Адаптация технологии защиты растений с учетом грибо-бактериальных ассоциаций

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Поражение растений часто вызывается комплексами микроорганизмов, которые могут включать как виды грибов, так и бактерий. В некоторых случаях наблюдаются симбиотические отношения грибов с бактериями, что вносит существенный вклад в развитие патогенеза. Проанализирован фитопатогенный потенциал бактерий, находящихся в тесной ассоциации с грибами. Для изучения отбирали культуры грибов, не имевшие видимых (в т. ч. при микроскопировании) симптомов поражения бактериями. Методом ПЦР с праймерами на бактериальные митохондриальные гены с последующим секвенированием ампликонов в таких культурах грибов установили присутствие бактерий. Анализ данных секвенирования показал, что среди ассоциированных с грибами бактерий присутствуют виды, родственные известным фитопатогенным бактериям, вызывающим заболевания культурных растений. Полученные результаты показывают необходимость корректировки мероприятий по защите растений. Большинство химических фунгицидов неэффективны в отношении бактерий. В схемы защиты следует включать биологические, биорациональные и химические препараты, которые могут одновременно контролировать развитие грибов и бактерий. Севообороты следует проектировать таким образом, чтобы избежать чередования культур, восприимчивых к одним и тем же бактериям. Также важным элементом защиты растений является удаление или уничтожение растительных остатков.

Полный текст

Введение

По данным ООН, ежегодные мировые потери потенциального урожая всех сельскохозяйственных культур от вредителей и болезней составляют около 23 % валового сбора. Очень часто в пораженных частях растений находится целый комплекс патогенных микроорганизмов. Иногда трудно определить, какой из микроорганизмов является первопричиной поражения растения. В некоторых случаях возможен симбиоз грибов с бактериями, способствующий более эффективному поражению растения. Самый известный пример такого взаимодействия описан в статье Partida‑Martinez и Hertweck [1]. Бактерии Burkholderia rhizoxinica — эндосимбионты гриба Rhizopus microsporus — способны выделять токсин ризоксин, нарушающий нормальное функционирование клеток растений риса. Снижение иммунитета растений риса позволяет грибу R. microsporus внедриться в ткани растений. Штаммы грибов R. microsporus, лишенные эндобионтых бактерий B. rhizoxinica, не способны поражать растения риса. Некоторые бактерии могут стимулировать образование хламидоспор, толстая оболочка которых позволяет пережить пересыхание и температурные колебания. В лабораторных условиях R. solanacearum вызвала хламидообразование у 34 видов мицелиальных грибов из разных таксонов. Более того, было показано, что R. solanacearum проникала внутрь хламидоспоры [2]. По‑видимому, бактерии могут переживать суровые условия окружающей среды в хламидоспорах. Эндобионтные бактерии широко распространены среди представителей царства грибов. Группа ученых из США, Бразилии и Швейцарии протестировала около 700 коллекционных штаммов грибов, принадлежащих разным таксономическим группам. В большинстве культур грибов были обнаружены бактерии, в т. ч. в тех культурах, которые хранились в коллекции несколько лет [3]. Сложные симбиотические и патогенные отношения между растениями, грибами и бактериями к настоящему времени плохо изучены, однако их необходимо учитывать при разработке мероприятий по защите растений.

Цель исследования — изучение бактерий, ассоциированных с гифами грибов, выделенных с растений семейства Пасленовые (Solanaceae), а также оценка фитопатологического потенциала бактериального компонента.

Материалы и методы исследования

В работе использовали штаммы грибов из коллекции чистых культур агробиотехнологического департамента АТИ РУДН. Все исследуемые штаммы не имели видимых симптомов загрязнения другими микроорганизмами, в т. ч. бактериями. Грибы инкубировали на картофельно‑глюкозном агаре с добавлением пенициллина (бензилпенициллина натриевая соль, 1 млн ед./л). Для выделения ДНК мицелий грибов выращивали на жидкой гороховой среде. ДНК выделяли как описано в [4], после чего проводили ПЦР‑реакцию по бактериальным праймерам к участку ДНК 16S рибосомной РНК (27с/519r‑TTb) [5]. ПЦР‑продукты разделяли с помощью электрофореза в агарозном геле и визуализировали наличие ПЦРпродукта на транс‑иллюминаторе. В случае, если на форезе была видна 1 четкая полоса, ПЦР‑продукт вырезали из геля, очищали и секвенировали. Для очистки ДНК использовали набор Cleanup Mini Kit (Евроген, Россия). Для определения таксономической принадлежности анализируемых бактерий полученную последовательность сравнивали с последовательностями, депонированными в базе данных Genbank NCBI с помощью программы Blast. При необходимости использовали филогенетические построения с помощью программы Mega 10.

