Агрохимия, 2022, № 12, стр. 47-54

ВВЕДЕНИЕ

Фитопатогенные почвенные микромицеты имеют широкое распространение и вредоносность в агроценозах яровой пшеницы в регионах Российской Федерации и Мира [1–4].

Особенно распространены на всех континетах Мира паразитарные системы пшеница–почвенные фитопатогены родов Fusarium Link. и Helminthosporium. Среди почвенных фитопатогенов грибы рода Fusarium и H. sativum Pam. занимают особое место не только потому, что являются возбудителями болезней (корневых гнилей, пятнистостей и ожогов листьев, увяданий, вилтов и др.) более 200 видов культурных и дикорастущих растений и заселяют почвы всего Мира, но и благодаря их способности вызывать у зерновых культур чрезвычайно опасный для людей и животных микотоксикоз зерна [5–7].

Все грибы рода Fusarium являются почвенными микромицетами и способны длительное время, до 15 лет, сохраняться в почве в форме хламидоспор, склероциев и других покоящихся структур, формируя долговременные стационарные очаги [8, 9]. H. sativum сохраняется в почве в форме конидий, хламидоспор и мицелия 5–7 лет [10, 11]. Экологические ниши фитопатогенных грибов H. sativum и рода Fusarium включают не только подземные органы растений, но и генеративные органы, которые они заражают при благоприятных гидротермических условиях. Фитопатогены могут сохраняться в зерновках до 7 лет, что расширяет почвенные очаги и способствует формированию новых при высеве инфицированных семян [12, 13]. Заражение колоса может происходить по сосудам или воздушно-капельным путем [14–16]. Интенсивность заражения колоса фитопатогенными микромицетами определяется рядом абиотических и биотических факторов, среди которых существенную роль играют сортовые особенности культуры, фитосанитарное состояние почвы, конкуренция с другими фитопатогенами, погодные условия [17–19].

Колонизируя колос, грибы р. Fusarium могут продуцировать 148 токсических соединений, крайне опасных для здоровья человека и животных [20–22]. Многие виды Fusarium, поражающие зерновые культуры, продуцируют фузариотоксины дезоксиниваленол (ДОН), ниваленол (НИВ), зеараненон (ЗЕА), Т-2 токсин, а также фумонизины, индуцирующие онкологические заболевания [23]. Например, основной возбудитель фузариоза колоса озимой пшеницы токсинопродуцирующий вид F. graminearum Schwabe. синтезирует ДОН и его ацетатные производные, а также НИВ [20, 22]. Фузариотоксины обладают нефратоксичными, иммуносупрессивными и канцерогенными свойствами [12, 20, 22]. H. sativum продуцирует токсины гельминтоспорол, гельминтоспорал, вик-токсин, цитокинин, опасные для здоровья людей и животных [20, 22].

В 2007–2008 гг. произошла смена доминирования фитопатогенов на подземных органах яровой и озимой пшеницы, и грибы рода Fusarium заняли преобладающее положение, формируя совместные патокомплексы с ранее доминировавшим H. sativum. Самая высокая частота встречаемости на подземных органах яровой пшеницы и ячменя (4–5 лет из 5-ти) в 2007–2016 гг. была у F. sporotrichioides, F. avenaceum, F. poae, F. equiseti, F. oxysporum, F. solani, F. subglutinans [24, 25]. Установлены факторы, способствующие доминированию грибов рода Fusarium в патокомплексе корневых гнилей зерновых культур – это минимизация обработки почвы, широкое применение триазольных протравителей, снижение супрессивности почвы, усугубление и повышение частоты засушливых периодов в течение вегетации, засоренность почвы семенами нежелательных (сорных) растений [25].

