Ключевая особенность паразитизма заразихи подсолнечниковой

В последние годы в Украине наблюдается поражение заразихой гибридов подсолнечника, обладающего устойчивостью к расам Е, F и G. Это говорит о возникновении и интенсивном накоплении новых, более вирулентных рас паразита (рис. 1).

Orobache сumana относится к полиморфному виду, насчитываемому в настоящее время ряд рас, названных буквами латинского алфавита: А, B, С, D, E, F, G и H. Они отличаются между собой вирулентностью и агрессивностью к сортам и гибридам подсолнечника, распространенных в Украине.

В настоящее время проблема вредности заразихи имеет мировое значение. Исследования ареала распространения паразита, определение его расового состава и разработка мер по ограничению вредности заразихи — необходимые мероприятия для стабилизации и повышения урожайности подсолнечника. 

Относительно недавно запущен проект «Геном паразитических растений» (PPGP), в котором заложена основа для сравнения транскриптонов трех паразитических растений из рода Orobanchaceae (Triphysaria versicolor, Striga hermonthica и Orobanche aegyptiaca) с непаразитическими видами. Эти растения-паразиты эволюционно близки, но представляют различные ступени эволюции паразитизма, достигнутые ими в процессе приспособления к паразитическому образу жизни, и охватывают широкий диапазон паразитических особенностей от полупаразита к факультативному паразиту до облигатного паразита.

Однако механизм вредоносности у них в основном один и тот же. Угнетение питающего растения происходит главным образом за счет отнятия у него больших количеств воды, готовых органических веществ, в первую очередь углеводов, затем белков и др. Это не только приводит к ослаблению и увяданию растения, но очень сильно нарушает течение таких нормальных функций, как ассимиляция, дыхание и пр.

Основное внимание в проекте «Геном паразитических растений» уделяется сравнительному функциональному геномному анализу паразитических растений Triphysaria versicolor, Striga hermonthica и Orobanche aegyptiaca с целью обнаружения изменений в геноме, которые привели к установлению паразитарного образа жизни, а также выявлению генов, связанных с инициацией и развитием гаусторий как уникального органа, который формирует связь между хозяином и паразитом (рис. 2).

Гаустории — это ключевая особенность паразитизма растений, которая независимо развивается у покрытосеменных растений. Эти органы позволяют заразихе заражать подсолнечник с помощью последовательных функций, сначала как органа, связывающего хозяина, а затем как инвазивного органа в отношении сосудистой системы хозяина, где устанавливается непрерывность сосудов, позволяющая паразиту забирать воду и питательные вещества из растения.

Гаустории паразитных растений переносят воду, элементы питания (в том числе азот) и часто органические питательные вещества. Массовый отток воды и растворенных питательных веществ из сосудистой системы подсолнечника достигается заразихой путем поддержания более низкого водного потенциала по отношению к хозяину. В связи с этим паразиту присущ более высокий показатель транспирации, поддержанию которого способствует дополнительный механизм открытия устьиц. Так, показатели транспирации у патогена могут быть в десять раз выше, чем у растения-хозяина.

С другой стороны, растения заразихи имеют низкий водный потенциал даже тогда, когда подсолнечник подвергается водному стрессу. Содержание сахара, накопленного в гаусториях паразита, колеблется в 6-8 раз выше, чем у их растений-хозяев. Способность гаусторий эффективно передавать ресурсы подсолнечника приводит к значительной потере его урожайности.

Гаустории развиваются и увеличиваются вместе с утолщением стебля хозяина благодаря наличию интеркалярной меристемы, активность которой синхронизирована с активностью меристемы патогена. Таким образом, развитая сеть (эндофитная система) паразита является жизнеспособной довольно долго (на протяжении всего периода вегетации подсолнечника). Развитие эндофитной системы начинается после формирования сосущих гаусторий, первые побеги возникают в месте инфицирования.

Паразитизм является своеобразной формой взаимосвязи между двумя организмами. Эта связь может быть временной или постоянной, она изменчива и подвержена эволюционному развитию. Для нее характерно двустороннее воздействие между организмами, причем один из них (хозяин) служит другому (паразиту) единственным или частичным источником питания и непосредственной средой обитания (среда первого порядка). Связь паразита с внешней средой обитания хозяина (среда второго порядка) осуществляется при участии организма последнего. Жизнедеятельность паразита в большей или меньшей степени отклоняет нормальное течение жизненных процессов хозяина, но, как правило, не приводит к его гибели.

