Фитоплазменная болезнь столбур картофеля

Фитоплазмы – это облигатные фитопатогенные бактерии различной формы, не имеющие полноценной клеточной стенки. Были открыты сравнительно недавно, в 1967 году, в процессе исследования возбудителя желтухи астры. Синонимы: микоплазмоподобный организм (МПО), микоплазма. Таксономическое положение: Bacteria, Firmicutes, Mollicutes, Acholeplasmatales, Acholeplasmataceae, ‘Candidatus Phytoplasma’. Средний диаметр клеток фитоплазм – 200–800 нм. Размер генома варьируется от 550 до 1500 тысяч пар оснований, относительно небольшой по сравнению с другими бактериями. В геноме отсутствует ряд генов, отвечающих за биосинтез. Размножаются во флоэме растений-хозяев.

Поражение фитоплазмами вызывает широкий спектр физиологических нарушений, выявляемых у различных растений. Среди характерных симптомов отмечают виресценцию (позеленение цветков и потеря их нормальной пигментации); филлодию (изменение частей цветка в листовидные структуры); "ведьмины" метлы (пролиферация добавочных или пазушных побегов) и другие виды аномального разрастания побегов и корней; пожелтение, покраснение и прочие нарушения окраски листьев; уменьшение размеров листьев и плодов; некроз флоэмы; увядание и задержку роста побегов (фото 1).

Определение конкретного вида основано на секвенировании рибосомного гена 16S (р)РНК, а также на биологических характеристиках (рис.2). В целом, фитоплазмы в ≥97,5% идентичны по ≥1200 нуклеотидов гена 16S рРНК. В тех случаях, когда в виды ‘Ca.’ включают фитоплазмы с различными биологическими характеристиками (по переносчикам и растениям-хозяевам), их можно таксономически классифицировать, используя специальные правила, предложенные IRPCM (2004). Описания видов ‘Ca. Phytoplasma’ публикуются в International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, в коллекции - более 40 разновидностей.

Фитоплазмы поражают около 1000 видов растений, большинство являются двудольными (рис.3). Встречаются по всему миру, географическое распространение и ущерб зависит от количества растений-хозяев, а также от присутствия и пищевого поведения насекомых-переносчиков (рис.4). Для некоторых болезней характерен широкий спектр растений-хозяев и многоядные переносчики, и в связи с этим им свойственно широкое распространение в природе. Другие фитоплазмы имеют ограниченный спектр хозяев и насекомых-переносчиков, которые являются монофагами, что ограничивает их распространение.

Фитоплазмы распространяются насекомыми-переносчиками, растениями -паразитами (павилика), а также путем прививки или вегетативного размножения инфицированных частей растений. Насекомые-переносчики представлены цикадками, тлями и листоблошками, питающимися клеточным соком (отряд Hemiptera, подотряд Auchenorrhyncha).

Насекомые долгое время сохраняют возможность заражения фитоплазмой здоровых растений. Доказана способность свыше 90 видов насекомых выступать в качестве переносчиков, причём некоторые из них могут переносить более одного вида патогенов.

Подробная информация по фитоплазмам, включая фотографии проявлений болезней, перечень насекомых-переносчиков и базу данных по классификации фитоплазм, содержится на веб-сайтах costphytoplasma.ipwgnet.org/ и plantpathology.ba.ars.usda.gov/phytoplasma.html. В 2024 году создана еще одна база данных о фитоплазменных заболеваниях и связанных с ними симптомах (https://plantpathology.ba.ars.usda.gov/iphydsdb/iphydsdb.html), которая называется Phytoplasma Disease and Symptom Database (iPhyDSDB и включает 1264 ссылки на симптоматические изображения, собранные у 372 видов растений. Основным методом выявления фитоплазм является полимеразная цепная реакция (ПЦР) листьев, черешков и жилок листьев. Лучше всего проводить исследование на фитоплазмы в конце лета.

Столбур – наиболее распространенная фитоплазменная болезнь картофеля. Термин Stolbur (STOL, Sp) закрепился за фитоплазмами, принадлежащими к группе 16SrXII / подруппе 16SrXII-А, получившими видовое название ‘Candidatus Phytoplasma solani’. Другие названия столбура – южный столбур, столбур томатов, пурпурная верхушка, микоплазмоз, «Purple Top».

У картофеля симптомы включают в себя скручивание верхних листьев с пожелтением, покраснением или пурпурным оттенком; умеренное разрастание почек; укорочение междоузлий; вздутие узлов; образование воздушных клубней; а также раннее увядание растения (фото 5).