На семенах яровой пшеницы постоянно присутствовал H. sativum и достаточно широкий набор видов рода Fusarium, среди которых с разной частотой встречались F. sporotrichioides, F. poae, F. oxysporum, F. culmorum, F. solani, F. equiseti, F. ave-naceum, F. incarnatum, F. heterosporum, F. acuminatum, F. solani и др. Установлено, что вредоносность фитопатогенов усугублялась при раннем, в период колошения, инфицировании зерновок. Посевные качества инфицированных семян значительно снижались (r = 0.511–0.615) [21]. Распространению и развитию фитопатогенов на колосьях яровой пшеницы способствовали высокие температуры в последней декаде июля и в августе, превышающие средние многолетние показатели на 3–5°С, а также обильные осадки августа. Коэффициенты корреляции степени инфицирования зерновок пшеницы грибами рода Fusarium и суммы осадков за август составили r = 0.721–0.869, тот же показатель для H. sativum – r = 0.732–0.916 [16, 21].

Инфицирование колоса часто носит комплексный характер, может быть вызвано несколькими видами фитопатогенов, вступающих в сложные отношения как с растением-хозяином, так и друг с другом [19, 21]. Кроме того, в фитопатологии хорошо известно явление замещения экологических ниш элиминированных фитопатогенов близкими видами, часто не менее агрессивными [3, 15, 16].

Поскольку стартовой площадкой гельминтоспориоза и фузариоза колоса является почва, откуда фитопатогены могут разными путями достигать колоса, для долгосрочного контроля микозов следует создавать условия для целенаправленной индукции и поддержания супрессивности почвы, т.е. подавления развития или элиминации из почвы наиболее опасных фитопатогенов [2, 16, 24]. В последние годы выявлена специфичность естественной и индуцированной супрессивности типов почвы, а также специфические индукторы супрессивности в отношении H. sativum и нескольких патогенных микромицетов из рода Fusarium [28].

Подземные и генеративные органы сортов яровой пшеницы инфицируются комплексом фитопатогенов, однако их биологическое разнообразие и взаимоотношения изучены недостаточно [29]. Цель работы –выявление биологического разнообразия фитопатогенных микромицетов в системе подземных и генеративных органов сортов яровой пшеницы. Задачи исследования: 1 – определить видовое разнообразие почвенных патогенных микромицетов в системе подземных органов сортов яровой пшеницы в фазах вегетации, 2 – выявить биологическое разнообразие фитопатогенных микромицетов в органах зерновок сортов яровой пшеницы, 3 – оценить общность видового состава фитопатогенов в подземных и генеративных органах.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводили в 2020–2022 гг. в северной лесостепи Приобья. Были высеяны сорта из коллекции яровой пшеницы ФИЦ “Институт цитологии и генетики СО РАН” (лаборатория генофонда растений), изученные в рамках бюджетного проекта ИЦиГ СО РАН № 0259-2022-0018. Изучали сорта из различных регионов: Сибирская 17 (Новосибирская обл.), ЛТ-3 (Ленинградская обл.), Зауралочка (Курганская обл.), Jin Chun 2 (Китай), Remus (Германия), Manu (Финляндия), Quarna (Швейцария), Calingiri (Австралия), NIL Thatcher Lr35 (Канада), К-65834 (Таджикистан), Karee (ЮАР). Площадь под каждым сортом – 2 м² в трехкратной повторности. Предшественник – пар. Почва – выщелоченный чернозем.

Гидротермические условия вегетаций 2020 и 2021 гг. были довольно экстремальными и способствовали развитию фузариозно-гельминтоспориозной инфекции яровой пшеницы как на подземных, так и на генеративных органах. Растения периодически испытывали гидротермические стрессы, поскольку периоды повышенного увлажнения сменялись острозасушливыми условиями. В 2020 г. особенно засушливым был июнь, в 2021 – май и июль. Увлажнение в конце вегетации способствовало воздушно-капельной передаче фитопатогенов на колосья [16].

