Чрезвычайная ситуация с фузариозом зерна в Амурской области в 2019 году

Для микотоксикологов всего мира Дальний Восток печально известен из-за проблемы «пьяного хлеба», впервые официально отмеченной в 1882 г. Значительное развитие фузариоза и, как следствие, высокая зараженность зерна грибом Fusarium graminearum Schwabe (ранее F. roseum Link) приводили к массовым заболеваниям людей и животных [1, 2, 3]. Только в 1973 г. японские исследователи поняли, что причиной наблюдаемых симптомов при отравлении зараженным зерном являлся микотоксин дезоксиниваленол (ДОН) — вторичный метаболит, образуемый грибом F. graminearum. Высокая влажность и обильные осадки стимулируют развитие этого патогена и повышают загрязненность зерна ДОН.

Амурская область является основным производителем зерна (60-70%) на Дальнем Востоке. Однако территория региона часто подвергается воздействию опасных природных явлений, например, наводнений, которые наносят сельскому хозяйству значительный ущерб. Бедственная ситуация с посевами зерновых культур в Амурской области была зафиксирована и летом 2019 г. В Приамурье из-за паводка с 25 июля действовал режим чрезвычайной ситуации, было подтоплено примерно 250 тыс. га (более 20% всей посевной площади). Выращенный урожай удалось спасти лишь частично, однако качество полученного зерна вызывало сомнение.

Для получения объективной информации о зараженности грибами и загрязнении микотоксинами зерна, выращенного в условиях избыточного увлажнения в Амурской области в 2019 г., был проведен анализ 9 образцов пшеницы и 4 образцов ячменя, собранных в разных хозяйствах Ивановского и Белогорского районов. На питательной агаризованной среде анализировали зараженность грибами поверхностно простерилизованного зерна, а также его всхожесть [4]. Из размолотых образцов зерна проводили экстракцию ДНК и микотоксинов. Количество ДНК грибов в зерне анализировали с помощью метода количественной ПЦР (кПЦР) с видоспецифичными и группоспецифичными праймерами [5]. Содержание микотоксинов (31 метаболит), образуемых различными грибами, определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии в сочетании с масс-спектрометрией — ВЭЖХ-МС/МС [4].

Визуальный анализ образцов зерна выявил присутствие от 5 до 42% внешне инфицированных зерен — белесых и розово-окрашенных с крошащимся эндоспермом с видимым заметным поверхностным мицелием и спороношением грибов (рис. 1).

На некоторых зернах была обнаружена половая стадия гриба F. graminearum — скопления сине-черных перитециев Gibberella zeae (рис. 2).

Средняя всхожесть зерна пшеницы составила 25,1% (12-41%), а ячменя 55,3% (48-62%). Отмечалась почти 100% инфицированность грибами зерна во всех образцах (Рис. 3).

Высокая зараженность была обусловлена преимущественно грибами рода Fusarium (табл.). Среди фузариевых грибов доминировал вид F. graminearum, доля которого в среднем составила в зерне пшеницы 83,7%, в зерне ячменя — 89,7% (рис. 4, 5). Гриб F. sporotrichioides был выявлен в 61% образцов, но зараженность зерна была низкой — 1-4%. Среди выделенных из зерна изолятов в отдельных образцах с частотой 1-2% также были идентифицированы представители видов F. avenaceum, F. anguioides, F. tricinctum, F. poae, F. cerealis, F. equiseti, F. incarnatum, F. heterosporum и комплекса Gibberella fujikuroi.

Таблица. Показатели микробиологического качества зерна пшеницы и ячменя из Амурской области, 2019 г.

Содержание ДНК гриба F. graminearum, определенное с помощью кПЦР, в зерновой муке ожидаемо оказалось очень высоким — в среднем 4862×10-3 пг/нг. Количество ДНК гриба в зерне ячменя было меньше, чем в пшенице, однако процент зараженных зерен последней был ниже. Выявленные различия могут быть обусловлены обилием спор гриба на поверхности зерновок ячменя, которые попадают в образцы муки для выделения ДНК и микотоксинов, тогда как при микологическом анализе они смываются с поверхности зерновок на этапе стерилизации. Содержание ДНК гриба F. avenaceum в зерне анализированных образцов было в среднем в 160 раз меньше, чем ДНК F. graminearum.

