Учение об иммунитете растений к болезням
Экстенсивная система сельского хозяйства и необоснованная химизация сильно осложняют фитосанитарную ситуацию. Несовершенная агротехнология, монокультура, необработанные засоренные поля создают исключительно благоприятные условия для распространения инфекции и вредителей.
На всех этапах онтогенеза растения взаимодействуют со многими другими организмами, большинство которых вредные. Причиной разных болезней растений и семян могут быть грибы, бактерии и вирусы.
Болезни проявляются в результате взаимодействия двух организмов – растения и возбудителя, который губит клетки растения, выделяя в них токсины, и переваривает их посредством ферментов деполимераз. Обратная реакция растений заключается в обезвреживании токсинов, инактивации деполимераз и торможении роста патогенов посредством эндогенных антибиотиков.
Невосприимчивость растений к возбудителям болезней называется иммунитетом, или фитоиммунитетом. Н. И. Вавилов выделил природный, или врожденный, и приобретенный иммунитет. В зависимости от механизма защитных функций иммунитет может быть активным и пассивным. Активный, или физиологический, иммунитет предопределяется активной реакцией клеток растения на проникновение в них патогена. Пассивный иммунитет представляет собой категорию устойчивости, которая связана с особенностями как морфологической, так и анатомической структуры растений.
Эффективность физиологического иммунитета, обусловливается, в основном, слабым развитием возбудителя при резком проявлении иммунности – его ранним или поздним отмиранием, которое часто сопровождается локальным отмиранием клеток самого растения.
Иммунитет полностью зависит от физиологических реакций цитоплазмы гриба и клеток хозяина. Специализация фитопатогенных организмов определяется способностью их метаболитов подавлять в растении активность защитных реакций, индуцированных заражением. Если клетки растений воспримут проникающий патоген как посторонний организм, возникает серия биохимических изменений, направленных на его устранение, поэтому заражение не происходит. В ином случае наступает заражение.
Характер развития болезни зависит от особенностей обоих компонентов и условий окружающей среды. Наличие инфекции еще не означает проявление болезни. Ученый Дж. Деверолл в связи с этим выделяет два типа инфекции: 1) высокий, если возбудитель болезни вирулентный, а растение восприимчивое к данной болезни; 2) низкий, характеризующийся вирулентным состоянием возбудителя болезни и повышенной устойчивостью к нему растений. При низкой вирулентности и слабой устойчивости отмечается промежуточный тип инфекции.
В зависимости от степени вирулентности патогена и устойчивости растения характер болезни неодинаковый. Исходя из этого, Ван дер Планк выделяет вертикальную и горизонтальную устойчивость растений против болезней. Вертикальная устойчивость наблюдается в случае, когда сорт к одним расам патогена более устойчивый, чем к другим. Горизонтальная устойчивость проявляется ко всем расам патогена одинаково.
Иммунитет растения к болезням определяется ее генотипом и условиями окружающей среды. Н. И. Вавилов приводит информацию о том, что сорта пшеницы мягкой очень поражаются бурой ржавчиной, между тем как формы пшеницы твердой устойчивы против этой болезни. Основатель учения о фитоиммунитете пришел к выводу, что наследственные различия сортов растений по иммунитету константные и мало подвергаются изменчивости под воздействием факторов среды. Относительно физиологического иммунитета, Н. И. Вавилов считает, что в этом случае наследственность сильнее среды. Однако, отдавая преимущество генотипическим особенностям, он не отрицает влияние и экзогенных факторов на устойчивость против болезней. В связи с этим автор указывает на три категории факторов иммунитета, или наоборот, восприимчивости: 1) наследственные свойства сорта; 2) избирательная способность патогена; 3) условия окружающей среды. Как пример приводятся данные о негативном влиянии повышенной кислотности почвы на устойчивость растений против некоторых грибных болезней.
Более сильное заражение пшеницы твердой головней происходит при низкой температуре (при 5 °С заражение составляло 70 %, при 15 °С – 54 %, при 30 °С – 1,7 %). Влажность почвы и воздуха часто является фактором, инициирующим развитие ржавчины, мучнистой росы и других болезней. На восприимчивость к грибной инфекции влияет также свет. Если выдерживать растения овса в темноте и тем самым снижать интенсивность фотосинтеза и образования углеводов, то они становятся иммунными к заражению ржавчиной. На устойчивость растений против болезней влияют удобрения и другие условия.
