УДК 631.46:579.64:582.288.45:582.14

ИЗУЧЕНИЕ ПОЧВЕННОЙ СТАДИИ РАЗВИТИЯ Fusarium culmorum ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МЕР ЗАЩИТЫ ЯЧМЕНЯ ОТ ГНИЛИ

О.К. СТРУННИКОВА

Макроконидии Fusarium culmorum вносили в почву на поверхности мембранных фильтров. Для идентификации грибных структур на фильтрах, инкубировавшихся в почве, и на корнях использовали иммунофлуоресцентное окрашивание. Развитие гриба оценили в почвенных условиях, приводящих к разной интенсивности корневой гнили ячменя. Связь между формированием грибом определенных структур и его патогенной активностью не выявлена. Установлено, что естественные антагонисты F. culmorum — почвенные бактерии. В почвах с высокой аборигенной микробиологической активностью, а также при интродукции штамма антагонистической бактерии плотность популяции F. culmorum существенно снижалась и интенсивность проявления болезни уменьшалась. Внесение в почву целлюлозы приводило к увеличению плотности почвенной популяции гриба, однако заболеваемость оставалась низкой. Внесение в почву целлюлозосодержащих материалов может быть приемом, способствующим переходу факультативного фитопатогена F. culmorum на сапротрофный тип питания.

Ключевые слова: развитие Fusarium culmorum в почве, почвенные условия, плотность популяции, корневая гниль.

 