Возможности молекулярного метода позволяют выявлять внутривидовое разнообразие гриба F. graminearum, в том числе устанавливать количественное присутствие двух разных генотипов гриба, которые дополнительно к ДОН продуцируют его ацетилированные производные: 3АцДОН или 15АцДОН, соответственно. Доля этих генотипов в популяции имеет региональные различия, мониторинг соотношения их встречаемости и свойства являются объектом изучения везде в мире, где встречается данный патоген [6]. Третий генотип гриба F. graminearum, продуцирующий ниваленол, до настоящего времени на территории России не выявлен, хотя он обнаружен в Европе и Китае. По нашим данным, содержание ДНК гриба F. graminearum 3АцДОН генотипа в зерне из Амурской области оказалось в среднем в 1,3-1,1 раз выше, чем содержание 15АцДОН генотипа.

Анализ вторичных метаболитов грибов выявил значительную контаминацию образцов зерна микотоксином ДОН. Его количество в образцах пшеницы достигало 13343 мкг/кг, а в зерне ячменя — 7755 мкг/кг. Во всех образцах содержание ДОН превышало предельно допустимое количество (ПДК) этого микотоксина в зерне на пищевые цели в 3-13, а на кормовые — в 2-7 раз. Исключение составил один образец ячменя, в котором обнаруженное количество ДОН было самым низким — 911 мкг/кг.

Выявленное в этом исследовании содержание ДОН 13343 мкг/кг, по-видимому, превышает максимальные количества этого микотоксина в зерне, ранее обнаруженные в России. Во время эпифитотии фузариоза в 1987 г. в Краснодарском крае содержание ДОН в естественно инфицированном зерне достигало 2900 мкг/кг [7]. Кроме того, по данным сотрудников института зерна и продуктов переработки, в зерне пшеницы при содержании фузариозных зерен 7,8% выявленное количество ДОН составило 6600 мкг/кг [8]. В то же время сотрудниками ВНИИ ветеринарной санитарии было установлено, что в период эпифитотии фузариоза 1985-1991 гг. в Краснодарском и Ставропольском краях уровни накопления ДОН в зерне и зерноотходах достигали 10000 мкг/кг [9].

В нашем исследовании, кроме ДОН, в зерне были обнаружены его редко анализируемые производные 3АцДОН и 15АцДОН, а также 3-глюкозид ДОН. Показано, что более 50% ДОН может присутствовать в растении в гликолизированной форме, однако в организме теплокровных от этого соединения отщепляется глюкоза и ДОН высвобождается [9]. Поскольку 3-глюкозид ДОН сложно выявляется в зерне рутинными методами, его называют «замаскированным» микотоксином.

Согласно нашим результатам, от суммы ДОН и всех его производных трихотеценовых микотоксинов доля самого ДОН в зерне пшеницы составила 86,5 (83,1-90,6) %, его ацетатов: 3АцДОН — 1,4 (0,4-2) %, 15АцДОН — 0,9 (0,4-1,3) % и 3-глюкозида — 11,3 (7,4-14,4) %. В зерне ячменя доля ДОН составила 74 (62-88,6) %, 3АцДОН — 1,3 (0-1,8) %, 15АцДОН — 1,4 (0,9-1,8) % и 3-глюкозида — 22,9 (9,5-34,9) %.

Кроме трихотеценовых микотоксинов, штаммы F. graminearum продуцируют зеараленон (ЗЕН), у которого невысокая острая токсичность, но выраженные эстрогенные свойства (ПДК 200–1000 мкг/кг). Содержание ЗЕН в пшенице (92–3670 мкг/кг) было в среднем в 2,1 раза выше, чем в зерне ячменя (111–928 мкг/кг).

В двух образцах пшеницы обнаружены низкие количества продуцируемых F. sporotrichioides Т-2 и НТ-2 токсинов, не превышающие 18 и 58 мкг/кг, соответственно.