Сложность профилактики болезней и борьбы с ними обусловлена объективными факторами. Очень сложно вывести сорта, которые бы долгое время сохраняли устойчивость к патогену. Часто устойчивость теряется в результате возникновения новых рас и биотипов возбудителей, против которых сорт не защищен.
Борьба с болезнями осложняется еще и тем, что происходит адаптация патогенов к химическим средствам защиты.
Отмеченные факторы являются основной причиной того, что расходы на защиту растений в условиях современного земледелия все растут, опережая темпы прироста сельскохозяйственной продукции в 4–5 раз. В основных зерносеющих районах болезни часто является лимитирующим фактором получения высоких урожаев зерна. В связи с этим для дальнейшей интенсификации сельскохозяйственного производства необходимы новые, совершенные методы защиты растений.
При разработке новых систем защиты растений необходимо ориентироваться на регуляцию численности вредных организмов в агроэкосистеме. В методическом плане необходимо определять комплексы вредных организмов, поражающих растения в разные фазы развития. Необходимо создавать модели, отражающие влияние отдельных видов патогенов и их комплексов на формирование урожая и позволяющие оптимизировать эти процессы посредством агротехнологических, организационно-хозяйственных и защитных мероприятий.
Одной из самых важных предпосылок получения семян с высокими биологическими свойствами является отсутствие патогенной микрофлоры. Болезни наносят большой вред семенам на всех этапах его жизнедеятельности – при формировании, хранении и прорастании.
Через семена патогены могут передаваться тремя путями: 1) как механические примеси (склероции в семенах ржи); 2) в виде спор на поверхности семян (твердая головня злаков); 3) в виде мицелия в средине семян, например, пыльная головня.
Микрофлору семян разделяют на несколько групп. Эпифитная микрофлора представляет собой микроорганизмы, которые заселяют поверхность семян и питаются продуктами жизнедеятельности растительных клеток. При нормальных условиях такие возбудители не инвазируются во внутренней ткани и не приносят заметного вреда (Alternaria, Mucor, Dematium, Cladosporium идр.). Эндофитная (фитопатогенная) микрофлора состоит из микроорганизмов, способных проникать во внутренние части растений, развиваться там, вызывать заболевание семян и растений, вырастающих из них (Fusarium, Helmintosporium, Septoria и др.). Микроорганизмы, попадающие на семена случайно при контакте с зараженными поверхностями оборудования складов, тары, частицами почвы, растительными остатками с пылью и каплями дождя (Реnісіllium, Aspergillus, Mucor и др.). Плесень хранения, развивающаяся в результате жизнедеятельности грибов (Реnісіllium, Aspergillus, Mucor идр.).
Различают эмбриональную инфекцию, когда возбудители болезни встречаются в любой из составных частей зародыша и экстраэмбриональную инфекцию, когда патогены находятся в эндосперме, оболочке, перикарпии и прицветниках. Размещение патогена в семенах зависит от анатомии семян и специфического для каждого микроорганизма места проникновения.
Селекция. Процесс выведения устойчивых к болезням сортов состоит из нескольких этапов: поиска источников (доноров) устойчивости, скрещивания, отбора и т. д. На всех этапах необходимо проводить сравнительную оценку поражаемости растений.
Методы испытания устойчивости.. Все методы испытания устойчивости можно разделить на прямые и косвенные.
Прямые методы заключаются в изучении реакции растений на заражение патогенным организмом. Самые объективные данные можно получить при определении поражаемости растений в обстановке природных эпифитотий. Однако благоприятные для развития эпифитотий условия наблюдаются не каждый год, поэтому для испытания устойчивости селекционного материала создают искусственные эпифитотийные условия. Поскольку для возникновения эпифитотии необходимы определенный запас инфекции и благоприятная погода, на соблюдение этих двух условий обращено основное внимание. Первому условию удовлетворяет создание инфекционного фона, т. е. выращивание растений в условиях контакта с инфекционным началом. Для удовлетворения второго условия инфекционный фон помещают в обстановку, провоцирующую развитие болезни. Во избежание распространения инфекции на соседние посевы или насаждения такой инфекционно-провокационный фон создают в изолированном от них месте. Работа на инфекционном фоне включает три задачи: накопление инфекционного материала, внесение инфекции и выращивание испытуемых растений, учет пораженности.
