Чем опасны инфекционные болезни растений для человека

Обновлено: 28.03.2024

Инфекционная болезнь (паразитарная болезнь) – это заболевание, вызываемое патогенным микроорганизмом (возбудитель болезни). Основной признак инфекционной болезни – способность передаваться от больных растений к здоровым .

Классификация инфекционных болезней

Инфекционные заболевания подразделяются в зависимости от вида возбудителя болезни. Различают:

  1. Вирусные болезни растений (мозаичные болезни, желтухи, болезни увядания, карликовость, пролиферация, закукливание).
  2. Бактериальные болезни растений или бактериозы (рак растений, черная ножка картофеля, различные виды бактериальных гнилей, бактериальный ожог плодовых деревьев).
  3. Грибные болезни растений или микофитозы (ржавчина, головня, мучнистая роса, фузариоз, гниль, цитоспороз, аскохитоз).
  4. Актиномикозы – возбудители актиномицеты (парша картофеля)
  5. Альгофитозы – возбудители паразитические водоросли.
  6. Антофитозы – возбудители паразитические и полупаразитические цветковые растения (заразиха, повилика, омела, очанка).
  7. Гельминтофитозы – возбудители паразитические нематоды (нематоды галловые (галлообразующие), нематоды настоящие шишкоиглые, нематоды разнокожие).
  8. Энтомофитозы – возбудители паразитические насекомые (филлоксера, кровяная тля).
  9. Арахнофитозы – возбудители паукообразные, в основном растительноядные клещи (обыкновенный паутинный клещ, бурый плодовый клещ, клещ красный плодовый, галловый сливовый клещ).

Патогенез инфекционной болезни растения

Патогенез – совокупность последовательного развития процессов, определяющих механизмы возникновения и развития болезни.

Особенности патогенеза определяются несколькими факторами: свойствами возбудителя, восприимчивостью растений, условиями окружающей среды. В патогенезе инфекционных болезней растений различают следующие фазы:

  1. Прединфекционная фаза – инфекционное начало (споры, мицелий) с капельножидкой влагой опадают на различные органы растения и при благоприятных условиях через устьица, поранения или другими способами внедряются в ткани растений. В некоторых случаях фитопатогены размножаются и развиваются на уже отмерших растениях в непосредственной близости от растения-хозяина и оттуда внедряются в живые растительные ткани.
  2. Заражение – процесс проникновения возбудителя заболевания в растительные клетки. – процесс скрытого развития патологических процессов от заражения до проявления внешних симптомов.
  3. Послеинкубационная фаза – характеризуется усилением симптомов, возрастанием интенсивности заражения, массовым поражением растений. Заканчивается выздоровлением или гибелью растения.

Защитная реакция растений

Защитная реакция растения – реакция, возникающая в ответ на внедрение фитопатогена в живые ткани растения, направленная на ограничение и подавление инфекции.

Внедрение возбудителя вызывает у растений усиление активности окислительных ферментов, увеличение количества и активности фитонцидов. Это выражается в опробковении клеточных стенок, отмирании и выпадении вместе с инфекционным началом возбудителя заболевания зараженных клеток. В следствии отдельные группы клеток вокруг первичного очага инфекции, а в некоторых случаях и все растение в целом приобретают повышенную устойчивость к действию фитопатогена. Если возбудитель заболевания не способен преодолеть сопротивление тканей, то поражение ограничивается небольшим пятном хлоротичной или отмершей ткани.

Иммунитет растения

Другими словами, иммунитет растений – это невосприимчивость к болезни при непосредственном контакте с возбудителем в благоприятных для заражения условиях. Различные степени проявления иммунитета называют устойчивостью.

Иммунитет растений, точнее его повышение и укрепление, является важной научной проблемой, тесно связанной с практическими вопросами сельского хозяйства. Один из самых надежных и эффективных путей защиты растений – использование устойчивых к вредным организмам сортов. На посевах таких сортов снижается необходимость использования фунгицидов иинсектицидов. Полное обеспечение страны устойчивыми сортами увеличит общую урожайность на четверть. Учение об иммунитете является теоретической основой селекции растений на устойчивость к инфекционным заболеваниям.

Различают следующие виды растительного иммунитета:

1.Врожденный или естественный – присущее данному сорту (виду) свойство не поражаться каким-либо заболеванием, передающееся по наследству. Врожденный иммунитет подразделяют на:

  • активный – свойство растения активно реагировать на внедрение паразита;
  • пассивный – совокупность свойств растения позволяющих препятствовать внедрению паразита в ткани растения-хозяина и развитию в них, существующих независимо от свойств фитопатогена.

2. Групповой иммунитет – устойчивость к разным возбудителям.

3. Комплексный иммунитет – устойчивость к различным болезням и вредителям.

4. Приобретенный (индуцированный) иммунитет – свойство растения, возникающее в процессе отнтогенеза под влиянием перенесенной болезни или воздействия на растение различными приемами, в частности веществами – индукторами устойчивости.

(c) Справочник AgroXXI

Круглогодичная забота хозяев дачных участков о защитите сада и огорода от болезней не всегда дает желаемые результаты, хотя всю весну и лето на участках слышны характерные звуки работающих опрыскивателей. Особо опасные болезни способны уничтожить большие площади овощных и садово-парковых культур.

Для борьбы с инфекционными болезнями растений современной химико-фармацевтической промышленностью разработаны многочисленные химические и биологические препараты, которые уничтожают или значительно уменьшают количество и вредоносность заболеваний. Однако для эффективной борьбы с заболеванием растений прежде всего необходимо вовремя и точно определить вид данного заболевания.