Специализация паразитов выработалась в процессе их эволюционного развития и тесно связана с эволюцией растений-хозяев. Для более старых в эволюционном отношении видов паразитов более характерна узкая специализация. Паразиты недавнего происхождения обычно имеют более широкий круг питающих растений.

Эволюция растений-паразитов шла от случайного паразитизма через факультативные его формы к облигатному паразитизму, что сопровождалось потерей способности к фотоавтотрофному или сапрофитному питанию и приобретением приспособлений к чужеядному питанию. 

Структуры, обеспечивающие автотрофное питание, постепенно утрачивались или преобразовались в органы чужеядного питания (например, верхушки корней цветковых растений — в гаустории). Под влиянием паразитизма у некоторых растений изменился и ход развития. Развитие высокоспециализированных цветковых растений паразитов характеризуется метаморфозом (превращением их организации в процессе онтогенеза).

Предполагают, что возникновение паразитизма у растений основано на двух основных механизмах. Первый механизм рассматривает поразительное морфологическое сходство между некоторыми паразитическими растениями с гаусториями, корневыми клубеньками и корневыми галлами. При этом паразиты могли эволюционировать благодаря эндофитной ассоциации или горизонтальной передаче генов от бактерий или других микроорганизмов, которые могут придавать паразитарную способность. Второй механизм, названный эндогенным путем, заключается в том, что паразитические функции могли развиться от генов растений, кодирующих непаразитарные функции. Эти механизмы необязательно являются взаимоисключающими, и оба они могли иметь важное значение для развития паразитизма.

Эволюция от автотрофного к гетеротрофному способу питания привела к сокращению основных вегетативных органов заразихи в сторону рудиментарных вариантов, нефункциональных для автотрофов. При этом корневая система у зрелых растений паразита видоизменилась в гаустории, а их листья уменьшились до небольших бесхлорофильных чешуек (рис. 3).

Эволюция паразитизма подтверждает сложный вопрос о переходе цветковых растений от автотрофного к гетеротрофному питанию и возникновению паразитизма у них. По этому вопросу известно несколько гипотез, из которых наибольший интерес представляет гипотеза С.П. Костычева, установленная им путем изучения питания и водного режима зеленых полупаразитов (погремка и близких видов Rhinanthaceae). По этой гипотезе особенности водного режима способствовали переходу цветковых растений к паразитическому образу жизни. Основным толчком к переходу служил недостаток воды у предков тех растений, из которых выработались впоследствии корневые паразиты. У этих растений затем стала проявляться способность корней образовывать гаустории и пользоваться водой растения-хозяина и только после этого выработалась и закрепилась способность пользоваться готовыми органическими веществами. В дальнейшем растения-паразиты утратили способность вырабатывать хлорофилл.

Паразитизм у растений очень распространен в природе. В настоящее время известно около 4100 видов растений-паразитов, относящихся к 19 семействам. Однако степень паразитизма у них сильно изменяется, что связано с наличием или отсутствием у них хлорофилла и способа питания паразитических цветковых растений.

Растения-паразиты есть как среди низших, так и среди высших растений, в том числе цветковых. Грибы, водоросли и бактерии паразитируют на растениях, животных, человеке, часто являясь возбудителями инфекционных болезней. Цветковые растения-паразиты паразитируют главным образом на высших растениях, в том числе на культурных (подсолнечнике, томатах, сорго, табаке и др.), снижая их урожай. 

Совсем недавно благодаря данным, полученным в проекте «Геном паразитических растений» (Parasitic Plant Genome Project), у паразитов нашли гены, полученные от растений-хозяев, ставшими затем функциональными у паразитических растений семейства Заразиховые. У видов Triphysaria versicolor, Striga hermonthica и Orobanche aegyptiaca было обнаружено 52 случая горизонтального переноса генов (ГПГ) от растения-хозяина к растению-паразиту, большая часть которых экспрессируется в гаусториях — органе паразита, проникающего в ткани хозяина. Таким образом, ГПГ может повышать способность паразитического растения преодолевать защиту хозяина.

Хотя ГПГ широко распространен у бактерий, а эволюция более сложных организмов движется посредством полового обмена ДНК, тесные связи патогена с растением-хозяином увеличивают шансы переноса генов в геном первого. Гаустории паразита проникают в хозяина, а затем начинают извлекать из его организма воду, сахара, минеральные питательные вещества с которыми возможно попадание даже нуклеиновые кислоты, в том числе ДНК и РНК.