1. Способы накопления инфекционного материала зависят от биологических особенностей паразитов и особенностей их взаимоотношений с растениями. Паразитов, способных размножаться в искусственных условиях, обычно накапливают на мертвом органическом субстрате — пропаренных зернах злаков или агаризованных питательных средах, которые заражают чистыми культурами фитопатогенных грибов или бактерий. Облигатные паразиты не могут расти на искусственных субстратах, поэтому их собирают с больных растений и хранят в условиях, при которых их жизнеспособность и патогенность значительно не снизятся. Так, уредоспоры ржавчинных грибов длительно сохраняют жизнеспособность при хранении в холодильнике в высушенном состоянии. Некоторых паразитов необходимо все время поддерживать пересевами с одного растения на другое (возбудители мучнистых рос, нестойкие вирусы).
2. Внесение инфекции производят непосредственно на растение или в почву. Большинство почвообитающих паразитов, заражающих подземные части растений, вносят в почву под посев испытуемых растений. Поскольку почвенная среда менее подвержена колебаниям внешней среды, чем воздушная, а такой важный фактор, как влажность, можно регулировать поливами, почвенный инфекционный фон можно создавать непосредственно в поле. Главное условие успешного испытания устойчивости на почвенном инфекционном фоне — равномерное распределение инфекции на участке, ибо возможности почвенных паразитов для распространения из первичных очагов ограничены. При неравномерном распределении инфекционного материала некоторые растения останутся непораженными не потому, что они устойчивы, а потому, что их корни не контактировали с паразитом. Отбор таких растений может привести не только к потере года работы, но и к трудно поправимым в дальнейшем ошибкам. Для контроля за равномерностью инфекционного фона на участке испытания равномерно распределяют делянки с высоковосприимчивым сортом, который обычно поражается на 100%. Наличие непораженных растений этого сорта будет свидетельствовать о том, что инфекционный фон не пригоден для работы.
Некоторых паразитов удобно вносить на семена перед посевом. Так заражают семена злаков головневыми грибами. При этом надо точно соблюдать рекомендуемую инфекционную нагрузку на семена. При слишком низкой концентрации спор могут не поразиться отдельные восприимчивые растения. Наоборот, слишком высокая, практически не встречающаяся в природе нагрузка вызовет поражение обычно непоражаемых растений. Среди форм устойчивости злаковых культур к головне широко распространена устойчивость к заражению, которая преодолевается высокими инфекционными нагрузками.
Часто приходится наносить инфекцию на вегетирующие растения. Если такое заражение проводится в полевых условиях, то необходимо по возможности поддерживать благоприятные для развития болезни условия — высевать растения в пониженных местах, вблизи леса, проводить заражение вечером, чтобы инфекционные капли не высыхали в течение ночи. Однако природная обстановка часто не может гарантировать массового заражения паразитами, распространяющимися по воздуху, поэтому растения заражают искусственно в теплицах, где легче контролировать условия выращивания растений. Современные селекционные теплицы оборудованы специальными камерами, в которых можно поддерживать температуру, влажность и освещенность на любом необходимом для работы уровне. Работа в теплице позволяет проводить испытание не вообще устойчивости, а определенных ее форм. Например, хорошие результаты показал следующий метод испытания устойчивости картофеля к заражению фитофторозом: молодые растения в теплице заражают спорами гриба и выдерживают короткое время в условиях влажной камеры, а затем включают мощные лампы и вентиляторы, чтобы быстро просушить их. Если ростки спор успели внедриться до высушивания листьев, паразит сможет продолжать развитие в ткани растения, если же не успели, то развитие будет приостановлено на этапе заражения. Растения, свободные от болезни при таких условиях испытания, обладают устойчивостью к заражению и слабо поражаются при испытании в поле. Разработаны методы заражения, при которых, наоборот, игнорируется устойчивость зараженных тканей. Например, споры возбудителя вертициллезного вилта хлопчатника вносят не в почву, откуда их проростки естественным путем заражают корневую систему, а в стебель с помощью шприца, прокалывающего покровные ткани. Подобные методы позволяют избежать случайной незараженности восприимчивых растений, но имеют два недостатка. Во-первых, они сложны и трудоемки, с их помощью нельзя осуществить массовое заражение, которое является важнейшим условием успеха селекции. Во-вторых, они сильно отличаются от естественных путей контакта паразита и хозяина, поэтому полученные с их помощью результаты можно использовать лишь как предварительные. Окончательная оценка устойчивости должна проводиться в поле, в условиях естественных эпифитотий. Если такие условия в зоне работы селекционера встречаются редко, то селекционный материал, предварительно оцененный как устойчивый, можно отправлять на специальные союзные или международные станции по испытанию устойчивости растений к болезням, которые созданы в зонах ежегодных эпифитотий и на которых работают опытные селекционеры и фитопатологи. Например, международный центр по испытанию устойчивости пшеницы к ржавчине создан в Югославии. В нашей стране станция по испытанию устойчивости картофеля к фитофторозу работает на Сахалине, а пункт по изучению устойчивости винограда к милдью — на Черноморском побережье Кавказа.
