VIVOS VOCO: Ю.Т. Дьяков, "Фитофтороз - глобальные и внутрироссийские проблемы"

Фитофтороз -
глобальные и внутрироссийские проблемы

Ю.Т. Дьяков

Юрий Таричанович Дьяков, д.б.н., зав. каф. микологии и альгологии биофака МГУ им. М.В.Ломоносова.
Главный редактор журналов “Микология и фитопатология” и “Journal Russian Phytopathological Society”,
вице-президент Регионального общества фитопатологов и Национальной академии микологии.

В 1995 г. в столице Ирландии Дублине проходила большая международная научная конференция “Фитофтора-150”. И место проведения конференции, и ее название не случайны. Наверное, среди болезней растений нет другой столь трагически известной, как фитофтора картофеля - она оказала роковое влияние на судьбу целой нации. Недаром великий немецкий ботаник Антон де Бари, описавший возбудителя болезни, дал ему имя Phytophthora infestans - инфекционный пожиратель растений.

Фитофтороз картофеля.
Справа - картофельное поле, слева - пораженные листья и клубни

Фитофтора на томатах

Картофельная болезнь появилась в США и в Европе почти одновременно, в начале 40-х годов XIX в. Впервые ее зарегистрировали в 1844 г., а уже последующие два года стали драматической вехой в судьбе народов. Она принесла в Европу голод и нищету. Особенно сильно пострадало население Ирландии. В 1845 г. там проживало около 8 млн человек, причем для 6 млн картофель составлял по крайней мере половину пищевого рациона, а остальные питались почти исключительно картофелем. Лишившись его, люди потеряли единственный источник существования. Смерть косила людей с такой скоростью, что их не успевали хоронить. Вот как писали тогда в дублинской газете: “Деревообрабатывающая фабрика на Королевской улице, самое крупное предприятие подобного рода в стране, обеспечит ежедневной работой в течение последующих шести или восьми месяцев, с утра и до ночи, одновременно от 16 до 20 пар пильщиков для распилки гробовых досок”. Вид гниющих растений вызывал у населения ужас, описание которого можно встретить в художественных произведениях той эпохи, например в повести швейцарского писателя Иеремия Готхельфа “Кэтти-бабушка”: “И вот при свете факела увидела Кэтти на всех кустах картофеля ужасную черную чуму. И чем дольше она глядела, тем, казалось, чернее и ужаснее становились пятна страшной болезни. Отчаяние овладело тогда старой женщиной, и, опустившись на землю, она горько заплакала”.

За голодом последовали его неминуемые спутники - инфекционные болезни. Началась массовая миграция ирландцев в Англию и в США. Толпы эмигрантов атаковали отплывающие суда, бросая землю, дома, а иногда и близких людей. К 1851 г. население Ирландии уменьшилось на 2 млн человек. “Что значит золотуха, - писал Ф.Энгельс, - в сравнении с тем голодом, который постиг в результате болезни картофеля Ирландию и который свел в могилу миллион питающихся исключительно или почти исключительно картофелем, а два миллиона заставил эмигрировать за океан”.

Возбудитель болезни

Род Phytophthora “славен” не только “картофельным грибом”: P.cinnamomi уничтожила половину эвкалиптовых лесов в Австралии; P.palmivora - опаснейший паразит пальм и гевей; P.cactorum вызывает наиболее распространенные заболевания яблонь. И перечень этот можно продолжать долго.

Фитофторы относятся к классу оомицетов. Во второй половине прошлого века накопились данные о том, что оомицеты больше похожи на водоросли, чем на грибы. У них сходный с водорослями половой процесс; имеются разножгутиковые зооспоры, трубчатые кристы митохондриев, как у водорослей, а не лентовидные, как у грибов; в клеточной стенке нет хитина, но есть целлюлоза, биогенез лизина сходен с водорослевым. Эти данные полностью подтвердились при изучении геномов оомицетов, которые сейчас изъяты из царства грибов и перенесены в царство хромистов или гетероконтных водорослей (вместе с диатомовыми, бурыми, золотистыми водорослями). Значит, называть фитофтору грибом можно лишь метафорически, но не филогенетически.

Массовые поражения томатов фитофторозом были зафиксированы значительно позже, чем на картофеле. Томаты - близкие родственники картофеля, относятся они к тому же роду Solanum, в его широком толковании, но к разным подродам. Для сильного поражения томата была необходима адаптация паразита к его обмену, отличающемуся от обмена первичного хозяина - картофеля. Однако сейчас имеются внутривидовые формы фитофторы, поражающие томаты сильнее, чем картофель, и вызывающие гниение плодов [1]. Видимо, произошла одна или серия мутаций, повысивших приспособленность паразита к томатам.