Мероприятия по защите подсолнечника от Orobache сumana

Для защиты подсолнечника от заразихи существует большое количество приемов и мер борьбы. Важно при этом предотвратить попадание семян паразита в пахотный слой почвы. В то же время до сих пор нет ни одного 100% эффективного и приемлемого метода защиты от него. 

К основным методам борьбы с этим растением-паразитом относятся:

1. Генетическая защита — использование устойчивых гибридов.
2. Химический контроль (технология «Clearfield®»).
3. Биологический контроль (грибы Fusarium orobanches, мушка Phytomyza orobanchia).
4. Технология возделывания (возврат подсолнечника на прежнее место не ранее, чем через 3-4 года, а в лучшем случае через 5-8 лет. Контроль сорняков, поражаемых данным паразитом: дурнишник, полынь и др. Провокационные посевы культур, стимулирующих прорастание семян заразихи: соя, лен, сурепица, рапс и др.).

Гибриды подсолнечника, устойчивые к заразихе

Иммунитет или расоспецифическая устойчивость гибрида подсолнечника — надежная защита данной культуры от заразихи. Однако при формировании новых рас этого паразита гибрид подсолнечника оказывается незащищенным, если он не содержит генов, которые бы контролировали устойчивость к новой расе. В последнее время ученые всего мира уделяют большое внимание выявлению физиологических, биохимических и анатомических основ создания устойчивых до заразихи генотипов подсолнечника. Это основной путь защиты культуры от паразита.

Ошибки в выборе и посеве благоприятных гибридов подсолнечника — одна из основных причин распространения заразихи. Вред этого паразита очень высок. При средней степени заражения посевов заразихой урожай подсолнечника снижается на 25-50%. При заражении новыми вирулентными расами данного паразита потери урожая подсолнечника могут достигать 100%. 

В настоящее время в условиях Украины на подсолнечнике паразитируют Е, F и G расы заразихи, поэтому рекомендуется выращивать гибриды подсолнечника, устойчивые как минимум к шестой (F), седьмой (G) и выше рас паразита или гибриды системы Clearfield® и Clearfield®Plus. Гибриды, устойчивые к девятой (І) и выше расам заразихи, пока не созданы и не введены в выращивание. Для предотвращения развития новых рас заразихи выращивание устойчивых гибридов всегда должно сопровождаться другими способами защиты от паразита.

Химический контроль (технология «Clearfield®»)

Одним из эффективных методов защиты от заразихи на полях является химический метод. В то же время химическую защиту лучше рассматривать в сочетании с генетической устойчивостью в связи с тем, что паразит может развиваться до применения гербицида или в конце фазы вегетации подсолнечника, когда остаточная активность препарата слабеет. Кроме того, использование гербицидов на основе имидазолинонов может вызывать последействие на культуры севооборота.

До 2000 года гербицидов, уничтожающих заразиху в посевах подсолнечника, не было. В 1970-80-х годах единственным почвенным гербицидом, слабо действующим на паразита, были препараты с действующим веществом трифлуралин 480 г/д (Трефлан, Сингента). Они летучие, поэтому при их применении требовалась немедленная заделка препарата в почву на глубину 7,5-10 см. 

Ситуация изменилась с появлением гибридов подсолнечника, устойчивых к имидазолинонам, для выращивания по 2-м технологиям Clearfield® и Clearfield®Plus, которые одновременно контролируют однодольные и двудольные сорняки после всходов, а также заразиху. Технология Clearfield® базируется на использовании гербицида с двумя действующими веществами имазапир 15 г/л + имазамокс 33 г/л (Евро-Лайтнинг® 1-1,2 л/га), а технология Clearfield®Plus основана на применении уменьшенной дозы гербицида с двумя действующими веществами имазапир 7,5 г/л + имазамокс 16,5 г/л (Евро-Лайтнинг®Плюс 1,6-2,5 л/га) производства немецкой компании BASF и высокоурожайных гибридов подсолнечника, устойчивых к этим гербицидам.

Гербициды Евро-Лайтнинг® и Евро-Лайтнинг®Плюс из класса имидазолинонов способны проникать в растение как через листья, так и через почву. Благодаря такому механизму действия эти гербициды не только уничтожают сорняки, которые взошли, но и предотвращают появление второй и последующих их волн. В результате посевы подсолнечника к уборке остаются практически чистыми от сорняков.