Способы искусственного заражения зависят также от типа устойчивости растений. При селекции на вертикальную устойчивость необходимо заразить все испытуемые растения путем равномерного распределения инфекционного материала. Если же растения не имеют генов вертикальной устойчивости или селекция специально направлена на использование горизонтальной, то надо в центре поля или делянки создать очаг инфекции (например, посеять одно или несколько растений восприимчивого сорта и заразить их), наблюдать за скоростью и интенсивностью развития болезни на делянке и отбирать медленно заболевающие растения или целые семьи. Делянки с отдельными селекционными номерами следует пространственно отделить друг от друга или посеять между ними высокостебельные иммунные культуры.
3. При учете пораженности в зависимости от вида растения, заболевания и стоящей перед селекционерами задачи определяют абсолютную или относительную устойчивость к болезни.
При определении абсолютной устойчивости учитывают только один показатель — наличие или отсутствие поражения. По отношению к патогенам, поражающим надземные части растения, устойчивыми считают не только растения, не образующие видимых симптомов заражения, но и те, которые реагируют на заражение реакцией сверхчувствительности. Таким образом, отсутствие спороношения на поверхности зараженных частей растения, образование местных некрозов вместо общего заражения — все эти показатели свидетельствуют об абсолютной устойчивости. Показателем абсолютной устойчивости к почвенным паразитам служит отсутствие зараженных растений на почвенном инфекционном фоне.
Чаще приходится испытывать относительную устойчивость, т. е. степень поражения. Определение относительной устойчивости позволяет выявить преимущества нового сорта перед стандартным районированным. Кроме того, горизонтальная устойчивость — это почти всегда относительная устойчивость. Относительную устойчивость можно определить двумя способами: для заболеваний общего типа (увядание, вирусные инфекции, виды головни) — определением процента пораженных растений в опыте и контроле (контроль — стандартный сорт); для заболеваний местного характера (виды ржавчины, парша яблони, гельминтоспориозы)— определением процента поверхности листьев или стеблей, занятой пустулами или пятнами.
Рис. 54. Шкала учета пораженности яблони паршой:
А — пятнистый тип; Б — диффузный тип.
Чтобы стандартизировать результаты количественного учета некоторых болезней, разработаны специальные шкалы (рис. 54). Пораженность листьев или стеблей анализируемых растений сравнивают со шкалой учета пораженности.
Косвенные методы в отличие от прямых имеют ограниченное применение. Их следует использовать в тех случаях, когда оценка прямого заражения связана с долгим ожиданием результатов или затруднительна. Поэтому они применяются в основном при оценке горизонтальной устойчивости, так как наличие вертикальной легко установить прямым заражением. Можно выделить две группы косвенных методов: анатомо-морфологические и физиолого-биохимические.