В полевых условиях у пораженных растений картофеля, начиная с фазы бутонизации, появляются хлоротичные листья. Листочки меняют цвет от края до края и сворачиваются в виде лодочки. Их верхушки часто приобретают пурпурный цвет. Молодые листья жесткие, растения прямостоячие. Через 7-10 дней после появления первых симптомов растения начинают увядать и засыхать после сухого загнивания корней (фото 5).

По ряду признаков (воздушные клубни, сворачивание листьев, засыхание растений) симптомы столбура схожи с симптомами ризоктониоза, вертициллеза, вирусных и других бактериальных болезней.

Клубни, которые уже сформировались, теряют тургор, вянут и становятся мягкими, эластичными (резиновыми). Есть сходство с увяданием от жесткой засухи. В отличие от резиновой грибной гнили нет загнивания кожуры и мякоти. Такие клубни после покоя прорастают нитевидными ростками и непригодны для использования в качестве посадочного материала.

Клубни зараженных фитоплазмой растений отличаются более высоким содержанием сахаров, что приводит к низкому качеству картофеля фри и чипсов (фото 7).

Проведенные исследования (Lindner K., Haase N.U., 2017) свидетельствуют о резком изменении биохимического состава в инфицированных клубнях, при этом значительно повышается уровень сахарозы, разница в три раза от здоровых до тяжело зараженных клубней (табл.1).

Таблица 1. Сухое вещество и низкомолекулярные углеводы в партиях картофеля из шести сортов, частично зараженных столбуром (СМ: сырая масса)

Буква Б указывает на статистически значимую разницу (P>0,05) по критерию Стьюдент

Редуцирующие сахара особенно увеличились у сорта Бинтье (клубни с тяжелыми симптомами), в то время как параметры других сортов оставались более стабильными. Концентрация сахарозы значительно увеличилась в клубнях с сильными симп томами. Самый высокий уровень сахарозы был у Бинтье, за ним следуют Сатурна и Гермес. Все они превышали уровни выше 1000 мг сахарозы/100 г СМ. Биохимический состав Сорт Леди Клэр оказался наиболее устойчивым к поражению столбуром (табл. 2).

Таблица 2. Содержание сахарозы [мг/100 г СМ] в трех классах качества исследуемых сортов

Буква Б указывает на статистически значимую разницу (P>0,05) по критерию Стьюдента

Было также исследовано распределение сахаров внутри клубней. Клубни с выраженными симптомами столбура имели более высокую концентрацию сухого вещества, чем клубни с незначительными симптомами. В обоих случаях центральная область имела более низкую концентрацию сухого вещества, чем апикальная или столонная. Концентрация глюкозы и фруктозы была самой высокой в столонной области, в то время как концентрация сахарозы была равномерной в различных зонах клубней (табл. 3).

Таблица 3. Сухое вещество и низкомолекулярные углеводы в различных частях клубней картофеля с симптомами столбура

В тяжелых случаях столбур снижает урожайность картофеля на 35% и делает непригодными клубни к реализации на столовые цели и промышленную переработку. Еще недавно считалось, что это бактериальное заболевание встречается в теплые и засушливые годы только в континентальных и южных странах, что заражение картофеля происходит исключительно через сорняки с помощью цикадок и что клубни пораженных растений практически не передают болезнь потомству.

По всем перечисленным условиям ситуация быстро меняется. В США, к примеру, установлено, что 68% зараженных фитоплазмой растений наиболее распространенных сортов формируют по несколько зараженных клубней, а 35% зараженных клубней дают начало зараженным дочерним растениям. Благодаря обстоятельным исследованиям российских ученых (Гирсова Н.В., Костальева Т.Б., Богоутдинов Д.З и др., 2016, 2020) выявлены закономерности повышения вредоносности столбура в последние годы.

Эта фитоплазма на картофеле отмечена уже в 12 административно-территориальных образованиях восьми экономических регионов РФ, включающих Западно-Сибирский, Северо- Западный и Северный. Распространению способствуют засушливые условия сезонов и сезонный занос переносчиков из южных регионов в более северные.

Природный ареал столбура совпадает с распространением полифаговых переносчиков семейства циксииды (Cixiidae), основным из которых является вьюнковая цикадка – Hyalesthes obsoletus (фото 8), но также и многие другие виды цикадок – свекловичная, корневая, зеленая и др. (фото 9). Полифаговый характер переносчиков определил широкий круг поражаемых видов растений. В мире, главным образом в Европе, патоген ‘Ca.