По механизму действия на сорняки гербициды на основе имидазолинонов относятся к группе ALS-ингибиторов. Имазапир и имазамокс действуют как ингибиторы синтеза энзима (фермента) ацетолактатсинтазы (ALS) у растений. Фермент ацетолактатсинтаза (ALS) катализирует биосинтез аминокислот с разветвленной боковой цепью валина: лейцина и изолейцина. Имидазолиновые гербициды при воздействии на ALS растения ингибируют биосинтез этих аминокислот на начальных стадиях. Растения начинают испытывать недостаток данных аминокислот, что вызывает их гибель. 

Устойчивость гибридов подсолнечника к действию гербицидов из класса имидазолинонов достигается точковой мутацией, вследствие чего в белковой молекуле фермента ацетолактатсинтазы аминокислота аспарагин меняется на серин. В США в 1996 году к имазапиру была обнаружена природная устойчивость дикого подсолнечника. Это связано с имеющимся природным геном «AHAS». У подсолнечника идентифицировано три AHAS гена (AHAS1, AHAS2, AHAS3). У более 80 видов растений определены природные биотопы, устойчивые к AHAS-ингибирующим гербицидам. От дикорастущих популяций (АNN-PUR и АNN-KAAN) мутантные гены, контролирующие устойчивость к имидазолинонам, путем традиционной селекции были интрогрессированы в инбредные линии культурного подсолнечника с целью создания устойчивых гибридов. В 2003 году первые посевы подсолнечника по технологии Clearfield® появились в США и Турции.

Для контроля сорняков и заразихи имидазолиновые гербициды лучше вносить на подсолнечнику в фазу 2 пары листьев. Это обеспечивает уничтожение заразихи и защиту растений на протяжении 30 дней. Обычно заражение паразитом подсолнечника происходит от фазы 4 пар настоящих листьев до фазы 9 пар настоящих листьев. При этом заразиха в данный период развития хозяина может находиться на этапе от прорастания семян до формирования почки. Примерно в фазе 8 пар листьев уже видно влияние паразита на подсолнечник, которое проявляется как бы в увядании  растений от засухи. Побеги заразихи начинают появляться на поверхности уже через полмесяца-месяц.

При обработке гербицидом посевов подсолнечника в растения попадает некоторое количество имазапира и имазамокса. При этом паразитирующая на культуре заразиха получает порцию отравленного сока и впоследствии гибнет. 

Контролировать заразиху в посевах подсолнечника помогают и другие действующие вещества из класса имидазолинонов (например, имазетапир). В некоторых исследованиях был установлен слабый эффект применения гербицидов на основе трибенурон-метил на устойчивом к этому гербициду  подсолнечнике против заразихи на уровне угнетения и уничтожения до 40-45% паразита, который существенно уступал контролю с гербицидом из класса имидазолинов по технологии Clearfield®. 

Контроль распространения паразита технологическими моментами возделывания подсолнечника

К основным агротехнологическим и климатическим факторам, способствующим заражению подсолнечника заразихой можно отнести: 

• засушливые погодные условия;
• сокращение периода ротации подсолнечника в севообороте (менее 8 лет);
• перенасыщение севооборотов культурой подсолнечника;
• выращивание неустойчивых или слабоустойчивых гибридов.

В литературе часто описывают технологические приемы, которые ошибочно считают, что они эффективны при защите подсолнечника от паразита. Во-первых, неправильно полагают, что глубокая вспашка с предплужниками, при которой семена заразихи с верхнего пахотного слоя попадают на значительную глубину (20-40 см), приводит к их консервированию и резкому снижению степени прорастания. Однако этот технологический прием не помогает в борьбе с паразитом. Он, наоборот, создает благоприятные условия для длительного выживания семян заразихи в почве. Семена растения-паразита дольше живут внутри почвенных слоев, чем на поверхности почвы. В этой связи минимальна и нулевая обработка более эффективна, чем глубокая вспашка. Отсутствие или применение минимальной обработки почвы в слое 0-15 см снижает всхожесть семян паразита.

Во-вторых, неверно считают, что семена заразихи не могут прорастать с глубины почвы более 15 см. Тем не менее, они способны прорастать, заражать корни подсолнечника с глубины более 20 см почвы. Поражение корней хозяина паразитом начинается глубоко в почве и до выхода на поверхность он уже успевает нанести ущерб растению подсолнечника. Более того, заразиха способна цвести и образовывать плоды под землей.