Инфекционные заболевания растений вызываются инфекциями, которые способны заражать в том числе представителей фауны и передавать заболевание от растения к растению. Инфекция может находиться в почве, воздухе, воде и, при благоприятных для нее условиях, быстро распространяться на здоровые растения.

Инфекционные заболевания растений подразделяются на следующие группы:

  • грибковые,
  • бактериальные,
  • вирусные.

1. Грибковые заболеваний растений

Грибковые заболевания вызываются различными группами патогенных грибов. По видовому составу грибковые заболевания растений самые распространенные среди болезнетворных растительных инфекций.

По негативному действию на растения наиболее опасными и часто встречающимися являются фитофтороз, черная ножка, гнили корневой и вегетативной системы растений, вертициллёз, фузариоз, мучнистые росы (ложная и настоящая).

Фитофтороз

Фитофтороз относится к самым распространенным болезням растений. Распространяется спорами грибов, которые попадают на растения или в почву во время дождей, полива, при ветре.

Уровень опасности фитофтороза

Особая опасность фитофтороза заключается в способности поражать овощные и другие огородные растения, древесные и кустарниковые плодово-ягодные культуры. Инфекция проникает в подземные органы (корневую систему, клубни, луковицы, корневища). Из надземных она поражает листья, цветки, стебли, завязи и плоды. Особенно сильно грибком поражаются баклажаны, перец сладкий, помидоры, земляника/клубника, картофель, яблоня, комнатные и оранжерейные растения и другие культуры.

Фитофтороз или фитофтора на листьях томата

Фитофтороз или фитофтора на листьях томата. © Steve Johnson

Внешнее проявление фитофтороза растений

Фитофтороз проявляется во второй половине лета и очень быстро распространяется в сырую дождливую погоду при температурах в пределах +24..+27°С. На листьях и молодых побегах появляются бурые или серо-зеленоватые пятнышки. Некоторые вначале окружены кольцом беловатой паутинки, а позже покрываются ею полностью. Пятнышки сливаются, увеличивая площадь поражения. Листья засыхают и опадают (служат источником последующего заражения). Травянистые культуры погибают, а у древесно-кустарниковых плоды становятся непригодными в пищу и переработку, для хранения и транспортировки.

Гнили

Все типы гнилей повреждают, в основном, овощные и другие огородные растения, молодые саженцы некоторых плодовых культур и ягодников (черная ножка, белая, серая, бурая, твердая, кила, стеблевая). Практически для всех гнилей отсутствует эффективное лечение. Заболевшие растения удаляют с участка и сжигают.

Внешние проявления гнилей растений

  • Истончение ножки сеянца (черная ножка).
  • При бурой гнили корневая шейка растений размягчается и буреет, а позже чернеет.
  • Белая гниль при поражении корнеплодов размягчает ткани, превращая их в слизь, корнеплод покрывается белым налетом.
  • Твердая гниль формирует на листьях коричнево-пурпурные пятнышки с черными точками. Середина пятен светлее краев. Пятнышки сливаются в сероватые пораженные области листовых пластинок.
  • Серая гниль поражает все надземные органы растений, которые покрываются сероватым пухом, буреют и ослизняются.
  • Кила грибковая образует наросты в виде вздутий на корнях растений любой возрастной стадии. Растения завядают без видимой внешней причины и гибнут.
  • Стеблевая гниль в отличие от остальных видов поражает непосредственно внутреннюю часть стеблей. Беспричинно увядшие растения удаляют. На поперечном срезе явно бывают видны белые хлопья. Гниль стеблей внешне проявляется при развитии болезни по окольцовыванию и отмиранию цветоножек или частей молодых стеблей деревьев и кустарников.

Серая гниль на винограде. © winetalkБурая гниль на черешне. © Thaddeus McCamantКила на корнях капусты. © Shelley

Некоторые грибковые заболевания растений называют болезнями увядания. Связано это с тем, что без видимой причины растения начинают увядать и через некоторое время погибают. К таким заболеваниям, наиболее знакомым дачникам, относятся вертициллёз, фузариоз и другие.

Вертициллёз

Болезнь опасна тем, что повреждает сосудистую систему травянистых и древесно-кустарниковых растений. Распространяется грибок по сосудам (чернь древесины) в острой и хронической форме. В первом случае растение погибает за 5-10 дней, во втором может жить дольше, но использовать в пищу плоды таких растений не приходится.

Внешнее проявление вертициллёза

Вертициллёз – это заболевание сосудов растений. Начинает проявляться увяданием и пожелтением с последующим опадением листьев, начиная со средней части кроны. Цветки и завязи сморщиваются, буреют и засыхают. Молодые листья хлоротичны и сохраняются лишь на верхушках растений (куда не дорос мицелий гриба). Грибница выделяет токсины, отравляющие растения. На поперечном срезе увядших стеблей видны пораженные проводящие сосуды в виде черных точек. На продольном срезе видна камедь, заполнившая сосуды.

Уровень опасности

Вертициллёзное поражение начинается от корней к вершине растений. Поэтому при проявлении внешних признаков заболевания, большая часть растения поражена грибком и спасти его невозможно. Патогенные грибы сохраняются в почве до 15 лет и активно заражают растения при температуре ниже +20°С.

Вертициллёзом поражаются все огородные растения, цветковые летники и многолетники, хвойные и широколиственные лесные и парковые культуры, плодовые ягодники и сады, сорные растения.

Фузариоз

Грибковая инфекция фузариума распространяется через почву, поражая в первую очередь корневую систему растения. Заболевание распространено во всех регионах независимо от климатических условий.