Микромицет Fusarium culmorum (Wm. G. Sm.) Sacc. встречается в гумидных и полугумидных (1, 2), а также полуаридных (3) зонах выращивания зерновых. Вызывая болезни нескольких экономически важных культур (4), именно на зерновых он особенно опасен, так как не только снижает урожай, но и загрязняет зерно микотоксинами (5). Фунгициды не эффективны против почвообитающих фитопатогенов и из-за отсутствия избирательного действия могут навредить полезной микофлоре. Кроме того, фумиганты селектируют устойчивые к ним расы гриба, что было показано нами на примере Verticillium dahliae(6). Севооборот малоэффективен, поскольку не приводит к снижению численности F. culmorum в почве из-за способности гриба одинаково хорошо выживать и размножаться под различными (в том числе непоражаемыми) культурами (7).
В то же время для F. culmorum паразитизм на растениях не служит обязательным условием существования. Было показано, что гриб обладает высокой конкурентной способностью в почве (8) и может формировать вегетативные структуры в течение длительного времени (9). На основании данных о поведении гриба в разных условиях F. culmorum относят к факультативным фитопатогенам, способным в одних условиях развиваться в почве, осуществляя сапротрофный тип питания, в других — паразитировать на растениях как некротроф. Учитывая, что F. culmorumможет в процессе развития формировать различные структуры, представляет интерес оценить связь между существованием гриба в виде определенных структур и его патогенностью.
Нашей целью было изучение почвенной стадии развития Fusarium culmorum в условиях, приводящих к разной заболеваемости растений, для поиска мер защиты ячменя от гнилей.
Методика. Развитие F. culmorum в почве и на корнях оценивали в условиях разной влажности и гранулометрического состава почвы, с различными источниками внесенного углерода и формами минерального азота, при интродукции штамма антагонистической бактерии Pseudomonasfluorescens. Развитие гриба учитывали в вегетационных и полевых опытах (Агрофизический институт, дер. Меньково, Ленинградская обл., Биологический институт СПбГУ, г. Петергоф, Ленинградская обл.) с использованием ячменя сортов Детскосельский и Инари. Макроконидии F. culmorumвносили в почву на поверхности мембранных фильтров («Millipore», США). Гриб инкубировали в почве от нескольких суток до нескольких месяцев (в зависимости от целей исследования). Мембранные фильтры в течение каждого эксперимента извлекали несколько раз, в эти же сроки отбирали растения ячменя для оценки колонизации корней грибом и учета симптомов гнили общепринятыми методами. Гриб на фильтрах и на корнях окрашивали с использованием метода флуоресцирующих антител (10, 11). Фильтры с грибом, инкубировавшиеся в почве, и образцы корней после иммунофлуоресцентного окрашивания просматривали под люминесцентным микроскопом Imager A 1 («Carl Zeiss», Германия) при увеличении ½400. На фильтрах плотность мицелия (по длине) учитывали согласно 5-балльной шкале: 1 балл — < 1,0; 2 балла — 1,0-2,3; 3 — 2,3-3,6; 4 — 3,6-5,5; 5 — > 5,5 м на 1 см2 поверхности фильтра. Интенсивность колонизации корней оценивали по числу микроколоний гриба в поле зрения микроскопа. Формируемые макроконидии и хламидоспоры на фильтрах и на корнях подсчитывали поштучно.
Результаты. Проводимое микроскопирование позволило наблюдать не только развитие F. culmorum, но имикробные ценозы, формируемые на фильтрах вблизи гриба. При этом благодаря использованию видоспецифичных к исследуемому грибу антител удалось надежно отличать его от другой почвенной микобиоты.
Для определения адекватности предложенного метода провели сравнительную оценку развития F. culmorum непосредственно в почве ина находящихся в ней мембранных фильтрах. Полученные высокие коэффициенты корреляции свидетельствовали о выравненности условий на фильтрах и в почве, об адекватности метода и возможности его использования для изучения почвенной стадии развития гриба (10).
Оценка состояния F. culmorum, начиная с прорастания макроконидий в почве до колонизации и развития на корнях, с одновременным учетом проявления симптомов гнили в разных условиях позволила составить представление о почвенной стадии развития гриба. Были установлены некоторые общие для всех почвенных условий закономерности. Так, внесенные на мембранных фильтрах в почву макроконидии F. culmorum всегда прорастали. Распространенное понятие, что с помощью фунгистазиса можно регулировать рост популяции фитопатогенного гриба в почве, как оказалось, не относится к F. culmorum: макроконидии F. culmorum подвержены фунгистазису, однако через 6-12 ч инкубации в почве обычно преодолевают его (10). Прорастающая макроконидия независимо от условий формировала мицелий, на мицелии образовывались новые макроконидии и хламидоспоры мицелиального либо макроконидиального типа. Прорастание грибных спор не обязательно было сопряжено с наличием корневых выделений.