Вегетативное тело фитофторовых грибов - бесцветный неклеточный разветвленный мицелий, погруженный в субстрат (обычно - ткань растения-хозяина). Через разрывы пораженной ткани или через листовые устьицы высовываются разветвленные спорангиеносцы, на концах которых формируются лимоновидные зооспорангии. Они отрываются от спорангиеносцев и разносятся дождевыми брызгами или ветром. Попадая в каплю воды, зооспорангия раскалывается, образуется шесть-восемь двужгутиковых зооспор, которые покидают зооспорангий через отверстие на его вершине. Проплавав некоторое время, зооспора теряет жгутики, покрывается оболочкой (инцистируется) и прорастает ростковой трубкой, которая внедряется в ткань листа или плода. Интересно, что сигналом для инцистирования служит контакт с твердой поверхностью (для синхронного инцистирования зооспор достаточно несколько раз энергично встряхнуть пробирку с их суспензией). При повышенной температуре (выше 20°) зооспоры не формируются, а зооспорангий прорастает целиком, как одна спора. Это - пример тонких адаптаций к условиям жизни: в теплую погоду капли на листьях быстро высыхают и лишенные клеточной стенки зооспоры рискуют погибнуть. Так ценой снижения потомства повышается устойчивость развития.

При благоприятных условиях (высокой влажности и умеренных температурах) через три-четыре дня после заражения на листе образуется темное мокнущее пятно, окруженное с нижней стороны листа (где устьица) белым кольцом спороношения. Таким образом, очень быстро единичное заражение дает несколько десятков тысяч спорангиев, прорастающих еще шестью-восемью зооспорами. Это обусловливает взрывной, лавинообразный характер развития болезни, которая после смыкания ботвы соседних кустов может при благоприятной погоде за пару недель превратить картофельное поле в кладбище с торчащими, лишенными листьев стеблями.

Жизненный цикл фитофторы. Симметрично показаны стадии вегетативной фазы, в центре - стадии полового процесса (выделены цветом).

Споры с дождевыми токами проникают в почву и заражают формирующиеся клубни. Особенно сильно это происходит при уборке картофеля, когда поврежденные клубни контактируют с зараженной ботвой. Поражение клубней опасно не столько само по себе (при нормальном хранении фитофтора не переходит на здоровые), сколько снижением общего неспецифического иммунитета. Как показано в лаборатории О.Л.Озерецковской (Институт биохимии им.А.Н.Баха), фитофтора выделяет в зараженные клубни специфический глюкан - супрессор защитных реакций, который подавляет образование раневой перидермы и защитных веществ. В результате такие клубни становятся легкой добычей оппортунистических грибов и бактерий, которых там много. Они вызывают быстрое гниение клубня и распространяются на соседние. Партии картофеля, где более 10% зараженных фитофторой клубней, могут сгнить полностью.

Схема развития спорангиеносцев с зооспорами из устьиц листа

Большинство видов фитофторы, кроме вегетативных зооспор, имеют в жизненном цикле половой процесс - оогамию. У гомоталличных видов мужские и женские структуры (антеридии и оогонии) формируются на одном мицелии, т.е. они обоеполы. У гетероталлических видов для полового процесса необходимо слияние оогониев и антеридиев, образованных генетически различными мицелиями (А1 и А2). В результате полового процесса появляется зигота - ооспора, покрытая толстой оболочкой и способная переносить неблагоприятные внешние условия (например, зимовку). У картофельной фитофторы ооспоры находили крайне редко. Весь ее цикл проходит в вегетативной фазе, а зимовка осуществляется в комфортных условиях хранилища. Единственным источником весеннего возобновления фитофторы считали зараженные клубни.

Распространение

Родиной картофельной фитофторы считают долины в горах Мексики, где растет много диких видов пасленовых (в том числе и клубнеобразующих) и летом выпадают сильные дожди. После второй мировой войны в мексиканской долине Толука на средства Рокфеллеровского фонда организовали Международную станцию для изучения фитофтороза картофеля. Руководителем пригласили молодого выпускника Корнеллского университета (США) Дж.Нидерхаузера, который начинал свое сельскохозяйственное обучение в Москве, в Тимирязевской академии. Он высадил в Мексике клубни устойчивых к фитофторозу сортов картофеля, выведенных в Корнеллском университете его учителем Д.Реддиком. Все они сильно пострадали от фитофторы. С тех пор в Мексике началось систематическое изучение устойчивости картофеля к фитофторозу. В долине Толука еще раньше обнаружили дикий вид картофеля Solanum demissum - носитель многих генов устойчивости к болезни. В 30-х годах прошлого века в Германии К.Мюллер получил первые гибриды этого вида с культурным картофелем, а несколько позже И.И.Пушкарев в подмосковном Институте картофельного хозяйства вывел первый гибридный коммерческий сорт “Фитофтороустойчивый-8670”. К сожалению, из-за разгула лысенковщины талантливому селекционеру и генетику пришлось прекратить селекционную работу.