Уровень опасности фузариоза

Фузариоз опасен тем, что повреждает большой перечень травянистых, цветочных, одно- и многолетних растений и древесно-кустарниковых культур. Причем, растения поражаются грибком в любом возрасте.

Фузариоз может проявляться как трахеомикозное увядание, поражая розы, хвойники, рододендроны. Из комнатных растений чаще всего болеют зигокактусы, цикламены, орхидеи, бальзамины и другие растения.

Фузариоз на перце

Фузариоз на перце

Внешние проявления фузариоза

Грибок через корни доходит до корневой шейки, где со временем образуется розовый налет (иногда черный), а весь корень покрывается белым налетом. Ткани органов загнивают, а мицелий, поднимаясь по сосудам в надземную часть, вызывает пожелтение листьев с образованием отдельных водянистых участков светло-желтых и других оттенков. Истончение стеблей, увядание соцветий, початков, плодов с последующей гибелью всего растения. Отличительным признаком фузариоза служит нежный белый налет на верхней части листовых пластинок. Черешки ослабевают, листья повисают вдоль стебля.

Мучнистые росы

Мучнистую росу относят к опаснейшим заболеваниям овощных и огородных культур, цветников, сада и ягодников. По негативному воздействию на растения ложная и настоящая мучнистые росы очень схожи, а по внешнему проявлению имеются у каждого вида свои особенности.

Отличительные черты мучнистой росы

Настоящая мучнистая роса образуется одновременно на всех частях заболевшего растения. Все растение покрывается мучнистым беловатым налетом, листья сворачиваются, становятся вялыми, но не опадают. Вызывается заболевание нарушением агротехники выращивания и ухода (загущение, перепад температур, недостаток питания).

Ложная мучнистая роса начинается с пятнистостей верхней части листовых пластинок культуры (бесцветных или желтовато-шоколадных, коричневатых) и одновременным появлением на нижней стороне серой плесени. Заболевает культура обычно в период резких перепадов дневной и ночной температур.

Мучнистая роса на листьях клубники

Мучнистая роса на листьях клубники. © Plantpathfinder

Какие культуры поражаются мучнистой росой?

Ложная и настоящая мучнистая роса поражает в первую очередь растения с опушенными листьями (тыквенные – огурцы, кабачки, патиссоны, тыквы). Из других культур – редис и редьку, горох и салаты, фасоль, укроп. Сильно повреждаются росой из цветковых розы, герберы, циннии, флоксы, бегонии. Подвержены заболеванию росой и комнатные растения: колланхоэ, фиалки, орхидеи и другие. Из ягодно-фруктовых культур можно отметить повышенную склонность к заболеванию росами крыжовник, смородину, грушу, яблоню, сливу и другие культуры. Наибольшие поражения в открытом грунте связаны с утренней росой и поливом холодной водой. В защищенном – с высоким уровнем воздушной влажности (более 90%) и поливом холодной водой.

Методы защиты культур от грибковых заболеваний

Профилактические

Содержать дачный участок без сорняков, убирать все садово-огородные послеуборочные остатки. Заболевшие травянистые культуры убирать и сжигать. Осенью и весной пробеливать штамбы деревьев, устанавливать и менять ловчие пояса для предотвращения проникновения разносчиков болезней на крону деревьев (муравьев и других насекомых и членистоногих).

Агротехнические

Выполнять все требования культуры к агротехнике возделывания. Обязательно протравливать (обеззараживать) семена, луковицы, клубни и другой посевной и посадочный материал, включая саженцы кустарников и деревьев.

Химические меры борьбы

Бордосская жидкость, железный купорос, цинеб, кельтан, оксихом, фундазол и другие. Использовать при обработке растений только препараты, разрешенные ежегодным списком к обработке овощных, огородных культур, древесно-кустарниковых и парковых пород.

Биологические меры борьбы

Защиту растений начинают с первых дней. Семена и корневую систему саженцев обрабатывают регуляторами роста (завязь, бутон, эпин, гумми, атлет, гетероауксин, корневин и другие).

Для усиления противостояния непогоде и другим негативным условиям обрабатывают растения во время вегетации иммуномодуляторами (гумат натрия, гумми, оберегъ, циркон, эпин). При заболевании используют биофунгициды – фитоспорин, алирин, гамаир, планриз, фитодоктор, псевдобактерин-2, триходермин, превикур, барьер и другие. Биопрепараты лучше использовать в баковых смесях, предварительно проверив их на совместимость.

2. Бактериальные заболевания растений

Бактериальные заболевания делятся на:

  • пятнистости (черная бактериальная пятнистость, вершинная гниль),
  • растительные опухоли (рак),
  • сосудистые заболевания (сосудистый бактериоз).

Чёрная бактериальная пятнистость на томатеБактериальное разрастание растения. © BhaiСосудистый бактериоз капусты. © bejo

Бактериальные заболевания вызывают патогенные бактерии, проживающие обычно в почве. Общими внешними проявлениями бактериозного повреждения являются:

Гнилостный мокрый или сухой распад мягких тканей растения,

Появление на листьях пятен различной расцветки и формы, которые захватывают новые участки растения, включая побеги, многолетние стебли и ветки, штамбы деревьев. При высокой температуре пораженные участки высыхают, а при дождливой образуют слизистую массу,

Бактериальные микроорганизмы заселяют проводящую систему растений; у растений нарушаются процессы метаболизма, они увядают, теряют зеленую окраску и гибнут,

Бактерии, поселившись в тканях растений, выделяют специфические ростовые вещества, вызывающие усиленное деление клеток с образованием опухолей; опухолевидные выросты со временем изъязвляются (рак растений).

Какие растения повреждает бактериальная инфекция?

Бактерии живут в земле и проникают в корень через механические повреждения. Повреждают они все виды садовых и декоративно-парковых культур. Отличительной чертой бактериальных повреждений являются некрозы тканей в виде черных обугленных частей веток, либо выростов на ветках и корнях, вначале мягких, а со временем уплотняющихся до деревянистости (абрикосы, персики, груши, айва, виноград и другие). Ими болеют не только древесные культуры, но и цветковые: розы, георгины, пеларгонии и другие.

Профилактика и борьба с бактериальными заболеваниями растений

Основные защитные мероприятия включают профилактические и агротехнические работы. При своевременном обеспечении растениям оптимальных условий для роста и развития болезни со временем локализуются и замедляют свое развитие.

Постоянная уборка участка от обрезанных частей растений и полностью заболевших. Отходы сжигаются.

Места расположения больных растений дезинфицируют хлорной известью или обрабатывают 5% раствором медного купороса.

Обязательная дезинфекция посадочного материала (семян, корневищ, луковиц, саженцев, черенков) и садового инструмента.

Из химических препаратов рекомендуются: 1% бордосская жидкость, оксихом, фундазол, скор и другие.

Учитывая безопасность биопрепаратов для человека и окружающей фауны лучше на дачных участках использовать следующие биопрепараты, целенаправленно действующие на бактериальную инфекцию в почве и растениях: фитоспорин, триходермин, лепидоцид СК-М, гаупсин, микосан. Их можно применять в баковых смесях, но перед употреблением все же необходимо проверить на совместимость.

3. Вирусные заболевания растений

К вирусным заболеваниям относится столбур, табачная мозаика и другие, поражающие растения определенными группами вирусов. Вирусные заболевания опасны тем, что до сегодня не разработаны эффективные препараты для защиты растений. Переносчиками на здоровые растения являются муравьи, тли, клещи, а также сопутствующие условия – ветер, дождь.

Уровень опасности вирусных заболеваний

Вирусы наносят большой урон овощным культурам, фруктовым и декоративным деревьям и кустарникам, многим цветковым растениям открытого и закрытого грунта.

Признаки вирусного заболевания

Растения прекращают рост (карликовость), заменяют естественную окраску листьев и стеблей пятнистой. При развитии болезни пятна имеют определенный характерный тип округло-угловатых (кольцевидная мозаика) мозаичных рисунков. Если листовые пластинки покрываются некрозными пятнами (сирень, чина, петунии) и деформируются, то развивается некрозный тип мозаики.

Вирусная мозаика на тыкве

Вирусная мозаика на тыкве

Вирус табачной мозаики закупоривает транспирационную систему растений и вызывает их перегрев. (Транспирация – процесс движения воды через растение и ее испарение). Листья чернеют, деформируются и опадают, что ведет к гибели растений.

Столбур вызывают микоплазменные микроорганизмы. Отличительная особенность – развивается карликовость растений. Болезнь начинается с верхушек растений. Заражают растения муравьи, клещи, разные виды тлей, трипсы. У заболевших растений листья сначала загибаются вверх, а позже скручиваются. На овощных культурах появляется вдавленность плодов.

Методы защиты растений от вирусных заболеваний

Основная роль в защите растений от поражения мозаичными болезнями принадлежит профилактико-агротехническим мерам, в том числе использованию для посадок и посева районированных устойчивых к заболеванию сортов, дезинфекции почвы (особенно под рассаду и в теплицах) и семян.

Систематическая уборка участка и сжигание поврежденных растений.

Эффективных препаратов для защиты растений от этих заболеваний пока нет.

Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов


Обзор

Автор
Редакторы

Обратите внимание!

Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

Эволюция и происхождение вирусов

В 2007 году сотрудники биологического факультета МГУ Л. Нефедова и А. Ким описали, как мог появиться один из видов вирусов — ретровирусы. Они провели сравнительный анализ геномов дрозофилы D. melanogaster и ее эндосимбионта (микроорганизма, живущего внутри дрозофилы) — бактерии Wolbachia pipientis. Полученные данные показали, что эндогенные ретровирусы группы gypsy могли произойти от мобильных элементов генома — ретротранспозонов. Причиной этому стало появление у ретротранспозонов одного нового гена — env, — который и превратил их в вирусы. Этот ген позволяет вирусам передаваться горизонтально, от клетки к клетке и от носителя к носителю, чего ретротранспозоны делать не могли. Именно так, как показал анализ, ретровирус gypsy передался из генома дрозофилы ее симбионту — вольбахии [7]. Это открытие упомянуто здесь не случайно. Оно нам понадобится для того, чтобы понять, чем вызваны трудности борьбы с вирусами.

Из давних письменных источников, оставленных историком Фукидидом и знахарем Галеном, нам известно о первых вирусных эпидемиях, возникших в Древней Греции в 430 году до н.э. и в Риме в 166 году. Часть вирусологов предполагает, что в Риме могла произойти первая зафиксированная в источниках эпидемия оспы. Тогда от неизвестного смертоносного вируса по всей Римской империи погибло несколько миллионов человек [8]. И с того времени европейский континент уже регулярно подвергался опустошающим нашествиям всевозможных эпидемий — в первую очередь, чумы, холеры и натуральной оспы. Эпидемии внезапно приходили одна за другой вместе с перемещавшимися на дальние расстояния людьми и опустошали целые города. И так же внезапно прекращались, ничем не проявляя себя сотни лет.