В-третьих, ошибочно полагают, что семена заразихи переносятся на новое поле с помощью ветра. Однако они не мигрируют на большие расстояния с сильно зараженных полей. Наоборот, во избежания переноса ветром у семян растения-паразита эволюционно выработалось свойство сразу же прилипать к почвенным частицам через их электростатичность при соприкосновении с ними. Обычно семена заразихи осыпаются не более 1 метра вокруг от себя, поскольку имеют больше шансов для прикрепления к хозяину в последующие года при выращивании подсолнечника на этом поле. Это создает локальные очаги инфицирования, которые с каждым годом увеличиваются. В тоже время семена паразита могут переноситься с одного поля на другое с помощью техники. В связи с этим нужно проводить технологические чистки техники при её перемещении с зараженных участков на незараженные поля. Обычно при первом попадании семян заразихи на поле сразу же сильного поражения паразитом хозяина не будет. В первый год возможно лишь незначительное заражение подсолнечника, которое будет увеличиваться из года в год, если не принять соответствующих мер.

В-четвертых, севооборот с возвращением поражаемой культуры через 8-10 лет сам по себе не борется с заразихой. Ротация культур в севообороте уменьшает частоту появления подсолнечника на одном и том же поле. Это способствует снижению уровня распространения, поражения культуры паразитом и накопления семян в почве. Кроме того, возврат подсолнечника на прежнее место не ранее чем через 8-10 лет снижает на полях частоту появления новых рас, которые раньше до 80-х годов обнаруживались на них каждые 8-10 лет, а последние 20 лет выявлялись каждые 4-5 лет. В настоящее время хозяйства практически перешли на двупольные севообороты. Каждое второе, третье поле в севообороте сейчас занято этой важной культурой.

Для эффективной и всесторонней защиты подсолнечника от заразихи необходимо придерживаться правильного чередования культур в севообороте, при котором она попадает на прежнее поле выращивания не ранее, чем через 3-4 года, а в лучшем случае через 5-8 лет. В севооборот нужно включать культуры, не поражающиеся этим паразитом: кукуруза, свекла, соя и др. Данное мероприятие способствует ликвидации очагов заразихи и снижает количество ее семян в пахотном слое.

В-пятых, не совсем правильно считать, что заразиха способна преодолевать устойчивость гибрида всего за 1-2 поколения. Дело в том, что преодоление паразитом того или иного механизма устойчивости нового гибрида — это долгий процесс, который может длиться от нескольких до десятка лет и зависит от многих агротехнических и других факторов. В истории подсолнечника возделывания были длительные, на протяжении десятков лет — периоды, когда выращивание устойчивых гибридов с соблюдением других агротехнических мер приводило к практически полному исчезновению паразита с полей, так как он не мог преодолеть устойчивость хозяина. 

Как правило, расы заразихи исчезают с прекращением выращивания гибридов, от которых они питаются. С конца 70-х до середины 90-х паразит в посевах подсолнечника практически отсутствовал. Это было связано с соблюдением научно-обоснованных севооборотов и возделыванием устойчивых гибридов подсолнечника.

Таким образом, лучшим способом защиты подсолнечника от заразихи и предотвращения появления новых ее рас является комплексная система контроля, которая включает выращивание максимально устойчивых гибридов с применением других способов борьбы с паразитом.

Агротехнические мероприятия по защите подсолнечника от заразихи также предполагают систематическое уничтожение паразита до образования семян и соцветий для предотвращения новых заражений почвы. Остатки растения-паразита рекомендуется выносит с поля, сжигать или глубоко закапывать. Однако до механического удаления заразихи путем культивации, она уже успевает нанести ущерб подсолнечнику, поскольку заражение ею растения начинается скрыто, глубоко в почве. Кроме того, любое повреждение растения-паразита приводит к вырастанию из его остатков на корне новых побегов. Также в результате повреждения клубеньков при культивации междурядий в них закладываются множественные точки роста, из которых вырастают дополнительные стебли.

Орошение может приводить к снижению инфицирования поля, так как уменьшает концентрацию корневых выделений растения-хозяина, влияющая на всхожесть семян паразита. Некоторые результаты приносит и внесение повышенных доз фосфорно-калийных удобрений, которые увеличивают устойчивость подсолнечника к заражению заразихой.

Под ред. Татьяны Корнеевой, «ГлавАгроном»