Агрохимия, 2022, № 2, стр. 76-82

ВВЕДЕНИЕ

Продовольственное и фуражное зерно может быть колонизировано продуцентами микотоксинов – фузариевыми, аспергилловыми, пеницилловыми и головневыми грибами, а также возбудителем спорыньи. Фитопатогенные микромицеты вызывают заболевания растений, приводящие к снижению их урожайного потенциала и качества продукции. Наиболее опасны карантинные виды патогенов, но они в большинстве сельскохозяйственных регионов практически не встречаются, и эта опасность, благодаря активной работе карантинных служб, носит в основном потенциальный характер. Реальную опасность повсеместно представляют сильные патогены, постоянно присутствующие в полевых агроценозах, а также переносящиеся на значительные расстояния аэрогенным путем, имеющие высокий эпифитотийный потенциал (например, возбудители стеблевой и желтой ржавчины пшеницы при благоприятных для их эпифитотийного развития условиях).

Резерваторами сильных патогенов в полевых агроценозах могут быть больные растения, растительные остатки с высоким уровнем колонизации, почва, а также зерно – падалица, семена. Так сохраняются в межсезонье возбудители листовых и сосудистых заболеваний, гнилей и др. Семена, колонизированные опасными видами, нередко обеспечивают лишь низкий урожайный потенциал посевов, проблемы с развитием болезней растений, позволяют опасным видам перемещаться на значительные расстояния от места первичной колонизации, делают партии зерна с запороговыми заражениями и загрязнениями, непригодными к реализации и использованию для посева и переработки. Поэтому семенная микробиота представляет особый интерес для инспекций и зернопроизводителей.

Наряду с опасными патогенами на зерне часто встречаются виды микромицетов, имеющие неоднозначные оценки их вредоносности. К ним, в частности, относятся альтернариевые грибы. Они встречаются на зерне пшеницы всех регионах планеты с высокой частотой (до 100%), их часто относят к возбудителям опасных заболеваний, в частности, черни, “черного зародыша” зерновок. Отдельные фирмы-производители и дистрибьюторы средств защиты растений построили на базе опасности альтернарии стратегии массовых продаж препаратов; есть также австралийский прецедент карантинных проблем с экспортом зерна пшеницы, колонизированного видом Alternaria triticina [1, 2].

Грибы рода Alternaria, видимо, чаще других грибов и бактерий встречаются на семенах основных зерновых культур (пшеницы, ячменя, овса, ржи и др.) во всем мире и представляют собой наиболее обычный компонент микробиома зерна [1]. О систематике, этиологии и вредоносности заболеваний, традиционно связываемых с грибами р. Alternaria, существуют противоречащие друг другу мнения. Альтернариевые грибы относят к 3-м разным секциям р. Alternaria, различающимся не только по морфологическим признакам, но и по экологическим свойствам и практическому значению. Из числа мелкоспоровых видов (секция Alternaria pод Alternaria) на зерновых и других культурах наиболее распространены 3 вида. Значительно чаще других встречается A. tenuissima, реже, но также повсеместно, выявляют A. alternata и A. arborescens. Эти виды способны синтезировать микотоксины альтенуен, альтернариол, алтернариол-метиловый эфир [3]. Вид A. avenicola из секции Panax обнаруживают приблизительно в 10% образцов зерна в европейской части России. Вероятно, A. avenicola также является неспециализированным сапротрофом.

Комплекс видов A. infectoria по молекулярным признакам сильно отличается от остальных видов Alternaria, и, возможно, когда-нибудь будет выделен в отдельный новый род. Виды комплекса A. infectoria обычно являются сапротрофами и не синтезируют известные микотоксины. Комплекс включает ≈40 филогенетически близких видов, многие из которых трудноотличимы друг от друга. В том числе в данный комплекс включают A. infectoria E.G. Simmons и, судя по всему, довольно патогенный вид A. triticina Prasada et Prabhu. Для 9-ти видов известно несколько случаев обнаружения в природе телеоморф из рода Lewia [1, 4].