Вирус натуральной оспы стал первым инфекционным носителем, который представлял действительную угрозу для человечества и от которого погибало большое количество людей. Свирепствовавшая в средние века оспа буквально выкашивала целые города, оставляя после себя огромные кладбища погибших. В 2007 году в журнале Национальной академии наук США (PNAS) вышла работа группы американских ученых — И. Дэймона и его коллег, — которым на основе геномного анализа удалось установить предположительное время возникновения вируса натуральной оспы: более 16 тысяч лет назад. Интересно, что в этой же статье ученые недоумевают по поводу своего открытия: как так случилось, что, несмотря на древний возраст вируса, эпидемии оспы не упоминаются в Библии, а также в книгах древних римлян и греков [9]?

Строение вирусов и иммунный ответ организма

Дмитрий Ивановский и Эдвард Дженнер

Рисунок 1. Первооткрыватель вирусов Д.И. Ивановский (1864–1920) (слева) и английский врач Эдвард Дженнер (справа).

Строение ВИЧ

Почти все известные науке вирусы имеют свою специфическую мишень в живом организме — определенный рецептор на поверхности клетки, к которому и прикрепляется вирус. Этот вирусный механизм и предопределяет, какие именно клетки пострадают от инфекции. К примеру, вирус полиомиелита может прикрепляться лишь к нейронам и потому поражает именно их, в то время как вирусы гепатита поражают только клетки печени. Некоторые вирусы — например, вирус гриппа А-типа и риновирус — прикрепляются к рецепторам гликофорин А и ICAM-1, которые характерны для нескольких видов клеток. Вирус иммунодефицита избирает в качестве мишеней целый ряд клеток: в первую очередь, клетки иммунной системы (Т-хелперы, макрофаги), а также эозинофилы, тимоциты, дендритные клетки, астроциты и другие, несущие на своей мембране специфический рецептор СD-4 и CXCR4-корецептор [13–15].

Генетическая организация ВИЧ-1

Одновременно с этим в организме реализуется еще один, молекулярный, защитный механизм: пораженные вирусом клетки начинают производить специальные белки — интерфероны, — о которых многие слышали в связи с гриппозной инфекцией. Существует три основных вида интерферонов. Синтез интерферона-альфа (ИФ-α) стимулируют лейкоциты. Он участвует в борьбе с вирусами и обладает противоопухолевым действием. Интерферон-бета (ИФ-β) производят клетки соединительной ткани, фибробласты. Он обладает таким же действием, как и ИФ-α, только с уклоном в противоопухолевый эффект. Интерферон-гамма (ИФ-γ) синтезируют Т-клетки (Т-хелперы и (СD8+) Т-лимфоциты), что придает ему свойства иммуномодулятора, усиливающего или ослабляющего иммунитет. Как именно интерфероны борются с вирусами? Они могут, в частности, блокировать работу чужеродных нуклеиновых кислот, не давая вирусу возможности реплицироваться (размножаться).

Вирус Эбола

Причины поражений в борьбе с ВИЧ

Тем не менее нельзя сказать, что ничего не делается в борьбе с ВИЧ и нет никаких подвижек в этом вопросе. Сегодня уже определены перспективные направления в исследованиях, главные из которых: использование антисмысловых молекул (антисмысловых РНК), РНК-интерференция, аптамерная и химерная технологии [12]. Но пока эти антивирусные методы — дело научных институтов, а не широкой клинической практики*. И потому более миллиона человек, по официальным данным ВОЗ, погибают ежегодно от причин, связанных с ВИЧ и СПИДом.

Схема развития феномена ADE

Подобный вирусный механизм характерен не только для ВИЧ. Он описан и при инфицировании некоторыми другими опасными вирусами: такими, как вирусы Денге и Эбола. Но при ВИЧ антителозависимое усиление инфекции сопровождается еще несколькими факторами, делая его опасным и почти неуязвимым. Так, в 1991 году американские клеточные биологи из Мэриленда (Дж. Гудсмит с коллегами), изучая иммунный ответ на ВИЧ-вакцину, обнаружили так называемый феномен антигенного импринтинга [23]. Он был описан еще в далеком 1953 году при изучении вируса гриппа. Оказалось, что иммунная система запоминает самый первый вариант вируса ВИЧ и вырабатывает к нему специфические антитела. Когда вирус видоизменяется в результате точечных мутаций, а это происходит часто и быстро, иммунная система почему-то не реагирует на эти изменения, продолжая производить антитела к самому первому варианту вируса. Именно этот феномен, как считает ряд ученых, стоит препятствием перед созданием эффективной вакцины против ВИЧ.

Макрофаг, инфицированный ВИЧ-1

Открытие биологов из МГУ — Нефёдовой и Кима, — о котором упоминалось в самом начале, также говорит в пользу этой, эволюционной, версии.

Мембрана макрофага и ВИЧ

Сегодня не только ВИЧ представляет опасность для человечества, хотя он, конечно, самый главный наш вирусный враг. Так сложилось, что СМИ уделяют внимание, в основном, молниеносным инфекциям, вроде атипичной пневмонии или МЕRS, которыми быстро заражается сравнительно большое количество людей (и немало гибнет). Из-за этого в тени остаются медленно текущие инфекции, которые сегодня гораздо опаснее и коварнее коронавирусов* и даже вируса Эбола. К примеру, мало кто знает о мировой эпидемии гепатита С, вирус которого был открыт в 1989 году**. А ведь по всему миру сейчас насчитывается 150 млн человек — носителей вируса гепатита С! И, по данным ВОЗ, каждый год от этой инфекции умирает 350-500 тысяч человек [33]. Для сравнения — от лихорадки Эбола в 2014-2015 гг. (на состояние по июнь 2015 г.) погибли 11 184 человека [34].