Phytoplasma solani’ обнаружен более чем у 100 видов высших растений из 40 семейств и 22 родов, включающих большинство культивируемых и дикорастущих растений. Среди них такие экономически значимые культуры, как картофель, томат, перец, баклажан, виноград, кукуруза, морковь, сельдерей, петрушка, бобы, лаванда и другие.

Столбур поражает многие травянистые растения, большая часть которых – злостные сорняки, являющиеся резерваторами фитоплазмы. В первую очередь, это вьюнок полевой (Convolvulus arvensis) – фото 10, амброзия трёхраздельная (Ambrosia trifida), одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale), белена черная (Hyoscyamus niger) и дурман обыкновенный (Datura stramonium).

Также фитоплазма столбура обнаружена в растении-паразите повилике полевой (Cuscuta campestris), что приводит к инфицированию пораженных повиликой растений. Многие из этих видов являются многолетними (вьюнок, белена, одуванчик и другие), а значит, могут сохранять инфекцию в зимний период и способствовать распространению столбура. Симптомы столбура на сорняках указывают на наличие высокого инфекционного фона этой болезни.

Ранее полный цикл развития вьюнковой цикадки в природе проходил на дикорастущих и сорных многолетних растениях, включая вьюнок Convolvulus arvensis, повой заборный Calystegia sepium, крапиву двудомную Urtica dioica, витекс священный Vitex agnus-castus и скерду вонючую Crepis foetida. Растением-хозяином считается вид, на корнях которого происходит перезимовка личинок (нимф) цикадки.

Именно в этой стадии происходит заражение цикадок фитоплазмой от корней растения-хозяина. Вылетевшие имаго случайным образом заселяют другие виды растений и, делая пробные проколы, заносят фитоплазменную инфекцию. Не зараженные после перезимовки цикадки приобретают возможность переноса фитоплазм при питании на зараженных растениях, но не сразу, а после латентного периода (рис.11).

Это такой же персистентный механизм, как при передаче вируса скручивания листьев тлями. Фитоплазмы переносятся не механически, а со слюной инфицированных переносчиков в ткани флоэмы растений во время питания. Они распространяются по сосудистой системе из флоэмы. У переносчиков и фитоплазм есть репродуктивная и устойчивая связь. «Репродуктивная» означает, что патоген может размножаться в организме насекомого, а «устойчивая» означает, что насекомое остаётся заразным на протяжении всей жизни. В процессе накопления достаточного количества инфекции в организме цикадок, а это занимает до двух недель, распространение фитоплазм не производится, что несколько облегчает контроль этого заболевания.

^{На фото 12 - морфология трех близких друг к другу циссиид с гиалиновыми или прозрачными крыльями, передние крылья имеют форму крыши, а мезонотум имеет пять килей. (А) Pentastiridius leporinus, (Б) Reptalus quinquecostatus, (В) Hyalesthes obsoletus. Масштабная линейка соответствует 1 мм.}

Корневая цикадка (Pentastiridius leporinus), относящаяся, как и вьюнковая, к семейству Cixiidae (фото 12) является сокососущим вредителем, который переносит два патогена сахарной свеклы: γ-протеобактерию 'Candidatus Arsenophonus phytopathogenicus' (далее Arsenophonus, Ар) и фитоплазму столбура 'Candidatus Phytoplasma solani'. Инфекция

Arsenophonus вызывает синдром basses richesses (SBR), который характеризуется пожелтением старых листьев, ланцетовидными деформациями листьев и некрозом сосудов, снижая содержание сахара в свекле (фото 13).

В последние три года этот вид цикадок привел к распространению столбура картофеля и лука в Германии. При этом установлено, что одновременно со столбуром на картофель и лук с сахарной свеклы распространяется бактериальное увядание, вызванное Arsenophonus. В 2022 году нимфы P. leporinus были замечены колонизирующими картофельные поля на юго-западе Германии, а это свидетельствует о прохождении всего жизненного цикла насекомого на картофеле (фото 13, рис.14).