Виды Alternaria могут проявлять дифференцированную патогенную активность. В работе индийских ученых-биохимиков при изучении различной активности изолятов Alternaria alternata один из 15-ти изолятов (AA1) оказался высоковирулентным, другой (AA6) – авирулентным. Вирулентный изолят A. alternata продуцировал больше целлюлолитических (C1 и Cx) и пектинолитических (ферменты мацерации, пектиновая метилэстераза и эндо-полигалактуроназа) ферментов in vitro, чем авирулентный. Активность целлюлолитических ферментов повышалась с увеличением возраста культуры. В то же время пектинолитические ферменты были высокоактивны в 10-суточной культуре, и их активность снижалась с увеличением возраста культуры. Активность ферментов, продуцируемых авирулентным изолятом патогена, не снижалась, и эти ферментативные активности увеличивались с увеличением возраста культуры [5].

По деградации энзимов пектинметилэстеразы и эндополигалактуроназы были выявлены 3–5-кратные различия между вирулентным и авирулентными штаммами A. alternata, а также – по величине массы сухого мицелия альтернарии [5].

Встречаемость видов Alternaria на зерне в большинстве регионов мира высокая. Например, в работе словацких исследователей была проведена оценка колонизации зерна суслового ячменя видами патогенных и сапротрофных микромицетов. Встречаемость альтернариевых грибов находилась в диапазоне 32–97%, аспергиллов – 0–39%, гельминтоспориума – 1–49% [6].

Сербские ученые выявили в 2012–2013 гг. 55–80%-ный уровень колонизации зерна озимой пшеницы видами Alternaria. Они предупреждали об опасности альтернариевых микотоксинов, а также о значительной вредоносности патогенов данной группы при взаимодействии с более сильными возбудителями опасных болезней пшеницы, например, с F. graminearum [7].

В провинциях Турции зараженность зерна видами Alternaria достигала 80%. Были идентифицированы виды альтернарии Alternaria alternata, A. chlamydosporigena, A. infectoria, A. quercus, A. tenuissima, A. triticina; доминировали A. alternata, A. tenuissima, A. triticina. Изоляты A. alternata отдельно или с другими грибами, например, A. triticina, A. tenuissima, выделяли из зерен с черным зародышем. Изоляты A. triticina выделяли также из листьев с темной пятнистостью [8].

По данным аргентинских специалистов, колонизация семян пшеницы альтернариевыми грибами составляла от 20 до 79%; сказывался региональный фактор. Сообщали также об изоляции штаммов Alternaria sp. из семян пшеницы (Triticum aestivum); развитие альтернариоза на растениях, полученных из зараженных семян, экспериментально не было продемонстрировано. После передачи от семян инфекции штаммов Alternaria tenuissima, A. alternata, A. infectoria, A. triticina, A. chlamydospora и представителей родственных родов Embellisia и Ulocladium проросткам, с большинством изолятов Alternaria spp., Embellisia sp. и Ulocladium sp. появлялись отчетливые симптомы гнили семян и инфицирования растений [9].

Наиболее опасным для пшеницы видом альтернарии признана A. triticina, вызывающая листовую пятнистость, и иногда приводящая к ощутимым потерям урожая зерна [2, 9–11], хотя встречающийся в Аргентине вид Alternaria triticimaculan, мог быть иногда более вредоносным [9, 12, 13].

На основе результатов проведенного исследования в Тамбовской обл. показано, что основными возбудителями инфекции на семенах являлись грибы родов Fusarium (в 2017 г. зараженность ими семян составила 0–21%) и Alternaria (в 2017 г. – 19–60%). Грибы рода Alternaria – токсикогенные грибы, поражающие вегетирующие растения и зерно, их вредоносность возрастает в ЦЧР и усиливается зараженность семенного материала. На семенах с низкой всхожестью присутствовали возбудители альтернариоза и фузариоза [14].

Негативное влияние альтернариевых инфекций и токсинов на показатели продуктивности и качества зерна спельты отмечено группой сербских ученых; в то же время повышение содержание токсинов имело положительную корреляцию с содержанием белка в зерне спельты [15].