* — Коронавирусы — РНК-содержащие вирусы, поверхность которых покрыта булавовидными отростками, придающими им форму короны. Коронавирусы поражают альвеолярный эпителий (выстилку легочных альвеол), повышая проницаемость клеток, что приводит к нарушению водно-электролитного баланса и развитию пневмонии.

Воссозданный вирус H1N1

Рисунок 8. Электронная микрофотография воссозданного вируса H1N1, вызвавшего эпидемию в 1918 г. Рисунок с сайта phil.cdc.gov.

Почему же вдруг сложилась такая ситуация, что буквально каждый год появляются новые, всё более опасные формы вирусов? По мнению ученых, главные причины — это сомкнутость популяции, когда происходит тесный контакт людей при их большом количестве, и снижение иммунитета вследствие загрязнения среды обитания и стрессов. Научный и технический прогресс создал такие возможности и средства передвижения, что носитель опасной инфекции уже через несколько суток может добраться с одного континента на другой, преодолев тысячи километров.


Обзор

Автор
Редакторы


Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific. Спонсор приза зрительских симпатий — фирма Helicon.

Чем болеют растения?

Для начала несколько слов о том, от чего, собственно, специалистам приходится защищать сельскохозяйственные растения. Причинами заболевания растений могут быть как факторы среды (летняя засуха или зимние морозы, недостаток питательных веществ в почве или их избыток и т.п.), так и различные паразитические организмы (бактерии, вирусы, грибы, круглые черви (нематоды) и даже другие растения).

Грибы, бесспорно, являются основными патогенами культурных растений. Известно, например, что из 162 серьёзных заболеваний в Центральной Европе 135 (83%) вызываются грибами [2]. Фитопатогенные грибы — многочисленная группа; их описано свыше 10 000 видов, различных по систематическому положению, степени паразитизма, специализации и т.д. [3]. Они широко распространены в природе и при благоприятных для их развития условиях наносят значительный урон урожаю и сельскохозяйственным продуктам при хранении. Даже самые осторожные оценки говорят об уничтожении болезнями 10–20% потенциального урожая; без контрмер масштабы этих потерь резко возросли бы [2].

Именно о проблемах диагностики болезней растений, вызываемых фитопатогенными грибами, пойдёт речь в данной статье.

Врага надо знать в лицо

Зачем же нужно, с одной стороны — обнаружение, а с другой — быстрое и точное (желательно — до вида, или даже расы) определение фитопатогенных грибов?

На данный момент самым распространённым методом борьбы с фитопатогенными грибами является обработка растений фунгицидами. Понятно, что невозможно защитить культуры от всех возможных потенциальных угроз: это и сложно, и экономически невыгодно, да и для окружающей среды далеко не полезно. Именно поэтому важно знать, желательно — своевременно, с чем именно придётся бороться. Чем раньше обнаружена болезнь, тем больше шансов, что, приняв соответствующие меры, удастся её победить. Это верно для заболеваний как человека, так и растений. Кстати, точное определение вида грибов важно ещё и в довольно неожиданной области — реставрации деревянных строений — поскольку используемые там антисептические меры также очень сильно зависят от типа поражения [4].

Кроме этого, идентификация фитопатогенных грибов необходима для изучения их таксономии и эволюции, их взаимоотношений с растениями-хозяевами, генетических основ восприимчивости и устойчивости растений, что, в конечном счете, должно помочь в разработке способов борьбы с патогенами и в селекции растений, невосприимчивых к болезням [5].

И, наконец, крайне важна сертификация зерна и посадочного материала в рамках карантинных программ. Известно, что фитопатогенные грибы могут распространяться многими путями — как естественными (с током воздуха, водой, насекомыми, животными), так и при помощи человека, перевозящего заражённые растения или их части не только между различными странами, но и между континентами. Зачастую такое перемещение приводит к неожиданному и масштабному распространению заболеваний.

Например, пузырчатая ржавчина (Cronartium ribicola) была эндемична для Альп и востока России. Этот паразит, в цикле развития предполагающий обязательную смену хозяев, обитает круглый год на пятихвойных соснах, а летом поражает листья смородины; ни в одном из исходных ареалов он не причинял серьёзного ущерба. Однако веймутова сосна, завезённая в начале XVIII века из Америки в ряд областей Европы, оказалась крайне восприимчивым хозяином для данного гриба. За счёт этого распространившаяся инфекция причинила большой вред культурам смородины и высаженным веймутовым соснам, а в 1909 году была завезена с их рассадой в Америку, где встретила многочисленных хозяев для обеих фаз развития. Здесь стали страдать, прежде всего, лесообразующие пятихвойные сосны. Поэтому, чтобы разорвать инфекционную цепь паразита с обязательной сменой хозяев, пытаются уничтожать дикорастущие виды смородины [2].

Ещё один показательный пример: возбудитель голландской болезни вяза (Ophiostoma ulmi) уже в XX столетии был занесён из континентальной Европы в Северную Америку. Начиная примерно с 1970 г., после того, как он был завезён в Великобританию, он успел уничтожить половину английских вязовых насаждений [2]. Теперь этот вид встречается и в России.

Для того чтобы избежать подобного впредь, созданы списки карантинных организмов, и при перемещении растений или их семян между странами (или даже частями одной страны) обязательно проводится их обследование.

Как только что было показано, идентификация фитопатогенных грибов крайне важна, возник вопрос — каким образом она производится?