В 60-х годах американский миколог М.Галлегли установил, что в мексиканских популяциях фитофторы встречаются штаммы с разными локусами спаривания (А1 и А2), при совместном росте которых образуются гибридные ооспоры. Последние были найдены в растительных остатках в природе. Скрещивание большой коллекции штаммов, выделенных в разных районах Старого Света, с мексиканскими штаммами-тестерами показало, что все европейские штаммы имеют тип спаривания А1 и поэтому стерильны.

Однако сравнительно недавно, в 80-х годах, в ряде европейских стран, в том числе и в России, обнаружили штаммы с типом спаривания А2 и многочисленные ооспоры. В частности, сотрудник нашей лаборатории С.Ф.Багирова показала, что ооспоры могут возникать в ткани пораженных томатов, зимовать в растительных остатках и заражать весной и томаты, и картофель.

Имеется несколько гипотез о причинах появления типа спаривания А2 в Старом Свете и в США. Наиболее популярна версия У.Фрая из Корнеллского университета. До его исследований основными показателями внутрипопуляционного полиморфизма у фитофторы считали физиологические расы, поражающие сорта с разными генами устойчивости. Поскольку этот признак имеет высокую селекционную ценность, частоты тех или иных рас определяются наличием соответствующих сортов картофеля. Например, в начале 80-х годов в Московской обл. был популярен сорт картофеля “Домодедовский”, имеющий ген устойчивости R3. Частота рас, поражающих сорта с этим геном, за два года изменилась с 5 до 95%.

Фрай начал широкое исследование относительно нейтральных признаков - полиморфизмов рестриктов ДНК и изоферментов [2]. Изучение коллекций штаммов, собранных из разных районов мира ранее 80-х годов, показало, что все они мономорфны по рестриктам ДНК, двум изоферментам (глюкозо-6-фосфат изомеразе и пептидазе) и типу митохондриальной ДНК. Однако в сборах 80-х и 90-х годов выявлен более высокий полиморфизм по этим признакам, причем штаммы, сочетающие набор ранее обнаруженных молекулярных маркеров, исчезли. В частности, в Московской обл. последний раз “старый” штамм зафиксировали на томатах в 1993 г. А.Н.Смирнов, Ю.В.Малеева и А.В.Долгова из Московского университета. А в Эстонии “старые” штаммы исчезли в 80-х годах, даже раньше, чем в некоторых странах Западной Европы.

На этом основании Фрай предположил, что в истории фитофтороза картофеля были две волны миграции из Мексики в другие районы. Первая, в XIX в., - случайный занос одного (или нескольких штаммов), вызвавшего эпидемии 40-х годов в Европе. Один из занесенных клонов (US-1) распространился по всему миру. Фактически все штаммы фитофторы на гигантских территориях - потомки одного клона, а их генетические изменения - результат точковых мутаций. Вторая волна относится к 80-м годам ХХ в. Благодаря работам Нидерхаузера по созданию устойчивых сортов картофеля и применению новых фунгицидов Мексика из импортера картофеля превратилась в его экспортера [3]. Среднее ежегодное производство картофеля в Мексике в 40-50-х годах прошлого столетия составляло 134 тыс. т, а в 70- 80-х - 1094 тыс., т.е. возросло почти на порядок.

Вывоз семенного картофеля из Мексики обеспечил распространение мексиканских штаммов фитофторы по всему миру. Это привело, во-первых, к появлению типа спаривания А2, возможности полового процесса и зимовки ооспор в почве (вне клубней); во-вторых, к увеличению генетического разнообразия штаммов, что зафиксировано изучением молекулярных маркеров; в-третьих, к усилению патогенности распространившихся штаммов. Ранее первые пятна фитофтороза находили на стареющих листьях в конце июля - начале августа, т.е. в период цветения картофеля (отсюда второе название болезни - поздняя гниль). В последние годы фитофтороз обнаруживается уже в июне, т.е. через месяц после посадки клубней (как в Мексике). К тому же поражаться стали не только листья, но и стебли, что ранее встречалось редко. Такая форма болезни наиболее вредоносна.