Многие виды альтернарии сопровождают заболевание “черный зародыш” зерна озимой пшеницы. Делаются попытки назвать альтернарию возбудителем этого заболевания по причине ее очень частой встречаемости на зернах с черным зародышем [14], но ряд исследований ставит под сомнение данное допущение. Например, исследования, проведенные в Австралии на восприимчивом к заболеванию “черный зародыш” сорте SUN239V, показали, вопреки устоявшемуся мнению, что никаких белков грибного и бактериального происхождения в потемневшей ткани не было; очевидно, ее потемнение не было связано с микробной активностью. В то же время здесь присутствовали стрессовые растительные белки, т.е. продукты генов, связанных со стрессом, болезнями и защитой. Были обнаружены более высокие уровни содержания этих белков в зерне без черного зародыша. Авторы предполагают, что защита от болезни может быть обеспечена повышенным уровнем “стрессовых” белков [16]. Допускали отсутствие связи между черным зародышем и колонизацией зерна альтернариевыми грибами также российские специалисты из Санкт-Петербурга [1, 4]. Отмечены успешные попытки подавления развития альтернарии на пшенице с помощью химических и биологических средств защиты растений [1, 4, 7, 17].

Цель работы – мониторинг количественного состава альтернариевых грибов в образцах семян озимой пшеницы из Ростовской, Курской, Волгоградской областей и Ставропольского края за период 2014–2020 гг. и оценка альтернариевых грибов как возбудителей черного зародыша пшеничных зерновок.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводили на образцах семенного зерна озимой пшеницы с производственных полей Волгоградской, Курской, Ростовской областей и Ставропольского края в лаборатории ВНИИФ в 2014–2020 гг.

Образцы семян отбирали с токов и из зернохранилищ хозяйств. Они отличались высокими посевными качествами: имели всхожесть не меньше 94%, встречаемость зерен с черным зародышем не превышала 0.5%.

Микробиологические анализы в условиях лаборатории ВНИИФ проводили по методике с использованием искусственной питательной среды Чапека. Зерновки озимой пшеницы закладывали на питательную среду с целью оценки уровня их колонизации микроорганизмами грибной природы. Анализ видового состава микробиоты in vitro проводили на 7-е сут инкубации. Видовую принадлежность образующихся на питательной среде колоний микромицетов определяли по форме органов споруляции (конидиеносцев, конидий, асков, спор и др.) под микроскопом [18–20].

Учитывали количество колоний микроорганизмов разных видов, выделенных in vitro, далее вычисляли долю (%) каждого выделенного микроорганизма относительно числа зерновок, размещенных на питательной среде, проводили также подсчет доли зерновок с колонизацией тем или иным микроорганизмом. В статье приведены 7-летние результаты оценки уровня колонизации зерна альтернариевыми грибами.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Лабораторная оценка колонизации зерна озимой пшеницы альтернариевыми грибами в 2014–2020 гг. в зернопроизводящих хозяйствах Северного Кавказа (Ставропольский край, Ростовская обл.), Черноземной зоны (Курская область) и Нижнего Поволжья (Волгоградская область) показала следующие результаты (рис. 1).

Рис. 1.

Колонизация зерна озимой пшеницы альтернариевыми грибами (2014–2020 гг.).

За период изучения общий уровень колонизации находился в диапазоне 48–85%. Наименьший уровень колонизации семян озимой пшеницы видами альтернарии в начале исследования (2014 г.) отмечен в Волгоградской (53%) и Ростовской (55%) обл. Значительно больше он был в Курской обл. (79%) и в Ставропольском крае (85%).

На семенах урожая 2015 г. в Ставропольском крае, Курской и Ростовской обл. в сравнении с аналогичными показателями предыдущего года произошло снижение доли колонизированных ими зерен на 7–10%, в Волгоградской обл. – ее повышение на 3%.