^{Фото 14. Pentastiridius leporinus на растениях картофеля, сентябрь 2022 года. (А) Подземная колонизация корней и клубней нимфами, характеризующаяся белыми, воскообразными нитевидными остатками. (Б) Нимфы на клубнях и корнях картофеля. (В) Колония нимф на разных стадиях развития и остатки линьки, скрытые под клубнями картофеля. (D) Взрослая особь P. leporinus найдена в почве. Красными стрелками обозначены нимфы (A–C) и взрослые особи (D), источник: презентация С.А. Банадысева.}

Кроме того, Arsenophonus был обнаружен в «резиновых» клубнях картофеля, при этом такие клубни не сморщиваются, не загнивают и могут быть отличимы от здоровых только путем физического определения их консистенции (фото 15). Последующие анализы передачи показали способность нимф и взрослых особей P. leporinus передавать Arsenophonus картофелю (рис.16,17). Хотя Arsenophonus заражает клубни картофеля, его распространение на следующий урожай через зараженные семенные клубни изначально не было подтверждено. В то же время данное утверждение нельзя считать окончательным.

^{Рисунок 14. Жизненный цикл P. leporinus с двумя разными растениями-хозяевами. (А) Взрослые особи P. leporinus откладывают яйца, которые дают начало нимфам, на растениях сахарной свеклы и картофеля в период с июня по сентябрь. При благоприятных условиях летом развивается второе поколение взрослых особей, изображенных красными стрелками. Синяя стрелка демонстрирует способность взрослых особей перемещаться между растениями-хозяевами. (B) Распределение нимф и температурно-зависимое перемещение в период с октября по март. После уборки урожая последующим хозяином обычно является озимая пшеница. (C) Распределение нимф зависит от температуры в период с апреля по июнь. Символы термометра указывают на минимальную и максимальную температуру. Источник: презентация С.А. Банадысева}

^{Рисунок 15. Распространенность Candidatus Arsenophonus phytopathogenicus (Arsenophonus) и Candidatus Phytoplasma solani (stolbur) у взрослых особей Pentastiridius leporinus (n = 36) и нимф (n = 36) на картофеле, а также у взрослых особей (n = 9) и нимф (n = 10) на растениях сахарной свеклы, по данным qRT-PCR, источник: презентация С.А. Банадысева}

^{Рисунок 16. Распространенность Candidatus Arsenophonus phytopathogenicus (Arsenophonus) и Candidatus Phytoplasma solani (stolbur) в симптоматических клубнях картофеля (n = 45) и корнях сахарной свеклы (n = 30) в сентябре 2022 года, источник: презентация С.А. Банадысева}

Более поздние публикации по этой теме не так оптимистичны. К примеру, в Швейцарии климатические условия 2023 года были крайне неблагоприятными для урожая картофеля, сообщалось о засухе и высоких температурах на многих полях, что оказало крайне пагубное воздействие на урожайность и качество. Симптомы, о которых сообщалось в ходе полевых инспекций, часто были неспецифичными и заключались в высыхании листьев и стеблей и воздушных клубнях, что может быть вызвано водным стрессом, вертициллезным увяданием и фитоплазмами. В исследовании симптоматических тканей растений половина образцов была отрицательной как на Ap, так и на Sp.

^{Рисунок 17. А) Клубни с нормальными ростками (черные стрелки), деформированными нитевидными ростками (красные стрелки) или комбинацией обоих типов. B) Слева: схематическое изображение отбора проб на различных частях клубней картофеля. Справа: Бактериальные титры в различных частях клубней для трех разновидностей. Темно-зеленый цвет указывает на отсутствие сигнала qPCR. Клубни группируются по статусу: здоровые (H) или симптоматические (S) с нитевидными ростками. SE: столонный конец; MT: средняя часть клубня; SB: апикальная зона; SP - росток. C) Растения из симптоматических (слева) и бессимптомных (справа) ростков, через три недели после посадки. В обоих случаях клубни получили положительный результат на столонном конце. D) масса клубней (в граммах), полученная из здоровых или инфицированных клубней трех сортов- А: Агрия; B: Bintje и V: Venezia. Источник: презентация С.А. Банадысева}

«Резиновые» клубни, которые обычно указывают на преобладание Sp, наблюдалось в необычном количестве послеуборочных партий в нескольких регионах Швейцарии. Ap был обнаружен в 75% этих мягких клубней, в то время как Sp не был обнаружен. У некоторых инфицированных клубней всех трех сортов развились веретенообразные ростки, что также часто наблюдается при фитоплазменных заболеваниях. По 10 клубней, которые дали положительный результат на Ap и показали симптоматическое и бессимптомное прорастание, были оценены в следующем поколении.