Анатомо-морфологическими методами оценивают наличие факторов аксении. При такой оценке отбирают растения, имеющие анатомо-морфологические показатели, неблагоприятные для развития паразита (рыхлый куст при оценке картофеля на устойчивость к фитофторозу, толстую листовую кутикулу при оценке яблони на устойчивость к парше, прочную соломину при оценке пшеницы на устойчивость к инфекционной ломкости стеблей и т. д.). Если обнаружена хорошая корреляция между устойчивостью к болезни и подобными свойствами растения, то такая косвенная оценка дает надежные результаты.
Физиолого-биохимические факторы чаще связаны с наличием истинной устойчивости. Имеется много рекомендаций по оценке устойчивости к болезням с помощью определения активности окислительных ферментов растения, концентрации фенолов в соке, антигенного сходства белков паразита и хозяина, накопления фитоалексинов и других ингибиторов и др. Поскольку факторы истинной устойчивости разнообразны и до сих пор не известна относительная роль каждого фактора, подобные методы оценки могут дать большую ошибку и их можно использовать как сугубо предварительные.
Гибридизация. Создание устойчивых к болезням сортов сельскохозяйственных растений заключается в конечном счете в перенесении генов устойчивости из одних растений в другие. Поэтому методы селекции зависят от числа генов, управляющих устойчивостью, и их экспрессивности (интенсивности проявления устойчивости).
При олигогенной устойчивости вертикального типа часто бывает достаточно одного гена для полного выражения устойчивости. В этом случае основной метод селекции — беккросс, с помощью которого можно перенести из одного растения в другое небольшой участок хромосомы, содержащий желательный ген. Беккросс заключается в том, что скрещивают хороший, но восприимчивый к болезни сорт с донором гена устойчивости. В первом или во втором гибридном поколении отбирают устойчивые растения на инфекционном фоне (носителей гена устойчивости) и вновь скрещивают их с восприимчивым сортом. Отобранные в потомстве устойчивые растения опять скрещивают с восприимчивым сортом. После каждого скрещивания часть хромосом устойчивого родителя будет замещаться хромосомами восприимчивого, но хромосома, несущая ген устойчивости, сохранится, ибо в потомстве все время отбирают устойчивые формы. С каждым последующим беккроссом гибрид становится все более схож по всем признакам с восприимчивым родителем, но сохраняет высокую степень устойчивости. Главное условие успешного проведения бекккросса — жесткий отбор на инфекционном фоне устойчивых гибридов, чтобы не лишиться того, ради чего проводится вся работа,— гена устойчивости.
С помощью беккроссов советским селекционером И. И. Пушкаревым был перенесен ген устойчивости к фитофторозу из дикого картофеля Solanum demissum в культурный и создан первый в мире фитофтороустойчивый сорт картофеля, а М. Ф. Терновским перенесены гены устойчивости к ВТМ и ложной мучнистой росе из диких видов табака в культурные.
При полигенном наследовании устойчивости со слабым фенотипическим выражением отдельных генов (горизонтальный тип устойчивости) основной метод селекции — отбор среди гибридов, трансгрессивных по устойчивости. Это достигается накоплением в одном растении максимального числа генов. Поэтому следует скрещивать среднеустойчивые растения, оценивать как можно большее число потомков и наиболее устойчивые среди них снова скрещивать друг с другом. После нескольких циклов скрещивания и отбора в гибридных популяциях можно достигнуть максимальной устойчивости. Дальнейшие скрещивания будут неэффективны, так как все или почти все гены, имевшиеся в исходном материале, уже собраны вместе. Для дальнейшего повышения устойчивости надо вовлекать в скрещивания с выделенными гибридами новые сорта.
Семеноводство и сорторазмещение. В задачи семеноводства и сорторазмещения входит создание условий, при которых устойчивые к болезни сорта как можно дольше сохраняют свою устойчивость.
При наличии у сорта горизонтальной устойчивости опасность поражения его новыми расами невелика. Поэтому основное внимание должно быть обращено на сохранение породных свойств сорта. Если гены устойчивости (или их часть) находятся в гетерозиготном состоянии (а это обычно для перекрестноопыляемых растений — подсолнечника, сахарной свеклы, ржи, клевера и др.), то отборы на инфекционном фоне следует продолжать и в процессе размножения сорта, т. е. в системе семеноводства, чтобы сохранить или даже увеличить достигнутую в процессе селекции степень устойчивости.