К 2016 г. с повсеместным повышенным увлажнением на полях регионов, снижение уровня зараженности семян альтернарией (на 13%) наблюдали только в хозяйствах Ставропольского края, а в Ростовской, Волгоградской и Курской областях отмечали увеличение данного показателя на 13, 5 и 1% соответственно. В 2017 г., также с высокой влагообеспеченностью, эти тенденции в регионах сохранились. В 2018–2019 гг. по сравнению с 2017 г. относительная стабильность заселенности семян озимой пшеницы видами альтернарии отмечена в Курской обл. и Ставропольском крае, несмотря на снижение влагообеспеченности полей. В то же время в Волгоградской обл. данный показатель увеличился к 2018 г. на 12%, но снизился к 2019 г. на 5%, в Ростовской обл. он снизился к 2018 г. на 16% и увеличился к 2019 г. на 7%. Довольно резкое уменьшение уровня колонизации (на 16%) произошло к 2020 г. в Волгоградской обл.; в то же время в Ставропольском крае отмечено 4%-ное, в Ростовской обл. – 9%-ное увеличение, в Курской обл. – 4%-ное снижение показателя. Ни в годы с повсеместным увлажнением (2014, 2016, 2017), ни в засушливые (2015, 2018) годы не наблюдали однозначного изменения уровня колонизации семян озимой пшеницы видами альтернариевых грибов: в одних регионах могло идти увеличение данного показателя, в других – его снижение или относительная стабилизация.

Прослежены региональные особенности динамики уровня колонизации: с 2014 г. отмечено снижение данного показателя в Ставропольском крае до 2015 г., в Курской обл. – до 2016 г., а затем – относительная стабилизация, соответственно на уровне 61–65% и 69–73%. В Ростовской и Волгоградской обл. с 2015 г. до 2017 г. шло нарастание уровня зараженности семян озимой пшеницы альтернарией, а затем наблюдали противоположные тенденции: до 2018 г. в Волгоградской обл. – довольно резкий подъем, в Ростовской обл. – не менее резкий спад уровня зараженности, затем к 2020 г. в Волгоградской обл. – уменьшение показателя с 80 до 59%, в Ростовской – его подъем с 57 до 73%.

Таким образом, наибольший уровень колонизации семян озимой пшеницы альтернариевыми грибами за период 2014–2020 гг. отмечен в Ставропольском крае (61–85%), меньший – в Курской обл. (69–79%), Волгоградской (53–80%), Ростовской (48–73%). В то же время, по величине показателя в 2020 г. наименьший уровень колонизации был отмечен на семенах из Волгоградской обл. (59%), более высокий – в Ставропольском крае (65%) и в Курской обл. (69%), наибольший – в Ростовской области (73%). Наибольшая вариабельность данного показателя прослежена в Волгоградской обл.; относительная стабильность в 2016–2020 гг. – в Курской обл. и Ставропольском крае на уровне 69–72 и 61–65% соответственно. При высоком уровне колонизации зерна альтернариевыми грибами семена имели высокий уровень посевных качеств и незначительное количество зерен с черным зародышем. Это показало, что зерно озимой пшеницы колонизируют в основном непатогенные виды Alternaria.

Было проведено сравнительное изучение колонизации зерна с заболеванием “черный зародыш” и без него видами микромицетов в образцах озимой пшеницы из различных регионов юга России.

В Волгоградской обл. на стадии полной спелости летом 2017 г. на одном из полей было замечено массовое формирование зерновок с черным зародышем. Из образца зерна с данного поля были отобраны зерновки с потемнением в области зародыша и без потемнения и заложены на питательную среду Чапека. Микробиологический анализ показал следующие результаты (табл. 1). На зерновках без потемнения частота встречаемости альтернариевых грибов составила 28, на зерновках с черным зародышем – 23%, т.е. на 5% меньше. В то же время мукоровые и неспорулирующие грибы, а также аспергиллы на зерновках с черным зародышем встречались чаще, чем на зерновках без заболевания. Альтернария была выделена из 23% потемневших зерен, т.е. на 77% зерновок с черным зародышем альтернарии не было, поэтому едва ли следует считать ее в данном случае возбудителем заболевания “черный зародыш”. Микромицеты колонизировали 59% зерновок с черным зародышем, на 41% их не было выявлено, поэтому в данном случае потемнение в области зародыша не было связано с жизнедеятельностью грибов в их отсутствии. Аналогичные результаты получили австралийские ученые на биохимическом уровне, когда проведенные на восприимчивом к заболеванию “черный зародыш” сорте исследования показали, вопреки устоявшемуся мнению, что никаких белков грибного и бактериального происхождения в потемневшей ткани не было, и ее потемнение не связано с микробной активностью [16].