Результаты исследования и обсуждение

Наличие бактерий удалось достоверно выявить в 28 штаммах грибов из видов Ceratobasidium sp., Cladosporium cladosporioides, Ilyonectria crassa, Fusarium avenaceum, F. equiseti, F. graminearum, F. merismoides, F. merkxianum, F. oxysporum, F. torulosum, Orbilia oligospora, Plectoshaerella cucumerina, Pyrenochaeta sp., Rhizoctonia solani, выделенных из растений картофеля и томата. Эти бактерии принадлежали к следующим таксономическим единицам: Achromobacter sp., Acinetobacter sp., Clostridium sp., Delftia sp., Flavobacterium sp., Herbaspirillum sp., Klebsiella sp., Kosakonia sp., Lelliottia sp., Luteolibacter sp., Pantoea sp., Pseudomonas sp., Rahnella sp., Serratia sp., Stenotrophomonas sp.

Согласно литературным данным, некоторые из этих родов бактерий могут быть патогенными для растений. На роль патогена картофеля претендует бактерия Lelliottia sp. {OR462719} (здесь и далее в фигурных скобках приведены номера депонированных в базе Genbank NCBI последовательностей), присутствие которой обнаружено в Fusarium oxysporum, выделенным из клубня картофеля в Московской области. Штамм РС3 Lelliottia amnigena {OK447935} был найден на клубнях картофеля (Solanum tuberosum L.) с мацерированной мякотью и явными признаками бактериального поражения в окрестностях города Ланьчжоу (Китай) [6]. Другой вид патогенной Lelliottia обнаружен на растении из семейства колокольчиковых Codonopsis pilosula в Китае [7]. В штамме Fusarium oxysporum, выделенном из клубня картофеля, выращенного в Уганде, мы обнаружили бактерии, относящиеся к роду Kosakonia {OL762470}. Сходная по сиквенсу Kosakonia cowanii {MN327620} поражает листья сои (Glycine max) [8]. Известны штаммы K. cowanii, вызывающие увядание растения из семейства губоцветных Pogostemon cablin [9], бактериальный вилт у могарa (Setaria italica) {ON125560} [10]. Патогенность могут проявлять и бактерии, относящиеся к роду Pantoea, которые также были идентифицированы в культурах грибов рода Fusarium из нашей коллекции {OR462708, OR460188}. Согласно литературным данным, Pantoea agglomerans {HM854282} может поражать проростки риса (Oryza sativa) [11], являться причиной загнивания лука (Allium cepa) [12], вызывать пятнистость листьев у китайского таро (Alocasia cucullata) [13]. Штамм HXJ {HM016799} вызывает потемнение и преждевременное опадение плодов у грецкого ореха (Juglans regia) [14], штамм PGHL10 {EF050809} вызывает пятнистость на листьях кукурузы (Zea mays) [15]. P. agglomerans pv. gypsophilae стимулировала появление галлов у Gypsophila paniculata, P. agglomerans pv. betae поражает свеклу (Beta vulgaris), при этом патогенность этих бактерий обусловлена наличием плазмиды [16]. Одна из выявленных нами бактерий, относящаяся к таксону Pseudomonas {OR462691}, родственна штаммам Pseudomonas oryzihabitans, поражающим рис (Oryza sativa) [17], дыню (Cucumis melo) {MW187499} [18] и грецкий орех (Juglans regia) {OR195734} [19].

Таким образом с грибами, выделенными с растений семейства Пасленовые, ассоциированы бактерии, которые могут быть патогенными не только для растений этого семейства, но и для широкого круга других растений. Тесная ассоциация грибов с бактериями, способность к совместному развитию патогенеза должны учитываться при разработке систем защиты растений. Бактерии более уязвимы, хуже переносят пересыхание, колебания температуры, чем грибы; однако способность бактерий проникать в мицелий или споры грибов делает бактериальные инфекции более опасными. Большинство химических фунгицидов неэффективны против бактерий. Для борьбы с бактериальными поражениями используют препараты биологического происхождения на основе Bacillus amyloliquefaciens, B. subtilis, метаболиты Streptomyces spp. (макролидный тилозиновый комплекс, фитобактериомицин, касугамицин), также применяют коллоидное серебро и препараты, содержащие йод11. Некоторые препараты контролируют развитие грибов и бактерий одновременно. Именно этим препаратам следует отдавать предпочтение в защите растений от грибо‑бактериальных инфекций. Также эффективным способом борьбы с болезнями является правильная организация севооборотов, однако в связи с тем, что грибы могут быть носителями бактерий, патогенных для различных растений, следует очень тщательно подходить к планированию чередования культур. В технологии защиты от грибо‑бактериальными болезней, несомненно, необходимы мероприятия по своевременному удалению или уничтожению растительных остатков.

Заключение

Многие грибы тесно связаны с бактериями. Бактерии могут распространяться и переживать неблагоприятные условия с помощью грибов. Патогенность грибов может быть обусловлена бактериальным компонентом, в связи с чем фунгициды могут не оказать должного защитного действия.

Для борьбы с грибо‑бактериальными инфекциями в растениеводстве следует тщательно конструировать севообороты, включать в систему защиты биологические и химические препараты, контролирующие развитие как грибов, так и бактерий, удалять или уничтожать растительные остатки.

 

1 Государственный каталог пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации, 2023.

×

Об авторах

Владислав Андреевич Платонов

Российский университет дружбы народов

Email: vlad97p@gmail.com
ORCID iD: 0009-0008-9719-5815

аспирант агробиотехнологического департамента аграрно-технологического института

Российская Федерация, 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 8

Елена Михайловна Чудинова

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: chudinova_em@pfur.ru
ORCID iD: 0000-0003-3157-494X
SPIN-код: 6688-8116

кандидат биологических наук, доцент агробиотехнологического департамента аграрно-т ехнологического института

Российская Федерация, 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 8

Сергей Николаевич Еланский

Российский университет дружбы народов; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: elanskiy_sn@pfur.ru
ORCID iD: 0000-0003-1697-1576
SPIN-код: 6827-8026

доктор биологических наук, доцент, ведущий научный сотрудник Евразийского центра по продовольственной безопасности, МГУ им. М.В. Ломоносова; профессор агробиотехнологического департамента аграрно-технологического института, Российский университет дружбы народов

Российская Федерация, 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 8; Российская Федерация, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

Список литературы

  1. Partida-Martinez L.P., Hertweck C. Pathogenic fungus harbours endosymbiotic bacteria for toxin production // Nature. 2005. Vol. 437. P. 884-888. doi: 10.1038/nature03997
  2. Spraker J.E., Sanchez L.M., Lowe T.M., Dorrestein P.C., Keller N.P. Ralstonia solanacearum lipopeptide induces chlamydospore development in fungi and facilitates bacterial entry into fungal tissues // ISME J. 2016. Vol. 10. P. 2317-2330. doi: 10.1038/ismej.2016.32
  3. Robinson A.J., House G.L., Morales D.P., Kelliher J.M., Gallegos-Graves V., LeBrun E.S., Davenport K.W., Palmieri F., Lohberger A., Bregnard D., Estoppey A., Buffi M., Paul C., Junier T., Hervé V., Cailleau G., Lupini S., Nguyen H.N., Zheng A.O., Gimenes L.J., Bindschedller S., Rodrigues D.F., Werner J.H., Young J.D., Junier P., Chain P.S.G. Widespread bacterial diversity within the bacteriome of fungi // Communications biology. 2021. Vol. 4(1). P. 1168. doi: 10.1038/s42003-021-02693-y
  4. Elansky S.N., Chudinova E.M., Elansky A.S., Kah M.O., Sandzhieva D.A., Mukabenova B.A., Dedov A.G. Microorganisms in spent water-miscible metalworking fluids as a resource of strains for their disposal // Journal of Cleaner Production. 2022. Vol. 350. № 131438. doi: 10.1016/j.jclepro.2022.131438
  5. Lane D.J. 16S/23S rRNA sequencing / In: Stackebrandt E., Goodfellow M. (Eds.), Nucleic acid techniques in bacterial systematics / John Wileyand Sons, New York, 1991. P. 115-175.
  6. Osei R., Yang C., Cui L., Ma T., Li Z., Boamah S. Isolation, identification, and pathogenicity of Lelliottia amnigena causing soft rot of potato tuber in China // Microb Pathog. 2022. Vol. 164. № 105441. doi: 10.1016/j. micpath.2022.105441
  7. Zhao X., Tian Y., Yue L., Liu Y., Yan Y., Zhou Q., Wang Y., Zhang Y., Wan R. Identification and characterization of pathogenicity of Lelliottia nimipressuralis causing soft rot of Codonopsis pilosula (dangshen) roots in China // Plant Pathol. 2022. Vol. 71(8). P. 1801-1811. doi: 10.1111/ppa.13606
  8. Krawczyk K., Borodynko-Filas N. Kosakonia cowanii as the New Bacterial Pathogen Affecting Soybean (Glycine max Willd.) // Eur J Plant Pathol. 2020. Vol. 157. P. 173-183. doi: 10.1007/s10658-020-01998-8
  9. Zhang Y., Wang B., Li Q., Huang D., Zhang Y., Li G. He H. Isolation and Complete Genome Sequence Analysis of Kosakonia cowanii Pa82, a Novel Pathogen Causing Bacterial Wilt on Patchouli // Front. Microbiol. 2022. Vol. 12. № 818228. doi: 10.3389/fmicb.2021.818228
  10. Han Y., Gao X., Huang G., Chang Y., Han H., Zhu J., Zhang B. Kosakonia cowanii, a new bacterial pathogen affecting foxtail millet (Setaria italica) in China // Microbial Pathog. 2023. Vol. 181. № 106201. doi: 10.1016/j.micpath.2023.106201
  11. Lee H.B., Hong J.P., Kim S.B. First report of leaf blight caused by Pantoea agglomerans on rice in Korea // Plant Dis. 2010. Vol. 94(11). P. 1372. doi: 10.1094/PDIS-05-10-0374
  12. Dutta B., Barman A.K., Srinivasan R., Avci U., Ullman D.E., Langston D.B., and Gitaitis R.D. Transmission of Pantoea ananatis and P. agglomerans, causal agents of center rot of onion (Allium cepa), by onion thrips (Thrips tabaci) through feces // Phytopathology. 2014. Vol. 104. P. 812-819. doi: 10.1094/phyto-07-13-0199-r
  13. Romeiro R.S., Macagnan D., Mendonça H.L., Rodrigues Neto J. Bacterial spot of Chinese taro (Alocasia cucullata) in Brazil induced by Pantoea agglomerans // Plant Pathol. 2007. Vol. 56. P. 1038. doi: 10.1111/j.1365-3059.2007.01631
  14. Yang K.Q., Qu W.W., Liu X., Liu H.X., Hou L.Q. First report of Pantoea agglomerans causing brown apical necrosis of walnut in China // Plant Dis. 2011. Vol. 95(6). P. 773. doi: 10.1094/pdis-01-11-0060
  15. Morales-Valenzuela G., Silva-Rojas H.V., Ochoa-Martinez D., Valadez-Moctezuma E., Alarcon-Zuniga B., Zelaya-Molina L.X., Cordova-Tellez L., Mendoza-Onofre L., Vaquera-Huerta H., Carballo-Carballo A., Farfan- Gomez A., Avila-Q uezada G. First report of Pantoea agglomerans causing leaf blight and vascular wilt in maize and sorghum in Mexico // Plant Dis. 2007. Vol. 91(10). P. 1365. doi: 10.1094/PDIS-91-10-1365A
  16. Manulis S. and Barash I. Pantoea agglomerans pvs. gypsophilae and betae, recently evolved pathogens? // Molecular Plant Pathology. 2003. Vol. 4. P. 307-314. doi: 10.1046/j.1364-3703.2003.00178.x
  17. Hou Y., Zhang Y., Yu L., Ding X., Liu L., Wang L., Huang S. First Report of Pseudomonas oryzihabitans causing rice panicle blight and grain discoloration in China // Plant Dis. 2020. Vol. 104. № 3055. doi: 10.1094/PDIS-10-19-2186-PDN
  18. Li J., Zhou G., Wang T., Lin T., Wang Y., Zhu P., Xu L., Ma G. First report of Pseudomonas oryzihabitans causing stem and leaf rot on muskmelon in China // Plant Dis. 2021. Vol. 105(9). P. 2713. doi: 10.1094/PDIS-01-21-0100-PDN
  19. Huai T., Zhao J., Zhang X., He H., Zhu X., Ma H., Zhang L., Zhao P., Liu X., Si D. First Report of Pseudomonas oryzihabitans Causing Walnut Leaf Spot Disease in China // Plant Dis. 2023. doi: 10.1094/PDIS-08-23-1634-PDN

© Платонов В.А., Чудинова Е.М., Еланский С.Н., 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах