поширення церкоспорозу, більше однієї третини світових площ цукрових буряків уражені нею. Сполучені Штати, Австрія, Греція, Італія, Угорщина та інші країни мають високу захворюваність церкоспорозом.

Cercospora beticola зимує під землею на заражених рослинних рештках у вигляді псевдостроми. Сухе середовище сприятливе для виживання патогенів. Навесні, коли температура та вологість стають прийнятними, починають утворюватися конідії та вражати рослини через дощ, вітер та комах. Абаксіальна поверхня листків і черешків цукрового буряка є основними осередками інфекції. Процес зараження починається з проростання спор, після чого зародкові трубки проникають у продихи. Після утворення апресорій, гіфи поширюються в тканині мезофілу та починають виробляти токсини, які викликають некроз клітин і плямистість листя (Рис. 1).

Поширення конідій відбувається в основному в обмеженому діапазоні сільськогосподарських угідь. Однак також може відбуватися їх поширення на великі відстані за допомогою с-г техніки, комах, течії води та інших факторів. Штами C. beticola, зібрані з різних полів, демонструють низький рівень диференціації популяції та високу дублікацію генотипу. Торгівля цукровим буряком також дає можливість для подальшого поширення збудника на різних континентах. Під час перевірки якості насіння цукрових буряків C. beticola часто виявляється в оболонці насіння, а потім викликає розвиток церкоспорозу в ході посівної кампанії.

Рис. 1. Життєвий цикл плямистості листя церкоспорозу

Фактори вірулентності C. beticola

Церкоспорин — це фотоактивний токсин, який вперше був виділений Куйамою в 1957 році. Церкоспорин широко присутній у грибах роду Cercospora та може стимулювати утворення активних форм кисню (АФК) в організмі. Коли АФК надлишкові, перекисне окислення ліпідів мембрани та витік електроліту викликають колапс клітинної структури. Перший ген біосинтезу церкоспорину CTB1 був виявлений у мутованому C. nicotianae. CbCTB2 кодує О-метилтрансферазу, мутант якої не виробляв церкоспорин і не колонізував листя цукрового буряка. Це доводить, що церкоспорин не тільки бере участь у початковому проникненні та колонізації, але й також відіграє роль у біотрофній фазі патогена. Секвенування геному показало, що C. beticola містить 63 кластери вторинних метаболічних генів. Кластер генів CTB потребував багатократного дублювання та горизонтального перенесення до інших патогенних грибів.

Бетиколін є неспецифічним для хазяїна фітотоксином. Ця жовта сполука була вперше названа при вивченні впливу токсинів C. beticola на клітинну мембрану. У C. beticola було знайдено 20 сполук бетиколіну, але шляхи біосинтезу та токсичність все ще залишаютьсяся неясними. Окрім церкоспорину та бетиколіну, існують деякі потенційні фактори вірулентності, включаючи целюлази, пектинази та меланін. У 2021 році було виявлено, що C. beticola секретує ефекторний білок CbNip1, який може проникати в листя цукрових буряків і викликати некроз. Для повного некрозу клітин, викликаного CbNip1, необхідна темрява. Інфільтрація білка CbNip1 до листя цукрових буряків показала, що загибель клітин-господарів відбувалася швидше й інтенсивніше в темних умовах, порівняно зі світлом. Білок доповнює фотоактивоване утворення некрозу церкоспорином. Експресія генів, пов’язаних із патогенезом рослин, зазвичай пригнічується темрявою, що є перевагою для ефекторних білків, які викликають токсичність у клітинах листя. Дослідження CbNip1 корисне для ілюстрації процесу взаємодії рослин і патогенів у темряві та подальшого розуміння виникнення церкоспорозу.

Контроль захворювання

Прояв симптомів церкоспорозу на цукрових буряках відбувається поступово. На першому етапі на первинних листках з’являються некротичні плями. У міру прогресування захворювання первинне листя рослини починає в’янути та опадати. Це може призвести до вегетативного відростання листя для підтримки фотосинтетичної активності. Однак це відростання стимулюється за рахунок запасів цукру в корені, що призводить до значної втрати маси коренеплоду та цукристості, тому заходи боротьби з церкоспорозом є дуже необхідними для контролю даного захворювання в польових умовах.

Система землеробства

Сівозміна — важливий метод зменшення кількості рослинних патогенів у польових умовах. Сівозміна з тими культурами, які не є розповсюджувачами даного захворювання, є практичною стратегією боротьби з захворюванням, що може зменшити початкове навантаження інокулятом. Щонайменше дворічна сівозміна необхідна для зниження рівня інфекції, оскільки коротші сівозміни все ще можуть забезпечити значне виживання грибкових патогенів і призвести до більшої поширеності та інтенсивності захворювання на цукрових буряках. Крім того, сівозміна також може допомогти покращити родючість і структуру ґрунту, зменшити його ерозію та допомогти у боротьбі з бур’янами та шкідниками. Глибокий обробіток ґрунту може ще більше зменшити початковий тиск інокуляту. Оскільки спори можуть поширюватися вітром на великі відстані, цукрові буряки слід садити подалі від раніше інфікованих полів.

Оцінка та моніторинг

Аналіз зображень — це технологія, яка збирає зображення листя цукрових буряків за допомогою камери або інших інструментів обробки зображень. Штучне збирання зображень має недоліки, пов’язані з низькою ефективністю та високим рівнем похибок, у той час як безпілотні літальні апарати (БПЛА) і безпілотні наземні апарати (БНА) є високопродуктивними векторами, які допомогли зменшити дефект польової роботи. Незважаючи на те, що БПЛА обмежені умовами освітлення та вітром, вони можуть надавати зображення високої просторової роздільної здатності. БНА можуть надавати зображення з високою роздільною здатністю для виявлення симптомів церкоспорозу за допомогою активних датчиків на короткій відстані, але для їх практичної експлуатації потрібні відповідні ґрунтові умови. ASSESS — це частина програмного забезпечення для аналізу зображень, яка визначає область некрозу листя. Вона розраховує площу в пікселях, що дозволяє уникнути переоцінки складності захворювання при візуальній оцінці. В останні роки технології глибокого навчання та штучного інтелекту стали досить зручними для сільськогосподарського виробництва. Згорткова нейронна мережа (ЗНМ) — це нейронна мережа прямого зв’язку, побудована шляхом імітації біологічного візуального сприйняття, яка має потужні можливості в області обробки зображень. Модель регресії, розроблена шляхом поєднання ЗНМ із набором даних, може обробляти зображення з найменшою кількістю помилок.

Полімеразна ланцюгова реакція (ПЛР) є високоспецифічною та чутливою, її можна застосувати для виявлення потенційних ризиків поширення церкоспорозу. Вона виявляє унікальні фрагменти ДНК C. beticola з безсимптомних листків, альтернативних господарів і насіння, навіть зі спорів із штучних пасток. Це особливо корисно на початковій стадії діагностики захворювання та для запобігання поширення церкоспорозу. Імуноферментний аналіз (ІФА) є методом виявлення антигену. Завдяки поєднанню ІФА з технологією ПЛР можна не тільки швидко виявити патогени в ґрунті, але й точно визначити кількісну біомасу міцелію.

Хімічні та біологічні обробки

Фунгіциди є найефективнішим засобом профілактики церкоспорозу. У даний час для боротьби з захворюванням виробники використовують ряд захисних і лікувальних фунгіцидів, таких як дитіокарбамати, бензімідазоли та аміни. Захисні фунгіциди застосовуються локально, щоб запобігти зараження конідіями, тоді як лікувальні фунгіциди можуть транспортуватися між різними органами рослин. Рекомендується чергування різних фунгіцидів, щоб уникнути розмноження резистентних штамів. Коли мінеральні елементи (наприклад, CuSO₄, S і H₃BO₃) використовуються у суміші з фунгіцидами для обприскування, активність каталази, пероксидази та поліфенолоксидази цукрових буряків значно зростає, що може зменшувати пошкодження рослинних клітин.

Біологічний контроль є альтернативним підходом, який демонструє потенціал профілактики церкоспорозу. Штами Trichoderma можуть не тільки пригнічувати ріст і споруляцію грибів in vitro, але й знищувати зимуючі конідії C. beticola. Після інокуляції цукрових буряків штамами Bacillus, Emericella та Epicoccum тяжкість церкоспорозу зменшується, а активність хітинази та глюканази підвищується. Стійкі до патогенів білки хітиназа та глюканаза визнані двома молекулярними маркерами, пов’язаними з індукованою патогеном набутою системною стійкістю. Вони мають синергічний ефект, що веде до боротьби з грибковими патогенами, що не є очевидним, коли виникає незалежно. Ферменти можуть зменшувати тяжкість грибкових захворювань шляхом руйнування компонентів хітину та глюкану клітинних стінок грибків. Крім того, ізоляти Paenibacillus і Pseudomonas можуть використовуватися як агенти біоконтролю церкоспорозу на цукрових буряках. Після обробки рослин активність пероксидази, поліфенолоксидази та фенілаланін-амоніази в буряках значно підвищується. Фенілаланін-амоніаза ініціює фенілпропаноїдний шлях, що призводить до виробництва фітоалексинів і фенольних сполук. Поліфенолоксидаза та пероксидаза можуть індукувати біосинтез лігніну та окисне перехресне зшивання клітинних стінок рослин, що може запобігти поширенню патогенів.

Стійкі сорти

Наділення сортів цукрових буряків генетичною стійкістю є ефективним для обмеження розвитку церкоспорозу. Ряд захисних реакцій, ініційованих експресією відповідних генів, відповідає за затримку інфекційного процесу та розвитку захворювання. Як дикий предок цукрових буряків, морський буряк часто використовується як джерело стійких генів у селекційних програмах, у яких часто застосовується метод зворотного схрещування (беккрос). Стійкість до церкоспорозу успадковується кількісно і, за оцінками, в цьому процесі задіюються 4-5 генів. Ці локуси кількісних ознак (ЛКО), які є переважно частково домінантними або адитивними, розподіляються по різних хромосомах. На спадковість впливають фактори зовнішнього середовища. Спадковість резистентності в широкому і вузькому сенсі становить 70% і 25% відповідно, а зміна середовища коливається від 44% до 62%.

Для відбору генотипів цукрових буряків, які мають високу стійкість до церкоспорозу, в якості біомаркерів часто використовують такі біохімічно-молекулярні речовини, як пероксидазу, поліфенолоксидазу та хітиназу. Тим часом велика кількість бактеріальних ендофітів, таких як Methylobacterium і Mucilaginibacter, можуть корелювати з підвищеною чутливістю до церкоспорозу. Ці біомаркери можуть використовуватися як індикатори для виведення стійких сортів цукрових буряків. У порівнянні з аналізом диференціальної експресії білків, на практиці профіль метаболітів є більш зручним методом. 4-амінобутират, фруктоза та глутамін можуть диференціювати чутливість генотипів. Крім того, фунгітоксичні сапоніни та поліфенольні сполуки пов’язані з більш високою стійкістю господаря.

Інтегрований контроль

Виведено сорти цукрових буряків із генетичною стійкістю до церкоспорозу, які успішно вирощуються в багатьох країнах світу, де виробництво буряків стикається з проблемами цієї хвороби. Однак негативний зв’язок між стійкістю до хвороби і виходом цукру може ускладнити розробку сортів буряків, які поєднують як високий рівень стійкості до хвороби, так і високу продуктивність. Коли тиск хвороби низький або відсутній, дуже продуктивні, але сприйнятливі до церкоспорозу, сорти цукрових буряків, які отримують помірну кількість обробок фунгіцидами, можуть працювати краще, ніж стійкі сорти, оскільки вони мають кращий потенціал врожайності. Коли церкоспороз поширений і часто трапляються важкі стадії інфікування посівів, економічна віддача зазвичай вимагає комбінованого використання стійких сортів і повторних обробок фунгіцидами. Однак важливо брати до уваги недоліки фунгіцидів, включаючи потенційний негативний вплив на здоров’я людини та навколишнє середовище, збільшення витрат на виробництво та розвиток стійких до фунгіцидів штамів патогенів. Моделі польового моніторингу та прогнозування епідемії є більш ефективними комплексними підходами, які можуть мінімізувати кількість фунгіцидних обробок. Забезпечуючи раннє попередження про початок і прогресування захворювання, ці моделі дозволяють виробникам більш ефективно планувати обробку фунгіцидами та запобігати непотрібним застосуванням дорогих діючих речовин. Деякі моделі на основі погодних даних розраховують загальне добове значення зараження церкоспорозом і прогнозують процес зараження. Інші моделі враховують захворюваність, агрономічні характеристики та дані про погоду, що сприяє комплексному контролю захворювання.

Майбутні перспективи

Як зазначалося вище, досягнуто величезного прогресу в боротьбі з церкоспорозом, який продовжує залишатися серйозною проблемою для вирощування цукрових буряків. Виробництву дуже потрібні передові та комплексні підходи. Обприскування фунгіцидами слід проводити з режимом чергування, щоб знизити ризик розвитку стійкості у патогенів. Комплексні моделі необхідні для більш точного прогнозування захворювання, що може зменшити використання фунгіцидів.

Молекулярні методи ефективні для виявлення збудника на ранній стадії розвитку захворювання. Вони також можуть визначати альтернативних і безсимптомних господарів, які служать «резервуарами» патогенів. Впроваджуються технології біологічного контролю церкоспорозу. На додаток до мікробів, які можуть використовуватися як антагоністи C. beticola, деякі класи ферментів, виділених із них, можуть детоксикувати церкоспорин. Вакцина проти захворювань рослин, така як олігохітозан, який ефективний для формування вродженого імунітету рослин проти захворювань, є досить цікавим та актуальним напрямком досліджень.

Трансгенний цукровий буряк має значний потенціал і комерційну цінність для контролю церкоспорозу. Стійкість може набуватися шляхом експресії трансгенів, які кодують детоксикаційні ферменти, протигрибкові пептиди та фітоалексини. В останні роки редагування генів почало швидко розвиватися для покращення виробництва цукрових буряків. Коли його застосовують для виведення резистентності, мішенями часто є гени, які негативно регулюють протизахворювальні реакції. Редагування генів також спрямоване на реакцію на захворювання, включаючи білки, що кодують гени, які захоплюються патогенами для інфікування рослин. Щоб досягти успіху, аналогічного до селекції пшениці в плані її стійкості до борошнистої роси, методи редагування генів невдовзі також будуть застосовуватися на цукрових буряках.