При наличии вертикальной устойчивости главное внимание должно быть уделено взаимоотношению сорта с популяциями паразитов, чтобы не допустить накопления в них вирулентных клонов. Как указано выше, накопление рас, вирулентных для устойчивого сорта, происходит тем быстрее, чем шире распространен этот сорт в производстве. Поэтому главное условие длительного сохранения сортом устойчивости — «лоскутный» способ его выращивания, создание максимального разнообразия в посевах полевых сельскохозяйственных культур. В зонах ежегодных эпифитотий для увеличения генетического разнообразия целесообразно выращивать многолинейные сорта, т. е. смесь сортов, одинаковых по агрономическим свойствам (времени созревания, высоте, технологическим качествам), но имеющих разные гены устойчивости. В других зонах необходимо устойчивый к болезни сорт чередовать во времени и пространстве с иммунными культурами и другими сортами. Надо стремиться к тому, чтобы все хозяйства выращивали по нескольку сортов каждой культуры. Посадки многолетних культур (плодово-ягодных и др.) обязательно должны состоять из смесей разных культур и разных сортов одной культуры. Только в таких условиях можно достигнуть экологического равновесия между паразитом и хозяином и устранить условия для возникновения эпифитотий.
Иммунизация. Устойчивость растения к тем или иным болезням иногда удается повысить искусственным заражением или обработкой синтетическими или природными веществами. Заражение ослабленными штаммами возбудителей болезней получило название вакцинации (от лат. Вакцина — оспа коров, используемая для защитных прививок от оспы), а обработка химическими веществами — иммунизации.
Вакцинация получила практическое применение при защите растений от вирусных болезней. Она основана на явлении интерференции, при котором растение, зараженное штаммом какого-либо вируса, становится иммунным к последующему заражению другим штаммом этого же вируса. Поэтому возникла идея обрабатывать растения слабопатогенными «мягкими» штаммами для защиты их от «суровых» штаммов. Вакцинация применяется в ряде стран, в том числе в РФ, для защиты томатов в теплице от мозаики и стрика, вызываемых ВТМ. Слабые штаммы ВТМ, используемые в качестве вакцины, выделяют среди природных изолятов или получают искусственно после облучения вирусных частиц ультрафиолетовым светом.
Однако широкое внедрение противовирусной вакцинации может привести к нежелательным последствиям, так как при массовом размножении в растениях слабопатогенных вирусов не исключено возникновение высокопатогенных мутантов, и, кроме того, попадание в вакцинированные растения неродственных вирусов может привести к тяжелым заболеваниям, часто возникающим при смешанных вирусных инфекциях. Поэтому вакцинация применяется в ограниченном масштабе и в основном в защищенном грунте.
Вакцинирующим эффектом обладают и некоторые грибы. Одна из причин такого действия — образование фитоалексинов. Как было отмечено, сорта, имеющие гены вертикальной устойчивости, образуют фитоалексины в ответ на заражение невирулентными расами, но не образуют в ответ на заражение вирулентными. Поэтому заражение растения невирулентной расой или неспецифическим для него паразитом вызовет образование фитоалексинов, способных подавить развитие и вирулентной расы.
Устойчивость растений может быть повышена и обработкой их химическими веществами. Некоторые продукты обмена веществ (метаболиты) фитопатогенных грибов и бактерий вызывают в растении защитные реакции, препятствующие последующему развитию паразитов. В опытах, проведенных под руководством Л. В. Метлицкого и Н. А. Дорожкина, при обработке клубней или опрыскивании ботвы картофеля высокомолекулярным соединением, выделенным из мицелия фитофторы, снижалась пораженность болезнями и повышался урожай.
Усиление защитных реакций происходит и вследствие обработки растений некоторыми пестицидами. Обнаружены соединения, слаботоксичные для грибов, но эффективно защищающие от них растения. Например, дихлорциклопропан защищает рис от пирикуляриоза благодаря усилению синтеза фенолов и образованию лигнина. Диаллат защищает злаки от фузариозов вследствие увеличения прочности клеточных стенок, в которых накапливается лигнин.
Агротехника. В процессе выращивания растений можно повысить потенциал их устойчивости и с помощью различных агротехнических приемов: предпосевной обработкой семян, внесением удобрений, обрезкой и др.