Некоторые стебли развивались нормально, в то время как другие сильно отставали в росте (рис. 17С). Несмотря на этот фенотип, в надземной части новых растений бактерий обнаружено не было, как у нормально растущих растений, полученных из нормальных ростков инфицированных клубней, так и у растений с уменьшенным ростом, полученных от симптоматических ростков инфицированных клубней. Зараженные растения производили значительно меньшие клубни у всех трех сортов (рис. 17D).

Новая разновидность бактериального увядания, распространяемая корневыми цикадками, вызывает потемнение мякоти клубней при жарке. Это показано на зараженных Ap клубнях каждого из трех сортов (рис.18А). Сорта Бинтье и Агрия имеют пониженное содержание сахара, Venezia отличается высоким содержанием, что делает этот сорт непригодным для промышленной жарки. 75% чипсов сорта Venezia потемнели во время жарки (рис. 18 В), в то время как Bintje сохранял хороший внешний вид после жарки. Сорт Agria продемонстрировал потерю качества чипсов в присутствии бактерий, 70% чипсов потемнели. Изменение цвета всегда сначала появлялось на столонном конце и следовало вдоль сосудистого кольца клубней

^{Рисунок 18. Чипсы, полученные из клубней трех сортов. А) Шкала Браунинга, используемая для подсчета потемнения. В) Доля побурения чипсов инфицированных Ар клубней трех сортов. Источник: презентация С.А. Банадысева}

^{Литература.}

1. ^{Костальева К.Б., Богоутдинов Д.З., Боттнер-Паркер К.Д., Гирсова Н.В., Ли И.-М. О разнообразии фитоплазмозов сельскохозяйственных растений в России: патогены и их переносчики. Сельскохозяйственная биология.2016 т.51. №3 с.367-375.}
2. ^{Богоутдинов Д. З., Гирсова Н. В., Кастальева Т. Б. Анализ видового состава растений, поражаемых фитоплазмой столбура в России. Таврический вестник аграрной науки № 3(23),2020.}
3. ^{МСФМ 27 Диагностические протоколы для регулируемых вредных организмов ДП 12: Фитоплазмы. 2018. 10 с.}
4. ^{Behrmann, S.C.; Rinklef, A.; Lang, C.; Vilcinskas, A.; Lee, K.-Z. Potato (Solanum tuberosum) as a New Host for Pentastiridius leporinus (Hemiptera: Cixiidae) and Candidatus Arsenophonus Phytopathogenicus. Insects 2023, 14, 281.}
5. ^{Jovic´, J.; Marinkovic´, S.; Jakovljevic´, M.; Krstic´, O.; Cvrkovic´, T.; Mitrovic´, M.; Toševski, I. Symptomatology, Cooccurrence and Differential Diagnostic PCR Identification of ‘Ca. Phytoplasma solani’ and ‘Ca. Phytoplasma convolvuli’ in Field Bindweed. Pathogens 2021, 10, 160.}
6. ^{Kumari S, Nagendran K, Rai AB, Singh B, Rao GP and Bertaccini A. Global Status of Phytoplasma Diseases in Vegetable Crops. Front. Microbiol. 2019. 10:1349.}
7. ^{Mathieu Mahillon Floriane Bussereau Nathalie Dubuis First Detection of Arsenophonus in Potato Crop in Switzerland: A Threat for the Processing Industry? Potato Research https://doi.org/10.1007/s11540-024-09840-y.}
8. ^{Monika Riedle‑Bauer Günter Brader. Effects of insecticides and repellents on the spread of ‘Candidatus Phytoplasma solani’ under laboratory and field conditions Journal of Plant Diseases and Protection .2023 130:1057–1074.}
9. ^{Rinklef, A.; Behrmann, S.C.; Löffler, D.; Erner, J. et al. Prevalence in Potato of ‘Candidatus Arsenophonus Phytopathogenicus’ and ‘Candidatus Phytoplasma Solani’ and Their Transmission via Adult Pentastiridius leporinus. Insects 2024, 15, 275.}
10. ^{Therhaag, E.; Schneider, B.; Zikeli, K.; Maixner, M. Pentastiridius leporinus as a Vector of Phloem-Restricted Pathogens on Potatoes: ‘Candidatus Arsenophonus Phytopathogenicus’ and ‘Candidatus Phytoplasma Solani’. Insect.,2024, 15, 189.}
11. ^{Wei, W.; Shao, J.; Zhao, Y.; Inaba, J.; Ivanauskas, A.; Bottner- Parker, K.D.; Costanzo, S.; Kim, B.M.; Flowers, K.; Escobar, J. iPhyDSDB: Phytoplasma Disease and Symptom Database. Biology.  2024, 13, 657.}