Гипотеза Фрая, несмотря на всю ее логичность, столкнулась с рядом противоречивых данных. Например, изучая популяции фитофторы на территории Сибири (от Екатеринбурга до Владивостока), мы обнаружили крайний внутри- и межпопуляционный мономорфизм, вероятно, вызванный многолетним выращиванием собственного картофеля и незначительным завозом из других районов [4]. Однако все штаммы были “новыми”. А недавно появилось сообщение о том, что из гербария пораженного картофеля периода ирландской эпидемии 40-х годов XIX в. выделена ДНК и с помощью полимеразно-цепной реакции определен тип митохондриальной ДНК. Он отличался от штамма US-1. Следовательно, в ирландской эпидемии участвовал по крайней мере не только штамм US-1.

Опасность фитофторы обусловлена ее высокой внутрипопуляционной изменчивостью. В ходе эпидемии образуется гигантское споровое облако. По нашим с Л.М.Супрун данным, на одном гектаре картофельного поля при наличии в среднем 40 пятен на кусте ежедневно образуется 8·10¹² спорангиев. Если считать, что частота спонтанных мутаций по одному локусу составляет в среднем 1·10⁹ ядер, то ежедневно на одном гектаре возникает до 1000 мутаций по каждому локусу. Значит, независимо от наличия или отсутствия половой рекомбинации один мутационный процесс способен обеспечить необходимый для всевозможных адаптаций уровень изменчивости. Именно поэтому введение в селекционные сорта новых генов устойчивости из диких видов дает лишь временный эффект - вскоре накапливаются вирулентные для них расы. Поскольку тип обмена оомицетов отличается от грибов, большинство системных фунгицидов для них нетоксичны. В 80-х годах открыли класс системных соединений, фениламидов, высокотоксичных для фитофтор вследствие ингибирования их РНК-полимеразы, и создали коммерческий препарат ридомил. Однако очень скоро эффективность ридомила упала из-за накопления резистентных к нему штаммов. Это заставило усилить поиск новых фунгицидов и разрабатывать антирезистентные стратегии их применения.

Так что по прошествии 150 лет после первых эпидемий проблема фитофтороза во всем мире далека от решения. В России она усугубляется еще и рядом коренных изменений в сельском хозяйстве, связанных с экономикой переходного периода.

Фитофтороз в России

Россия - крупнейший производитель картофеля в Европе. На ее долю приходится около 20% посевных площадей в мире и примерно 15% мировой продукции. За годы перестройки производство картофеля не уменьшилось, но резко изменилась структура посевных площадей. В условиях плановой экономики примерно половину картофеля выращивали колхозы и совхозы и половину - сельские и городские жители на cвоих огородах. После перехода на рыночную экономику производство картофеля в коллективных хозяйствах резко упало, а на частных огородах - выросло. Интересно, что рост этот произошел не благодаря сельским жителям, сажающим картофель, как всегда, “от забора до забора”, а - городскому населению, которое получило дачные участки и для поддержания своего уменьшившегося бюджета стало выращивать картофель и овощи, а их избыток продавать на рынке. К сожалению, фермеры, получающие товарный картофель, составляют ничтожную долю в общей продукции, причем тенденции к росту пока не наблюдается.

Изменение структуры посевных площадей вызвало ряд серьезных проблем [5]. В колхозах и совхозах агрономы следили за технологией выращивания культур, получением чистосортного и здорового от вирусов посадочного материала, руководили мероприятиями по защите картофеля от вредителей и болезней. На огородах же производством картофеля занимаются люди, не имеющие сельскохозяйственного образования, а часто (городские жители) и практических навыков. Так, многие считают, что плоды томатов буреют от тумана, который во второй половине лета по ночам окутывает растения, т.е. помещают телегу впереди лошади (прохладные ночи и капельно-жидкая влага способствуют быстрому размножению фитофторы). Поэтому в Центральной России почти всегда помидоры, выращенные в открытом грунте, убирают зелеными, не дожидаясь их сгнивания от фитофтороза. Россия - страна вечно зеленых помидоров.

Диаграмма посевных площадей под картофелем в России в 90-е годы XX в.

Большие посевные площади в коллективных хозяйствах позволяли проводить севооборот, при котором картофель ежегодно выращивали на новом месте. На маленьких частных огородах картофель год от года остается на одном и том же месте, в связи с чем усиливается угроза от вредителей (таких, как колорадский жук) и болезней, связанных с почвенной инфекцией - некоторых бактерий и вирусов, ризоктониоза, а с учетом образования ооспор - и фитофтороза.

Отсутствие знаний и низкие финансовые возможности резко снизили применение пестицидов, что сказалось на усилении вредоносности некоторых патогенов, и прежде всего фитофторы. Меньше стали использовать минеральные удобрения, так как на мелких дачных участках картофель обычно удобряют органическими - навозом или компостом. Сейчас российский картофель, наверное, самый экологически чистый, система его выращивания соответствует принципам биологического земледелия.

К этим субъективным причинам прибавились и объективные, связанные с накоплением новых, более агрессивных штаммов, часто поражающих не только листья, но стебли и черешки, что приводит к быстрой дефолиации растений. Поскольку 80% площадей под картофелем в России находятся в зоне повышенного риска (эпифитотии фитофтороза повторяются не реже одного раза в три-пять лет), потери от болезни очень велики. Например, в 1999 г. болезнь была зарегистрирована на площади в 1 млн га.

Нельзя сказать, что зарубежные университеты и компании не обеспокоены сложившимся положением. Голландские компании организовали на территории России в нескольких хозяйствах демонстрационное выращивание картофеля по голландской технологии и, что очень важно, финансируют программы обучения фермеров и огородников, привлекая прекрасных специалистов из институтов фитопатологии и картофельного хозяйства. Грант Британского Королевского общества позволил сотрудникам МГУ работать в ведущем центре по генетике фитофторовых оомицетов - Лаборатории Д.Шоу университета Северного Уэллса. Американская программа CRDF оказала финансовую поддержку сотрудникам МГУ и ВНИИ фитопатологии в сборе штаммов фитофторы на огромной территории Сибири и Дальнего Востока и их анализе в России и Корнеллском университете. Сейчас изучение популяций фитофторы и устойчивости картофеля поддерживается грантом MNTC. Несколько лет назад по инициативе ученых Корнеллского университета была создана Международная программа по изучению фитофтороза картофеля, в которой, в частности, активно участвуют сотрудники ВИРа, институтов картофельного хозяйства, фитопатологии и МГУ. При поддержке химических и биотехнологических фирм устраиваются международные встречи исследователей фитофторы в Польше и в Мексике, стажировки молодых российских исследователей в США, Мексике и Польше, а некоторые научные проекты по селекции картофеля в ВИРе и Институте картофельного хозяйства получают финансовую помощь.

Показателем обеспокоенности положением с картофелем в России стала недавняя беседа с исполнительным директором программы СЕЕМ К.Раманом в “Nature” [6]. Надо сказать, что краски в статье значительно сгущены. Овощные рынки показывают, что никакой катастрофы пока нет, ирландская трагедия в России не повторится, но тем не менее, если вовремя не принять необходимых мер, урон от фитофторы может привести к достаточно серьезным последствиям. Поэтому финансовая помощь программам по защите картофеля и томатов от фитофтороза, как российская, так и международная, очень важна, особенно с учетом того, что исследования в этом направлении, проводимые в России, весьма перспективны и в научном, и в практическом плане.

В связи с недостатком средств на приобретение зарубежных пестицидов у нас стали уделять внимание нетрадиционным методам борьбы с фитофторозом. Так, А.В.Филиппов (ВНИИ фитопатологии) предложил предпосевную обработку клубней низкочастотным электрическим током, которой заинтересовались исследователи в разных странах; О.Л.Озерецковская (Институт биохимии им.А.Н.Баха) с коллегами разработали методы применения химических и биологических иммуномодуляторов - элиситоров, повышающих иммунные свойства растения; В.Г.Джавахия (Институт фитопатологии) выделил из бактерии псевдомонады белок, ингибирующий вирусные и грибные паразиты картофеля, в том числе фитофтору. Совместно с Центром биоинженерии РАН и другими учреждениями они создали генетическую конструкцию и ввели ее в картофель. Эти трансгенные растения значительно повышают устойчивость к болезням. Таким образом, современная концепция интегрированной защиты картофеля ориентирована на использование нехимических (организационно-хозяйственных, агротехнических и биологических) методов и ограниченное применение химической защиты.

Литература

1. Дьяков Ю.Т., Долгова А.В., Рыбакова И.Н. и др. // Журн. общ. биологии. 1994. Т.55. С.179-188.

2. Goodwin S.B., Cohen Y., Fry W.E. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1994. V.91. P.11591-11595.

3. Niederchauser J.S. // Annu. Rev. Phytopathol. 1993. V.31. P.1-21.

4. Elansky S., Smirnov A., Dyakov Yu. et al. // European J. of Plant Pathol. 2001. V.107. P.1-7.

5. Dyakov Yu.T., Derevjagina M.K. // Pesticide Outlook. 2000. V.11. P.230-232.

6. Schiermeier Q. // Nature. 2001. V.410. P.1011.