Микотоксин монилиформин, образуемый грибом F. avenaceum, выявлен во всех образцах в количествах не более 218 мкг/кг, без различий по культурам. Некоторые выделенные из зерна фузариевые грибы способны продуцировать токсичный метаболит боверицин, который был обнаружен только в двух образцах пшеницы в количествах не более 13 мкг/кг. Информация о встречаемости и содержании этих двух "остроактуальных" микотоксинов ограничена, но в последнее время интерес к их выявлению в зерне растет.

Получение новых знаний о влиянии различных вторичных метаболитов грибов на организмы, их опасности в зависимости от дозы, способа приема и их сочетаний всегда актуально. Проводимые комплексные исследования показывают, что токсичность определенного метаболита и форма ее проявления в значительной степени зависят от влияющих на их продуцентов факторов, остающихся в настоящее время неизученными. Однако ученые мира едины во мнении, что все известные микотоксины приводят к снижению иммунитета даже при незначительных дозах потребления.

Эпифитотия фузариоза зерна в Амурской области в 2019 г. привела к сверхнормативному содержанию микотоксинов в собранном зерне. Амурским аграриям пришлось решать непростые задачи: что делать с зерном, которое нельзя использовать ни на семенные, ни на фуражные цели, как справиться с инфекционным началом гриба на растительных остатках, массово оставшихся на полях, где взять хорошие семена для посева. Оценить размеры прямого и косвенного ущерба от природных бедствий очень непросто, но следует отличать их влияние на экономические показатели от воздействия на здоровье и благополучие людей.

1. Воронин М.С. О «пьяном хлебе» в Южно-Уссурийском крае // Ботанические записки, 1890, т. З, вып. 1, с. 13-21.
2. Наумов H.A. «Пьяный хлеб». Наблюдения за несколькими видами рода Fusarium. Труды бюро по микологии и фитопатологии. СПб, 1916, 216 с.
3. Пальчевский H.A. Болезни культурных злаков Южно-Уссурийского края. СПб., 1891,43 с.
4. Gagkaeva T., Gavrilova O., Orina A. et al. Analysis of toxigenic Fusarium species associated with wheat grain from three regions of Russia: Volga, Ural, and West Siberia. Toxins, 2019, v. 11, p. 252. doi:10.3390/toxins11050252.
5. Yli-Mattila T., Paavanen-Huhtala S., Jestoi M. et al. Real-time PCR detection and quantification of Fusarium poae, F. graminearum, F. sporotrichioides and F. langsethiae in cereal grains in Finland and Russia. Archives of Phytopathology and Plant Protection, 2008, v. 41, 243-260. doi: 10.1080/03235400600680659.
6. Pasquali M., Beyer M., Logrieco A. et al. A European database of Fusarium graminearum and F. culmorum trichothecene genotypes. Frontiers in Microbiology, 2016, 11 p. doi:10.3389/fmicb.2016.00406.
7. Кириенкова А.Е. Фузариоз колоса на зерновых культурах в Краснодарском крае. Тезисы докл. науч.-коорд. совещ. «Фузариоз колоса зерновых злаковых культур». Краснодар, 1992, с. 27-28.
8. Львова Л.С., Кизленко О.И., Шульгина А.П., Омельченко М.Д., Быстрякова З.К. Распределение дезоксиниваленола в продуктах переработки мягкой и твёрдой пшеницы и ячменя, пораженных фузариозом. Прикладная биохимия и микробиология, 1998, т. 34б № 4, с. 444-449.
9. Кононенко Г.П. Система микотоксикологического контроля объектов ветеринарно-санитарного и экологического надзора: автореферат дис. доктора биологических наук. Москва, 2005. 49 с.
10. Tucker J.R., Badea A., Blagden R. et al. Deoxynivalenol-3-glucoside content is highly associated with deoxynivalenol levels in two-row barley genotypes of importance to Canadian barley breeding programs. Toxins, 2019, v. 11, 319. doi:10.3390/toxins11060319.

Подготовлено по материалам, опубликованным в журнале «Защита и карантин растений» (август, 2020 г.).