Аналитические исследования проводили общепринятыми и авторскими методами, протоколы которых приведены в [30]. Для определения фитопатогенов использовали определители [31, 32]. Общность видового состава определяли по коэффициенту Жаккара [30].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В период исследования таксономический состав патогенных микромицетов на подземных генеративных органах сортов в целом был типичным для зоны и был представлен Bipolaris sorokinana Sacc. Shoem. и грибами родов Fusarium Link. и Alternaria Nees. В общей сложности в годы исследования на подземных органах сортов яровой пшеницы были выявлены 12 видов грибов из рода Fusarium: F. poae (Peck.) Wollenw., комплекс видов F. oxysporum Schltdl., F. solani Koord., F. equiseti (Corda) Sacc., F. sambucinum Fuckel, F. graminearum Schwabe, F. sporotrichioides Sherb., F.culmorum Sacc., F. heterosporum Nees., F. acuminatum Ellis & Verh., F. semitectum Berk. et Rav. и F. sambucinum Fuckel. Годы исследования характеризовались контрастными условиями, что сказалось на видовом разнообразии микромицетов в зависимости от сорта и органа растения. Число видов фитопатогенов в первичных корнях сортов яровой пшеницы по годам представлено в табл. 1.

Данные показали, что в 2020 г. биологическое разнообразие микромицетов на первичных корнях сортов в начале вегетации было небольшим в силу благоприятных условий для проявления устойчивости растений. Самое высокое разнообразие – 7 видов, было отмечено на первичных корнях немецкого сорта Remus в фазе цветения растений, самое низкое – 3 вида было выявлено на первичных корнях сорта Сибирская 17 в фазе цветения и у сортов LT-3 (Ленинградская обл.) и Calingiri (Австралия) в фазе цветения. В 2020 г. можно было отметить некоторую стабилизацию и рост среднего показателя биологического разнообразия микромицетов к концу вегетации в зависимости от сорта. В 2021 г. острая засуха в период формирования всходов увеличила биологическое разнообразие микромицетов на первичных корнях сортов, оно увеличилось по сравнению с 2020 г. на 25%. С наступлением более благоприятных условий биологическое разнообразие стабилизировалось, затем сократилось к концу вегетации под влиянием гидротермического стресса конца июля–начала августа. Можно заключить, что биологическое разнообразие фитопатогенов на первичных корнях сортов яровой пшеницы определялось сортом и условиями года. Сила влияния фактора “сорт” на биологическое разнообразие микромицетов патокоплекса корневых гнилей первичных корней составила 12.6, фактора “год” – 33.1%.

Биологическое разнообразие микромицетов на вторичных корнях сортов яровой пшеницы показано в табл. 2. Биологическое разнообразие грибов рода Fusarium на вторичных корнях менялось в зависимости от сорта, фаз развития и года вегетации. Максимальное среднее биологическое разнообразие было отмечено на вторичных корнях в 2020 г. в фазе цветения, 5 сортов имели на этих органах максимальное за вегетацию (7 видов) биологическое разнообразие микромицетов. К концу вегетации биологическое разнообразие фитопатогенов на вторичных корнях в среднем сократилось на 20%, причем для финского сорта Manu это сокращение достигло 2.3 раза. У 4-х сортов биологическое разнообразие фитопатогенов осталось неизменным по сравнению с фазой цветения. Можно предполагать, что засушливые условия июня повысили восприимчивость новых формирующихся органов яровой пшеницы к возбудителям корневых гнилей, обеспечив им максимальное биологическое разнообразие. Несколько иная ситуация сложилась в 2021 г., когда период формирования вторичных корней, напротив, был благоприятным для растений, что повысило их устойчивость к фитопатогенам. В среднем для сортов биологическое разнообразие фитопатогенов на вторичных корнях в фазе цветения в 2021 г. было меньше, чем в 2020 г., на 20%, отражая, по-видимому, их толерантность к гидротермическим стрессам. Исключением из общего правила был австралийский сорт Calingiri, у которого биологическое разнообразие в 2021 г. было даже выше, чем в 2020 г. К концу вегетации 2021 г. биологическое разнообразие патогенных микромицетов на вторичных корнях яровой пшеницы несколько увеличилось или осталось на прежнем уровне у большинства сортов. Исключение снова составил сорт Calingiri, на вторичных корнях которого число видов к фазе зрелости сократилось в 2 раза. Таким образом, сорта и условия года влияли на биологическое разнообразие патогенного микоценоза корневых гнилей. Дисперсионный анализ по схеме двухфакторного опыта показал, что сила влияния сорта на биологическое разнообразие фитопатогенов составила 14.7, года вегетации – 29.1% и была достоверна на 5%-ном уровне значимости.

Биологическое разнообразие микромицетов на основаниях стеблей показано в табл. 3. Показано, что на основаниях стеблей растений яровой пшеницы среднее в зависимости от сорта биологическое разнообразие патогенных микромицетов достигло максимума в фазе цветения в 2020 г. Благоприятные условия начала вегетации 2020 г. снизили биологическое разнообразие фитопатогенов, растения проявили устойчивость к возбудителям фузариозно-гельминтоспориозных корневых гнилей. Гидротермический стресс снизил устойчивость оснований стеблей к инфицированию фитопатогенами, в результате чего их среднее в зависимости от сорта биологическое разнообразие возросло в фазе цветения на 26%. К концу вегетации 2020 г. произошла стабилизация или снижение биологического разнообразия патогенных микромицетов на основаниях стеблей большинства сортов яровой пшеницы. В 2021 г. в фазе всходов, в силу засушливых, стрессорных для растений условий, биологическое разнообразие было на 12% меньше по сравнению с 2020 г. В течение вегетации биологическое разнообразие грибов на основаниях стеблей было стабильным с некоторым средним снижением к концу вегетации. Наиболее значительное снижение разнообразия к фазе зрелости (до 2-х видов) отмечено на основаниях стеблей южноафриканского сорта Karee, в 2.5 раза по сравнению с фазой всходов, что отражало индивидуальную реакцию сорта на контрастное увлажнение в ходе вегетации. Исключение составил канадский сорт NIL Thatcher Lr13, на основаниях стеблей которого биологическое разнообразие фитопатогенов было минимальным в фазе всходов, а к концу вегетации оказалась больше в 2 раза. Сила влияния сорта на биологическое разнообразие микромицетов на основаниях стеблей составила 35.4, года вегетации – 12.6% и была достоверна на 5%-ном уровне значимости.

Таким образом, биологическое разнообразие фитопатогенов на подземных органах сортов яровой пшеницы определялось как сортом, так и условиями года, повышаясь после или в период гидротермических стрессов до 30%. Самое значительное биологическое разнообразие (до 7-ми видов) выявлено на вторичных корнях сортов яровой пшеницы в фазе цветения, особенно после гидротермического стресса. Сила влияния фактора “орган” составила 82.1% и была достоверна на 1%-ном уровне значимости, а сила влияния года на разнообразие микромицетов на органах растений составила при такой схеме анализа 17% и была достоверна на 5%-ном уровне значимости.

Поскольку грибы родов Fusarium и Alternaria, а также B. sorokiniana паразитируют не только на подземных, но и на генеративных органах яровой пшеницы, было определено их биологическое разнообразие на зерновках в зависимости от сорта (табл. 4). Видовое разнообразие микромицетов на зерновках сортов яровой пшеницы менялось в зависимости от сорт в 2020 г. от 5 до 3 баллов и в среднем было на 17.8–21.3% меньше, чем на подземных органах этих же сортов в фазе зрелости. Коэффициент общности видового состава на зерновках и подземных органах составил 0.6, на подземных органах общее биологическое разнообразие составило 12 видов, на зерновках – 6 видов. В 2021 г. биологическое разнообразие микромицетов на зерновках сортов было несколько больше и менялось от 3 до 6 видов, и в среднем в зависимости от сорта было на 17.8% больше, чем в 2020 г. Коэффициент общности видового состава микромицетов на подземных органах и на зерновках составил в 2021 г. 0.73. Сила влияния фактора “сорт” на биологическое разнообразие микромицетов составила 34.4, фактора “год” – 18.2%.

Исследование локализации микромицетов в частях зерновок показало, что видовое разнообразие микромицетов было на 10% больше в эндосперме, чем в зародыше в среднем для сортов. В зародышах биологическое разнообразие в зависимости от сорта менялось от 1-го до 5-ти, в эндосперме – от 1-го до 6-ти. Самое низкое биологическое разнообразие – 1 таксон (Alternaria spp.) было выявлено для южноафриканского сорта Karee. Общность видового состава микромицетов в частях зерновок была высокой – 0.83. Однако максимальная за период учетов представленность отдельных таксонов микромицетов в зависимости от органа растения существенно различалась (табл. 5). Показано, что доминантами микоценоза подземных органов были B. sorokiniana, F. oxysporum и F. poae, причем первые 2 вида доминировали и на генеративных органах сортов, тогда как F. poae на зерновках и их частях был субдоминантом. F. equiseti был дополнительным видом как на подземных, так и на генеративных органах, редко проникая в зародыши семян. F. graminearum на подземных органах относился к дополнительным видам, на генеративных – к редким. F. sambucinum и F. heterosporum встречались только на подземных органах сортов, относясь к группам дополнительных и редких видов соответственно. F. solani относился к дополнительным видам на вторичных корнях, к редким на первичных корнях, основаниях стеблей растений, а также на зерновках сортов яровой пшеницы. Дифференцированный анализ локализации микромицетов в частях зерновок не выявил F. solani, он, по-видимому, локализовался в оболочках зерен. F. culmorum был редким видом на всех подземных и генеративных органах сортов яровой пшеницы. F. acuminatum и F. semitectum встречались редко и только на подземных органах сортов пшеницы. Грибы рода Alternaria были редким таксоном на подземных органах растений сортов яровой пшеницы, но, относясь к наземно-семенным микромицетам, были широко представлены в генеративных органах растений, входя в состав доминантов вместе с B. sorokiniana, F. oxysporum и F. poae.

ВЫВОДЫ

1. На подземных и генеративных органах 11 сортов яровой пшеницы разного географического происхождения в северной лесостепи Приобья доминировали B. sorokiniana, F. oxysporum, F. poae, причем первые 2 вида доминировали и в подземных и в генеративных органах сортов, тогда как F. poae на зерновках и их органах являлся субдоминантом. Грибы рода Alternaria входили в число доминантов только на генеративных органах растений сортов яровой пшеницы.

2. На подземных органах общее биологическое разнообразие составило 12 таксонов, на зерновках – 6 таксонов. Факторы “сорт” и “условия года вегетации” статистически достоверно влияли на биологическое разнообразие микромицетов. Сила влияния фактора “сорт” составляла на подземных органах 14.7–35.4, фактора “год” – 12.6–33.1%. Биологическое разнообразие фитопатогенных микромицетов возрастало до 30% после гидротермических стрессов, снижавших устойчивость растений к корневым гнилям. Сила влияния фактора “сорт” на биологическое разнообразие микромицетов на зерновках сортов яровой пшеницы составила 34.4, фактора “год” – 18.2%. Общность видового состава микромицетов в частях зерновок была высокой – 0.83. Коэффициент общности видового состава на зерновках и подземных органах составил в среднем в зависимости от года вегетации 0.67.

3. Виды и таксоны микромицетов были в разной степени приурочены к отдельным подземным и генеративным органам сортов яровой пшеницы, что отражало дифференцированную реализацию ими потенциальных экологических ниш под действием растений-хозяев, условий среды и межвидовых отношений микромицетов.