Наиболее простой способ — это идентификация патогена по внешним признакам заболевания (симптомам), то есть по тому воздействию, которое он оказывает на поражённое растение [6]. Но здесь проблема в том, что к одним и тем же повреждениям растения-хозяина могут приводить совершенно разные микроорганизмы, отличающиеся разной устойчивостью к фунгицидам, вредоносностью и другими характеристиками. Как пример, здесь можно привести три листовые пятнистости пшеницы (рис. 1).

Листовые пятнистости пшеницы

Рисунок 1. Листовые пятнистости пшеницы. Слева — септориоз листьев пшеницы (возбудитель — Mycosphaerella graminicola). По центру — септориоз листьев и колоса пшеницы, проявление на листьях (возбудитель — Phaeosphaeria nodorum). Справа — жёлтая пятнистость пшеницы (возбудитель — Pyrenophora triticirepentis). Обратите внимание: несмотря на то, что это разные заболевания, поражения листьев очень похожи.

Ещё одна проблема заключается в том, что далеко не все заболевания проявляются сразу же после заражения растения. Например, возбудитель пыльной головни ячменя (Ustilago nuda) обычно проникает во время цветения пшеницы в формирующуюся зерновку. Гриб не препятствует формированию зародыша, само зерно развивается нормально, ничем внешне не отличаясь от здорового. Мицелий зимует в зерновке. Весной одновременно с прорастанием семян происходит и рост мицелия, который по мере роста растения распространяется по различным его органам. Проявляется заболевание только в период колошения. При этом разрушаются все части колоса, превращаясь в чёрную споровую массу, после распыления которой остаются лишь ости и стержень колоса (рис. 2) [8].

Пыльная головня ячменя

Рисунок 2. Пыльная головня ячменя: поражённое соцветие со спорами

Стандартный для фитопатологов подход при определении фитопатогенных грибов — это выделение их в чистую культуру на какой-либо питательной среде, получение характерных образований (чаще всего это, конечно, спороношения) и затем идентификация гриба под микроскопом.

Но здесь возникают определённые трудности. Основная из них заключается в том, что далеко не все паразитические грибы возможно культивировать на искусственных питательных средах: многим требуется наличие живых тканей растения-хозяина, либо присутствие других представителей сложного сообщества [10]. Но даже если гриб удаётся выделить в культуру, следующий вопрос — это то, сколько времени понадобится, чтобы добиться от него появления спороношения. Например, возбудитель белосоломенной болезни пшеницы и ржи (Gibellina cerealis), хотя и хорошо культивируется, даёт спороношение только после четырёх–пяти недель роста. Естественно, что меры по борьбе с патогеном необходимо принимать сразу после его обнаружения, а не через месяц, когда может оказаться, что спасать уже нечего.

Сравнение конидий типовых образцов

Рисунок 3. Сравнение конидий типовых образцов Alternaria longipes (вверху), Alternaria tenuissima (в центре), Alternaria alternata (внизу). Видно, что на основе сравнения только формы конидий этих трёх видов однозначно различить их крайне сложно. При идентификации видов в данном случае специалист использует не только форму конидий, но и другие признаки (например, способ образования конидий, их взаимное расположение и т.п.).

И даже с определением тех фитопатогенных грибов, спороношения которых получить сравнительно просто, могут возникать сложности. К примеру, идентификация многих микромицетов сопряжена с рядом трудностей, таких как сходство морфологических характеристик разных видов и одновременно внутривидовая вариабельность признаков. Несмотря на внешнее сходство, возбудители могут значительно отличаться по патогенности, токсигенности, степени специализации, генетике взаимоотношений с растением-хозяином, вредоносности, чувствительности к фунгицидам и т.д. То есть разные виды обладают совершенно разными экологическими особенностями и хозяйственной значимостью [12]. Хорошим примером здесь является определение различных видов рода Alternaria (рис. 3). Очевидно, что для идентификации до вида нужны достаточно широкие познания в данной области и немалый опыт работы с исследуемым фитопатогеном.

Ещё один способ, пригодный для обнаружения некоторых фитопатогенных грибов, заключается в смыве с субстрата, фильтрации и микроскопическом определении (и даже подсчёте, что даёт количественные данные) их спор. Чаще всего, таким способом оценивается количество грибных спор в зерне или в почве. Несмотря на то, что идентификация до вида на основании одних только спор чаще всего затруднена, этот способ широко применяется, а для анализа получаемых при помощи микроскопа изображений разрабатываются специальные компьютерные программы [14]. Например, таким образом определяют заражённость зерна возбудителем твёрдой головни (Tilletia caries) (рис. 4) [15]. Несмотря на использование компьютерных технологий, этот метод весьма трудоёмок и не подходит для исследования большого количества образцов.

Зерновки, поражённые твёрдой головнёй пшеницы

Рисунок 4. Зерновки, поражённые твёрдой головнёй пшеницы

Молекулярная биология на службе фитопатолога

Во всех описанных случаях на помощь исследователям могут прийти широко развивающиеся в последнее время молекулярные методы анализа. Сейчас в основе большинства из них лежит применение ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay, иммуноферментный анализ) [11], либо ПЦР (полимеразная цепная реакция, polymerase chain reaction) [17].

Иммуноферментный анализ состоит из двух основных этапов: иммунной и ферментативной реакций. Иммунная реакция заключается в специфическом связывании характерного для данного микроорганизма антигена с диагностическим антителом. Ферментативная реакция необходима для обнаружения этого связывания. Как правило, она сопровождается изменением цвета, причём степень этого изменения может быть использована для определения количества присутствующего антигена.