Для дальнейшего изучения связи заболевания “черный зародыш” с микромицетами из образцов семян Ростовской, Волгоградской обл. и Ставропольского края были разделены и заложены на питательную среду зерновки с потемнением в области зародыша и без потемнений. Сравнительная оценка встречаемости колонизирующих микромицетов показала следующие результаты (табл. 2). В ростовском образце семян сорта Алексеич альтернариевые грибы присутствовали на семенах без потемнения (здоровых) в 72% зерновок, на семенах с черным зародышем – в 29% зерновок. 71% потемневших зерновок не содержал альтернарии и потемнение в этом случае, очевидно, не было связано с ее паразитированием. Кроме того, на семенах с черным зародышем было выявлено 12% зерен с высокопатогенным грибом Fusarium moniliforme, 10% – с возбудителем гельминтоспориозных гнилей B. sorokiniana, из зерен без потемнения эти патогены на питательную среду не высевались. Плесневые грибы родов ризопус и аспергилл присутствовали только на больных зернах, и неспорулирующих грибов Mycelia sterilia в этом случае было в 2.4 раза больше, чем на здоровых зерновках, грибы-пенициллы отмечены только на здоровых зернах, и грибов-мукоров также было значительно больше.

В образце сорта Станичная (из Волгоградской обл.) отмечена 88%-я колонизация потемневших зерен альтернариевыми грибами, других микромицетов выявлено не было. На 12% потемневших зерен альтернария не была обнаружена, 73% зерен без потемнения были колонизированы видами Alternaria, а также F. moniliforme и неспорулирующими грибами с долей 20% и 11% соответственно – на больных черным зародышем зернах фузарии в данном случае выявлены не были.

В образце зерна пшеницы сорта Жайвир из Ставропольского края альтернария присутствовала на 69% больных зерен, кроме того, из 22% выделяли мукоры, из 18% – неспорулирующие грибы. На здоровых зернах 2-х последних групп микромицетов не было, но на 52% отмечена колонизация видами Alternaria, на 31% – F. sporotrichiella и на 16% – Epicoccum sp., 2 последних вида из больных зерен образца выделено не было.

В образце зерна пшеницы сорта Баграт из Ставропольского края альтернария присутствовала на 62% зерен с черным зародышем, кроме того, на 29% зерен был обнаружен патогенный гриб F. moniliforme, на 31% – токсикант F. sporotrichiella и на 10% – неспорулирующие сапротрофные грибы. В 38% зерен с черным зародышем альтернариевые грибы отсутствовали.

На 43% здоровых зерен отмечена колонизация видами Alternaria (на 19% меньше, чем при наличии черного зародыша), на 36% – F. moniliforme, на 4% – F. sporotrichiella. Из 28% здоровых зерновок выделяли неспорулирующие грибы.

Проведенные исследования зерна сортов озимой пшеницы с черным зародышем показали, что потемнение зерновок зачастую имеет физиологическую природу, не связано с альтернариевыми грибами, из-за отсутствия последних на части локально потемневших зерен.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведен мониторинг колонизации семян озимой пшеницы альтернариевыми грибами в Ростовской, Курской, Волгоградской обл. и Ставропольском крае за период 2014–2020 гг., а также микологическая оценка сортообразцов пшеницы с заболеванием “черный зародыш”. За период изучения общий уровень колонизации находился в диапазоне 48–85%. Наибольший уровень колонизации семян озимой пшеницы альтернариевыми грибами за период 2014–2020 гг. отмечен в Ставропольском крае (61–85%), меньший – в Курской (69–79%), Волгоградской (53–80%), Ростовской (48–73%) обл. В то же время по величине этого показателя в 2020 г. наименьший уровень колонизации был отмечен на семенах из Волгоградской области (59%), более высокий – в Ставропольском крае (65%), в Курской обл. (69%), наибольший – в Ростовской обл. (73%). При высоком уровне колонизации семян альтернариевыми грибами они имели хорошие посевные качества и незначительное количество зерен с черным зародышем. Это показало, что зерно озимой пшеницы на юге европейской территории России колонизируют в основном непатогенные виды Alternaria.

Микологический анализ зерна сортов озимой пшеницы с черным зародышем установил, что потемнение зерновок зачастую не связано с альтернариевыми грибами – данные микромицеты отсутствовали на части локально потемневших зерен.