В то же время почвенные условия влияли на число формируемых грибом структур. Так, в более тяжелых глинистых почвах в популяции гриба увеличивалась доля макроконидий (12, 13). В почвах с высокой микробиологической активностью и при интродукции штамма антагонистической бактерии возрастало число хламидоспор (11, 14). Количество мицелия, образуемое грибом в почве, также зависело от условий (9). Тем не менее, практически во всех из них гриб был обязательно представлен мицелием, доминирующим по биомассе среди других структур (9). Мицелий мог быть и единственной структурой, формируемой на протяжении длительного времени (7). Установленный факт, что F. culmorum практически во всех исследуемых условиях представлен мицелием, — очень важное доказательство сапротрофного существования гриба в почве. Оценка состояния F. culmorum в разных почвенных условиях показала, что процесс развития гриба идет постоянно, осуществляясь за счет прорастания образованных в почве макроконидий и роста мицелия. Интенсивность развития F. culmorum, прежде всего мицелия, определяется доступностью элементов питания: в ризосфере гриб был способен поддерживать высокую плотность структур в течение всей вегетации (9).
Начиная с 3-х сут, наряду с ростом отмечали лизис грибных структур. Было установлено, что лизису подвержен не только мицелий, но и макроконидии, и даже хламидоспоры. Просмотр фильтров с грибом, инкубировавшихся в почве, показал, что естественные антагонисты F.culmorum — не почвенные грибы, а бактерии. Бактерии, попадая на фильтр из почвы, колонизируют грибные структуры и лизируют их, причем интенсивность колонизации и лизиса определяется почвенными условиями. При микроскопировании можно было видеть также почвенные грибы, колонизирующие фильтр, однако ни в одном случае мы не наблюдали какого-либо их действия на F.culmorum
Постоянно происходящие процессы лизиса и роста F.culmorum могут быть уравновешенными или сдвинутыми в ту или иную сторону в зависимости от почвенных условий. На фоне высокой аборигенной микробиологической активности (например, в глинистых почвах с большим содержанием органического вещества) процесс лизиса преобладал над процессом роста, что привело к снижению плотности F. culmorum в ризосферной почве (9). Наиболее активный лизис мицелия и макроконидий отмечался при внесении в почву штамма антагонистической бактерии Pseudomonas fluorescens 2137, что привело к существенному снижению численности этих грибных структур (11, 14). Однако ни в одном из экспериментов мы не наблюдали, чтобы все грибные структуры были лизированы полностью. Даже при интродукции P. fluorescens, когда плотность мицелия и число макроконидий были очень существенно снижены, F. culmorum формировал значительное число хламидоспор, что свидетельствует о гибкой стратегии выживания фитопатогена (11, 14).
В условиях, когда жизнедеятельность почвенных бактерий снижена (например, при влажности почвы 20-30 %), лизис грибных структур происходил крайне редко, что приводило к очень существенному увеличению плотности гриба в почве (15). Значительное повышение плотности фитопатогена, неконтролируемое естественными антагонистами, привело к появлению корневой и стеблевой гнили ячменя именно при пониженной почвенной влажности.
Увеличение плотности мицелия и числа макроконидий F. culmorum наблюдали также при внесении глюкозы и целлюлозы в нестерильную почву без растений. Факт увеличения плотности популяции F. culmorum в присутствии аборигенной микрофлоры свидетельствует о способности гриба конкурировать в естественной почвеза углерод (14). Полученные данные послужили основанием для предположения, что введение дополнительного источника углерода (целлюлозы), доступного для F.culmorum и ограниченного числа представителей почвенной микрофлоры, индуцирует сапротрофное развитие гриба. Действительно, внесение в почву целлюлозы вызывало увеличение плотности почвенной популяции патогена, однако при этом гриб не заселял корни растений ячменя (рис.). Таким образом, при наличии доступного углерода в почве F.culmorum не колонизирует корни в поисках ниши и питания (16). Внесение соломы зерновых в количестве, соответствующем 2; 5 и 10 т/га, не только привело к снижению заболеваемости ячменя гнилью, но и способствовало лучшему развитию растений по сравнению с вариантом без заделки соломы в почву.

Влияние внесенной в почву целлюлозы на развитие Fusariumculmorum в почве под ячменем сорта Инари (А), колонизацию грибом корней растений (Б) и интенсивность проявления на них симптомов гнили (В): а, б — соответственно внесен только F. culmorum (контроль) и F. culmorum + 1 % целлюлозы (данные вегетационных опытов).

Оценка развития F.culmorum в почвенных условиях, приводящих к разной заболеваемости ячменя гнилью, не выявила какой-либо зависимости между формированием определенных структур гриба и его патогенной активностью. Образование тех или иных структур скорее определялось почвенными условиями. Плотность мицелия прямо зависела от количества почвенного углерода и отсутствия антагонистической микрофлоры. Это полностью согласуется с абсорбционным типом питания гриба и наибольшей уязвимостью именно мицелия по сравнению с другими структурами. При микроскопировании мы отмечали в основном мицелий двух типов — прямой, малоразветвленный и очень сильно ветвящийся, извитой. Однако такой характер гиф можно было наблюдать даже на одном фильтре в пределах варианта, что, по всей видимости, связано с микрозональностью почвы.
Механизм и причины активного образования макроконидий, особенно наблюдаемого в почвах с повышенным содержанием глин (более богатых углеродом, чем песчаные), до конца не ясны. Прорастание макроконидий, сформированных в почве, наблюдалось чаще, чем их лизис. В то же время число образовавшихся макроконидий прямо соответствовало плотности мицелия. Вполне возможно, что повышенное образование макроконидий — это своего рода «запас» гриба, необходимый для обеспечения будущего роста и экспансии. Обильное формирование хламидоспор сопровождалось активным лизисом вегетирующих структур и было защитной реакцией гриба при действии либо аборигенных бактерий, либо интродуцированного штамма P. fluorescens.
Итак, оценка развития Fusarium culmorum в разных почвенных условиях, его сопоставление с интенсивностью колонизации корней и проявлением болезни на ячмене выявили возможных способов регулирования плотности почвенной популяции гриба и меры защиты растений от гнили. Учитывая, что естественными антагонистами F.culmorum являются почвенные бактерии, создание и поддержание условий, приводящих к высокой биологической активности почв, будет способствовать обеспечению высокой численности антагонистической микрофлоры, сдерживающей развитие фитопатогена как в почве, так и на корнях, что в конечном итоге приведет к снижению заболеваемости. Интродукция штамма антагонистической бактерии в почву также может ограничивать развитие фитопатогена в почве и на корнях. Однако следует знать условия, при которых антагонистический эффект интродуцента окажется максимальным. Создание почвенного режима, благоприятствующего сапротрофному развитию факультативного фитопатогена, — еще один способ снижения интенсивности развития корневой гнили, вызываемой F.culmorum. Соответствующий прием — заделывание в почву целлюлозосодержащих материалов, например соломы зерновых. Наличие в почве доступного источника углерода увеличивает сапротрофную активность F. culmorum и предохраняет корни от колонизации фитопатогеном, что приводит к уменьшению поражения корневой гнилью. Здесь следует напомнить, что сапротрофный тип питания позволяет грибу принимать участие в процессах оструктуривания почвы, то есть осуществлять полезную почвообразовательную деятельность.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. C o o k  R.J. Fusarium diseases of wheat and other small grains in North America. In: Fusarium: diseases, biology and taxonomy /P.E. Nelson, T.A. Toussoun, R.J. Cook (eds.). Pensylvania, USA, 1981: 39-52.
2. M c m u l l e n  M.,  J o n e s  R.,  G a l l e n b e r g  D. Scab of wheat and barley: a reemerging disease of devestating impact. Plant Disease, 1997, 81: 1340-1348.
3. S m i l e y  R.W.,  P a t t e r s o n  L.M. Pathogenic fungi associated with Fusarium foot rot of winter wheat in the semiarid Pacific Northwest. Plant Disease, 1996, 80: 944-949.  
4. W a g a c h a  J.M.,  M u t h o m i  J.W. Fusarium culmorum: infection process, mechanisms of mycotoxin production and their role in pathogenesis in wheat. Crop Protection, 2007, 26: 877-885.
5. P o m e r a n z  Y.,  B e c h t e r  D.B.,  S a u e r  D.B. e.a. Fusarium head blight (scab) in cereal grains. In: Advances in cereal science and technology /Y. Pomeranz (ed.). St. Paul, USA, 1990: 373-433.
6. S t r u n n i k o v a  O.K.,  V i s h n e v s k a y a  N.A.,  L a b u t o v a  N.M. Effect of tricyclazole on development of phytopathogenic fungus Verticillium dahliae. Proc. 12th Int. Symp. «Modern fungicides and antifungal compouds». Friedrichroda, Germany, 1998: 27.
7. Ш а х н а з а р о в а  В.Ю. Развитие интродуцированной популяции Fusariumculmorum (Wm.G. Sm.) Sacc. в различных почвенных условиях. Автореф. канд. дис. СПб, 2002.
8. B u r g e s s  L.W.,  G r i f f i n  D.M. Competitive saprophytic colonization of wheat straw. Ann. Appl. Biol., 1967, 60: 137-142.
9. Ш а х н а з а р о в а  В.Ю.,  С т р у н н и к о в а  О.К.,  В и ш н е в с к а я  Н.А. Развитие внесенной  популяцииFusariumculmorumв почве: особенности формирования и лизиса различных структур гриба. Микология и фитопатология, 2004, 38(2): 79-87.
10. С т р у н н и к о в а  О.К.,  Ш а х н а з а р о в а  В.Ю.,  В и ш н е в с к а я  Н.А. и др. Применение мембранных фильтров и иммунофлуоресцентного окрашивания для наблюдения за развитием почвообитающих микромицетов. Микология и фитопатология, 1998, 32(2): 65-72.
11. С т р у н н и к о в а  O.K.,  Ш а х н а з а р о в а  В.Ю.,  В и ш н е в с к а я  Н.А. и др. Взаимоотношения Fusariumculmorum и Pseudomonas fluorescens в ризосфере и ризоплане ячменя. Микология и фитопатология, 2008, 42(1): 68-75.
12. Ш а х н а з а р о в а  В.Ю.,  С т р у н н и к о в а  O.K.,  В и ш н е в с к а я  Н.А. и др. Структура и динамика популяции Fusarium culmorum в почвах разного гранулометрического состава. Почвоведение, 2000, 1: 86-91.
13. Ш а х н а з а р о в а  В.Ю.,  С т р у н н и к о в а  О.К.,  В и ш н е в с к а я  Н.А. Динамика и структура популяции микромицетов в стерильных почвенных смесях разного гранулометрического состава. Почвоведение, 2003, 2: 195-201.
14. С т р у н н и к о в а  O.K.,  Ш а х н а з а р о в а  В.Ю.,  В и ш н е в с к а я  Н.А. и др. Развитие и взаимоотношения Fusarium culmorum и Pseudomonas fluorescens в почве. Микробиология, 2007, 76(5): 675-681.
15. Ш а х н а з а р о в а  В.Ю.,  С т р у н н и к о в а  О.К.,  В и ш н е в с к а я  Н.А. Влияние влажности на развитие Fusariumculmorumв почве. Микология и фитопатология, 1999, 33(1): 53-59.
16. С т р у н н и к о в а  О.К.,  В и ш н е в с к а я  Н.А.,  Б о р о д и н а  Е.В. и др. Влияние целлюлозы на развитие Fusarium culmorum в ризосфере и ризоплане ячменя и интенсивность проявления корневой гнили. Микология и фитопатология, 2008, 42(6): 572-579.

 

STUDY OF Fusarium culmorum DEVELOPMENT IN SOIL FOR SEARCH OF PROTECTIVE ACTIONS AGAINST BARLEY ROOT ROT

O.K. Strunnikova

Fusarium culmorum macroconidia were introduced into soil on surface of the membrane filters. Immunofluorescent staining was used for identification of fungus structures on the filters and on barley roots. Fungus development was evaluated under different soil conditions leading to different disease incidence. The relation between formation of particular structures by fungus and its pathogenic activity was not established. It was shown that soil bacteria are the natural antagonists of F. culmorum. Population of F. culmorum soil and intensity of root rot decreased in soil with high native microbial activity and in soil with introduced strain of antagonist bacterium. On the contrary, cellulose introduced into soil has led to increase of fungus soil population but disease intensity decreased. Soil amendments with cellulose may be the way which will promote transition facultative phytopathogen F. culmorum to saprotrophism.

Keywords: growth of Fusarium culmorum in soil, soil conditions, population density, root rot.

ГНУ Всероссийский НИИ сельскохозяйственной
микробиологии Россельхозакадемии,

196608 г. Санкт-Петербург—Пушкин, ш. Подбельского, 3,
e-mail: olgastrunnikova@rambler.ru

Поступила в редакцию
20 декабря 2010 года

 

Оформление электронного оттиска

назад в начало