Прибор CSL Pocket Diagnostic

Рисунок 5. Прибор CSL Pocket Diagnostic TM lateral flow immunodiagnostic kit. Растительный экстракт помещается на площадку (a), которая содержит латексные шарики, покрытые специфическими антителами; смесь мигрирует вдоль мембраны (b) к абсорбирующей поверхности (c). При этом имеющиеся в растворе целевые антигены связываются со специфичными антителами на латексных шариках. Мембрана содержит полосу антител, отличающихся необходимой специфичностью (измерительную полосу) (d) и полосу других антител, которые связываются с первыми антителами (контрольную полосу) (e). Латексные шарики, содержащие связанный антиген, задерживаются в тестовой зоне, давая видимую линию, тогда как излишние латексные шарики, которые не содержат антигена, задерживаются в контрольной зоне, показывая, что анализ работает. Наличие двух линий соответствует положительному результату (positive), наличие только одной линии (контрольной) говорит о негативном результате (negative).

Основанные на иммуноферментном анализе методы широко применяются для обнаружения вирусов (в том числе поражающих растения) и значительно реже — для идентификации грибов и бактерий. Основной причиной этого является трудность получения антител с необходимой специфичностью: строение клеточных стенок грибов и бактерий гораздо сложнее, чем вирусного капсида, к тому же может изменяться в ходе их жизненного цикла. В результате получаемые антитела могут оказаться специфичны как сразу к большой группе видов, так и исключительно к отдельным жизненным формам данных микроорганизмов. Тем не менее, основанные на ELISA методы идентификации фитопатогенных грибов всё же разрабатываются: например, существует метод идентификации спор уже упоминавшейся в данной статье твёрдой головни [19].

ПЦР — это ферментативная реакция, в результате которой происходит накопление большого количества копий какого-либо не слишком большого (чаще всего, 200–1500 пар нуклеотидов) фрагмента ДНК. Так как ДНК любого организма содержит как вариабельные (отличающиеся даже у близкородственных организмов), так и консервативные (сходные у эволюционно далёких видов) участки, возможно на основе выбора диагностического участка варьировать специфичность протекающей реакции.

Таким образом, данный метод позволяет обнаруживать последовательности нуклеиновой кислоты, специфичные для конкретного организма или группы сходных организмов и, тем самым, выявлять его (их) присутствие в анализируемой пробе. Методы, основанные на ПЦР, позволяют идентифицировать патогенные виды как в чистой культуре, так и непосредственно в растительном материале, минуя этап изоляции грибов [20]. Как пример, здесь приведены результаты ПЦР, разработанной для идентификации грибов рода Pyrenophora (рис. 6), представители которого являются возбудителями жёлтой пятнистости злаков, в частности — пшеницы (рис. 1).

Идентификация грибов рода Pyrenophora

Рисунок 6. Разделённые при помощи электрофореза продукты ПЦР, разработанной для идентификации грибов рода Pyrenophora. М — маркер, представляющий собой набор фрагментов ДНК известного размера, 1–10 — ДНК, выделенная из различных образцов листьев пшеницы, поражённых листовыми пятнистостями. Здесь продукт реакции (фрагмент ДНК известного размера) должен наблюдаться только в том случае, если в образце присутствует ДНК целевого организма, а именно — гриба рода Pyrenophora. В итоге видно, что растения под номерами 3–6, 8 и 9 больны жёлтой пятнистостью, а остальные — каким-либо другим внешне схожим заболеванием.

Существует достаточно много модификаций метода ПЦР, большинство из которых применяется в изучении возбудителей болезней растений. Например, RAPD и RFLP анализы используются для уточнения родственных связей между различными грибами; ПЦР, специфичная для ДНК представителей отдельных родов или видов — для идентификации фитопатогенов (в том числе — в форматах nested и multiplex); ПЦР с регистрацией в режиме реального времени (real-time PCR) — для определения количества присутствующей целевой ДНК.

Рассмотрим подробнее один из самых перспективных методов на основе ПЦР — ПЦР с регистрацией в режиме реального времени (рис. 7). В отличие от большинства других форматов ПЦР, он позволяет не только констатировать факт присутствия ДНК целевого патогена, но и измерить её количество. В качестве примера здесь приведено определение в двух образцах количества ДНК ещё одного возбудителя листовой пятнистости.

ПЦР с регистрацией в режиме реального времени

Интересно применение данного метода для анализа заражённости зерна твёрдой головнёй (рис. 4): при наличии соответствующих калибровочных графиков возможно получение результатов в виде числа спор, имеющихся в образце [7].

Ложка дёгтя в бочке мёда

Хотя преимущества и перспективы применения молекулярных методов идентификации сложно переоценить, на пути их практического использования имеется целый ряд трудностей. Несмотря на универсальность методов при конечном анализе, для их разработки и проверки требуется достаточно много времени и немалая экспериментальная база. Основной проблемой здесь является отсутствие возможности чисто теоретически оценить специфичность разрабатываемых методов.

Ну и самая большая проблема всех описанных в данной статье методов — это цена, ограничивающая их широкое применение в условиях небогатых российских хозяйств.

Несколько слов о будущем

Несмотря на все имеющиеся проблемы, молекулярные методы анализа интенсивно развиваются (о чём можно судить хотя бы по числу публикаций на соответствующие темы, которое с каждым годом становится всё больше). Старые методы постоянно совершенствуются, в то же время разрабатываются новые (например, метод биочипов [21] и секвенирование следующего поколения [22]), а цена одного анализа становится всё ниже. Поэтому можно надеяться, что не за горами то время, когда все упоминавшиеся в данной статье методики и их более совершенные аналоги действительно найдут широкое применение и облегчат жизнь фитопатологов и агрономов.

Читайте также: