Видовой состав и фитотоксичные свойства микромицетов рода Fusarium, распространенных в лесных питомниках средней и Южной Сибири Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 579.26

ВИДОВОЙ СОСТАВ И ФИТОТОКСИЧНЫЕ СВОЙСТВА МИКРОМИЦЕТОВ РОДА FUSARIUM., РАСПРОСТРАНЕННЫХ В ЛЕСНЫХ ПИТОМНИКАХ СРЕДНЕЙ И ЮЖНОЙ СИБИРИ

Ю.А. Литовка, А.Г. Савицкая, Т.В. Рязанова

ФГБОУ ВПО Сибирский государственный технологический университет 660049, Красноярск, пр. Мира, S2, e-mail: [email protected]

В работе представлены результаты комплексного исследования фитопатогенных грибов рода Fusarium, распространенных в почве и растительном материале в лесных питомниках Средней и Южной Сибири. Изучен видовой состав и фитотоксические свойства сибирских штаммов, показана внутривидовая гетерогенность по фитотоксическим свойствам.

Ключевые слова: фитопатогенные грибы, лесные питомники, хвойные породы, фитотоксичность, Fusarium

In work results of complex research of phytopathogenic fungi from Fusarium species, extended in soil and a vegetative material in forest nurseries of Central and Southern Siberia are presented. The specific structure and phytotoxic properties of the Siberian strains is studied, intraspecific heterogeneity on phytotoxic properties is shown.

Key words: phytopathogenic fungi, forest nurseries, coniferous breeds, phytotoxicity, Fusarium

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных причин заболеваний сеянцев хвойных в лесных питомниках является накопление фитопатогенной микофлоры в почве, семенах и растительных остатках. Ведущую роль в патогенезе сеянцев первого-второго годов вегетации играют грибы рода Fusarium, которые имеют обширный ареал, занимают различные экологические ниши и представляют собой обширную, биологически неоднородную и экологически пластичную группу мик-ромицетов. Основными факторами патогенности грибов этого рода являются токсины широкого спектра действия, ферменты, фитогормоны и некоторые не идентифицированные биологически активные вещества. Фитотоксины, подавляя жизнедеятельность растительных клеток в малых концентрациях, являются детерминантами многих заболеваний растений, в частности сосудистого микоза, и способствуют утомлению почвы вследствие накопления токсичных веществ. Исследование токсигенных свойств грибов рода Fusarium является актуальным в связи с большой значимостью этой группы грибов в любом биоценозе - лесных сообществах, агроэкосистемах, лесных питомниках, специализирующихся на выращивании здорового и полноценного посадочного материала, и урбанизированных ценозах, включая садово-парковую зону городов. В связи с вышесказанным, целью настоящей работы было изучение видового состава, представленности и фитотоксических свойств сибирских штаммов грибов рода Fusa-rium, распространенных в почве, ризосфере сеянцев и семенном материале Larix sisbirica Ь. и Picea obovata Ь на территории ряда лесных питомников Красноярского края и Республики Тыва.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектами исследования являлись сибирские штаммы грибов рода Fusarium, выделенные из поч-

вы, семян и больных сеянцев хвойных. Выделение грибов осуществляли методом влажных камер (Би-лай, 1982). Для определения их распространенности в почве и растительном материале применяли критерий частоты встречаемости (Методы.. .,1991).

Видовую идентификацию грибов рода Fusarium осуществляли по совокупности морфологических и культуральных признаков (Leslie, 2006; Nelson et al, 1983). Морфологические признаки мицелия и репродуктивных структур изучали при высеве на питательные среды: сусло-агар (СА), гвоздично-листовой агар (ГЛА), спорогенная среда, картофельно-декстрозный агар (КДА) (Nelson et al, 1983).

Получение метаболитов осуществляли на жидкой токсигенной среде, на которой полностью подавляется споруляция, и происходит интенсивный биосинтез токсинов (Монастырский,1996). Культивирование проводили в течение 49 суток при температуре 28±2 °С. Затем спорово-мицелиальную массу отфильтровывали через мембранные фильтры, полученный культуральный фильтрат использовали для проведения серии биопроб на семенах лиственницы сибирской первого класса, пшеницы районированного сорта «Тулунская-12» и двухдневных проростках кукурузы сорта «Лакомка» в динамике (Билай, 1982).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Изучение фитопатогенной микофлоры лесных питомников дает возможность выяснить роль отдельных видов в развитии инфекционных заболеваний сеянцев. Характерной особенностью лесопитомников является высокая концентрация сеянцев на единице площади (до 2 млн./га), что является одной из основных причин их низкой устойчивости к воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды и, как следствие, получение некачественного посевного материала и существенные экономические потери.

Результаты обследований почвы ризосферы, семян и сеянцев хвойных показали, что микроми-

цеты рода Fusarium распространены в большинстве изученных лесных питомников, при этом частота встречаемости грибов в отдельные годы в различных почвенно-климатических условиях и на сеянцах разного возраста существенно варьирует (табл. 1). Изучение микрофлоры корневой системы сеянцев Picea obovata Ь. позволило установить, что представители рода Fusarium в большей степени встречаются на сеянцах первого года вегетации с частотой 11-55 %; представленность грибов этого рода на сеянцах второго года ниже -0-21 %, на сеянцах третьего года вегетации штаммы рода Fusarium обнаружены не были. При исследовании микофлоры семян Larix sibirica Ь. было установлено, что типичными микроскопическими грибами, встречающимися на семенах из

всех исследуемых партий, являются представители родов Alternaria, Aspergillus, Fusarium, Mucor, Penicillium, Trichoderma. В течение первых 7-10 суток на семенах активно развивались грибы рода Alternaria и типичные почвенные сапротрофы; на 14-21 сутки они были вытеснены представителями рода Fusarium, при этом у всех зараженных проростков, а также соседних растений, были отмечены симптомы гниения стеблевой и корневой частей. Этот факт свидетельствует о том, что семена Larix sibirica L. заражены смешанной инфекцией, при этом грибы рода Fusarium локализованы внутри семени (внутренняя инфекция) и представляют существенную угрозу для нормального развития будущих сеянцев, особенно, в благоприятных для их развития условиях.

Таблица 1 - Встречаемость грибов рода Уиншшт на сеянцах Picea obovata Ь. и семенах Larix sibirica Ь._________________

тт *год посева, т. Частота Частота

Название _ Количество

№ **год сбора _ встречаемости, встречаемости в

питомника образцов „/ п/

_________________________________________семян________________г ____________________%__________________питомнике, %

* сеянцы Picea obovata Ь.

2004 38 15,8

1 Абанский 2005 24 4,2 10,0

2 Долго-Мостовский 2005 20 15,0 15,0

3 Казачинский 2004 2005 18,0 37,0 11,1 0 5,5

4 Курагинский 2004 2003 4.0 9.0 0 55,0 0

5 Тинский 2004 2005 19.0 13.0 21,0 0 25,0

6 ОУП СибГТУ 2005 15,0 **семена Larix sibirica L. 11,0 11,0

7 Балгазынский 12,5 12,5

8 Каа-Хемский 2006 200 6,0 6,0

9 Шагонарский 11,0 11,0

В ходе проведения фитосанитарной экспертизы почвенных образцов лесных питомников на территории Республики Тыва было установлено, что все исследуемые почвенные образцы содержат пропагу-лы сапротрофных микромицетов, из которых наиболее часто выделяются представители родов Aspergillus, Mucor, Rhizopus, Trichoderma. Из потенциально фитопатогенных микромицетов в почвах лесопитомников присутствуют представители родов Fusarium и Alternaria. Высокий инфекционный фон возбуди-

телей фузариоза характерен для почвенных образцов из Шагонарского лесхоза - количество представителей рода Fusarium составляет 32-43 % от общего количество микроскопических грибов. В почвенных образцах из Каа-Хемского лесхоза обнаружен меньший инфекционный фон грибов рода Fusarium - в среднем 15 %; наиболее благоприятная фитосанитарная обстановка характерна для почв Балгазынско-го лесхоза, поскольку возбудителей фузариоза обнаружено не было (табл. 2).

Таблица 2 - Встречаемость грибов рода Уи.мтшп в почвенных образцах в лесных питомниках Республики Тыва

Количество грибов, кое-г'1 Количество

№ п/п Название лесхоза № пробы, диагонали грибов рода Fusarium, кое-г-1 Доля грибов рода Fusarium, %

1 Шагонарский Д.№1 Д.№2 2,07-103 2,13103 0,67-103 0,91•103 32 43

2 Каа-Хемский Д.№1 Д.№2 00 1> СО ,2 ,7 3, 2, 0,38103 0,49103 12 18

3 Балгазынский Пр.№1 Пр.№2 1,18103 1,16103 0 0 0 0

Всего из патологического материала и почвы ризосферы сеянцев хвойных на селективных средах было выделено 52 чистых культуры грибов рода Fusa-гтт, перечень и частота встречаемости которых в исследуемом материале представлена в таблице 3. При изучении морфологических и культуральных особенностей штаммов было установлено, что они относятся к 12 видам из 8 секций. С наибольшей частотой обнаруживались представители вида

F.oxysporum (29 %), с наименьшей - F. acuminatum (2 %). В ходе выделения были обнаружены виды, имеющие строгую приуроченность к определенному местообитанию. Так, штаммы видов F.anthophitum, F.nivale, F.sporotrichioides были выделены только из семенного материала; представители F. acuminatum, F.merismoides и F.verticillioides - из патологического растительного материала; F. culmorum и F.equiseti - из почвы ризосферы (табл. 3).

Таблица 3 - Перечень видов грибов рода Fusarium, выделенных в лесных питомниках Средней и Южной Сибири

№ п/п Вид Количество изолятов Из почвы ризосферы сеянцев Из корней Из больных семян сеянцев %

Секция Eupionnotes

1 Fusarium dimerum Penzig 4 0 25 75

2 Fusarium merismoides Corda 2 Секция Arachnites 0 100 0

3 Fusarium nivale (Fr.) Ces. 3 Секция Discolor 0 0 100

4 Fusarium culmorum (Smith) Sacc. 3 секция Elegans 100 0 0

5 Fusarium oxysporum Schlecht. Emend. Snyd. 1 5 & Hans. 15 Секция Gibbosum 33 40 17

б Fusarium equiseti (Corda) Sacc. б 100 0 0

7 Fusarium acuminatum Ell. & Ev. 1 Секция Liseola 0 100 0

8 Fusarium verticillioides Nirenberg 4 0 100 0

9 Fusarium anthophitum Wollenw. 2 Секция Sporotrichiella 0 0 100

10 Fusarium sporotrichioides Sherb. 4 0 0 100

11 Fusarium chlamydosporum Wollenw. & Reink- 5 ing. 5 Секция Roseum 20 80 0

12 Fusarium avenaceum (Fr.) Sacc. 3 Всего изолятов 0 0 100 52

E 90

І SO

Й 70

ч 60

50

40

ЗО

20

10

0

І Э

Штаммы

Рисунок 1- Лабораторная всхожесть семян Larix sibirica

Ь. под влиянием культуральной жидкости штаммов рода Fusarium

Для дальнейшей работы были отобраны штаммы нескольких видов, выделенные из различных географических регионов и экологических ниш для исследований их фитотоксичности в отношении семян и проростков, а также их потенциальной опасности в условиях лесного питомника. Исследование фитотоксических свойств грибов рода ¥иватіит показало, что метаболиты всех изученных штаммов снижают энергию прорастания семян Ьатіх і'іЬігіса Ь. в 2,2-18,2 раза по сравнению с контролем. В ходе дальнейшего раз-

К ЧМ -|

CJ

І 25 -

к

ч. 20 -

15 -

10 -

5 -

0 -

ТЇІ

тд

Я я

El надземная □ подземная

Ші

Рисунок 2 - Влияние культуральных фильтратов штаммов рода Fusarium на морфометрические показатели проростков Larix sibirica Ь.

вития проростков оценивали лабораторную всхожесть, показатели которой также существенно варьировали (рис. 1). Установлено, что 12 % изученных штаммов проявляли слабую степень фитотоксичности (подавляли лабораторную всхожесть менее, чем на 25 % по сравнению с контролем), 18 % - проявляли высокую степень фитотоксичности (подавляли лабораторную всхожесть более чем на 70 %), 70 % штаммов характеризовались средней степенью фитотоксичности (подавляли лабораторную всхожесть на 25-

70 %). Оценка морфометрических показателей позволила установить, что 70 % штаммов угнетают прирост надземной и подземной частей проростков Larix &ч-ЬЬ. по сравнению с контрольным вариантом в 1,5-3 раза, что свидетельствует о пролонгированном действии метаболитов (рис. 2). Фитотоксическое действие метаболитов штаммов рода Fusarium в отношении семян и проростков пшеницы сорта «Тулунская-12» также было не однородным. Установлено, что 41 % изученных штаммов проявляли слабую степень фитотоксичности, 53 % - среднюю степень, 6 % штаммов оказались не токсичны. Подавляющее большинство исследованных культур стимулировали развитие надземной части проростков пшеницы либо не оказывали достоверного влияния на этот показатель по сравнению с контролем; 18 % штаммов ингибировали развитие подземной части в среднем в 1,5-3 раза. Полученные данные свидетельствую, что штаммы, выделенные из семян и сеянцев хвойных пород имеют определенную специализацию и в меньшей степени проявляют фитотоксические свойства в отношении злаковых культур. Фитопатогенные микро-

мицеты характеризуются специализацией - способностью паразитировать на определённом растении, органах и тканях. Специализация может быть широкой и узкой; видовой и сортовой; филогенетической (приуроченность к определённому виду растения) и онтогенетической (приуроченность к определённому возрастному этапу индивидуального развития растения). Внутри вида встречаются специализированные формы, внешне неотличимые, но паразитирующие на различных видах растений. Проведенные исследования позволили выявить внутривидовые отличия отдельных штаммов рода Fusarium по степени и спектру фитотоксичности. Установлено, что сибирские штаммы вида F.oxysporum проявляют фитотоксические свойства, как в отношении лиственницы, так и пшеницы, однако степень их влияния неодинакова (табл. 4). Практически все культуры оказывают более значительное фитотоксическое действие в отношении семян лиственницы сибирской, что, свидетельствует об определенной филогенетической специализации и наличии внутривидовой гетерогенности по изучаемому признаку.

Таблица 4 - Влияние культуральной жидкости штаммов Fusarium oxysporum на ростовые показатели семян

№

Штамм

Источник

выделения

штамма

Энергия прорастания, % от контроля

Лабораторная

всхожесть,

% от контроля

Степень

фитотоксичности

1 Б1смл Семена Larix sibirica.

Балгазынский лесхоз,

2 Б2смл Тыва

3 Т1 сс Сеянцы Pinus зуЪезЫз.

Тинский лесхоз,

4 Т4сс Красноярский край

Сеянцы Picea abies L,

5 К2се питомник СибГТУ,

Красноярск

42 15,6 Высокая

94,2 86,4 Слабая

28 28,6 Высокая

88,5 56,7 Средняя

18 48,1 Средняя

65,7 32,4 Средняя

6,95 33,77 Средняя

60 37,84 Средняя

4,17 19,48 Высокая

94,29 94,61 Слабая

Примечание: * - 0-30 % - высокая степень токсичности; 30-75 - средняя; 75 и более - слабая; свыше 100 - стимулирующее действие. Всхожесть семян в контроле в расчетах принята за 100 % ; ** - числитель - семена Larix sibirica; знаменатель - семена пшеницы «Тулунская - 12»

Штаммы вида F.chlamydosporum проявляют среднюю степень фитотоксичности как в отношении семян лиственницы, так и пшеницы (табл. 5), что свидетельствует о стабильности вида на доста-

точно протяженной территории и отсутствии существенных внутривидовых отличий по признаку фитотоксичности и приуроченности к растению-хозяину.

Таблица 5 - Влияние культуральной жидкости штаммов chlamydosporum на ростовые показатели семян

№

Штамм

Источник выделения штамма

Энергия прорастания, % от контроля

Лабораторная всхожесть, % от контроля

Степень

фитотоксичности

1 Ксс Сеянцы Pinus зуЪезЫз. Ка-зачинский лесхоз, Краснояр- 19.4 91.4 37,6 72,9 Средняя Средняя

ский край

2 Б3смл Семена Larix sibirica. Балга- 22,2 50,6 Средняя

зынский лесхоз, Тыва 51,5 40,5 Средняя

3 У7сс Сеянцы Pinus зуЪезЫз Ь., Уярский лесхоз, Красноярский край 27.7 62.8 57,1 56,7 Средняя Средняя

4 Т3ес Сеянцы Picea abies, Талов-ский лесхоз, Красноярский 25 91,43 51,95 75,68 Средняя Слабая

край

5 Т3сс Сеянцы Pinus зуЪезЫз, Тин-ский лесхоз, Красноярский край 19,44 94,29 45,45 81,08 Средняя Слабая

Проведенные исследования показали, что некоторые виды рода Fusarium, выделенные из почвы, сеянцев и семян хвойных в лесных питомниках Средней и Южной Сибири, состоят из нескольких форм, различающихся по степени фитотоксичности в отношении злаковых и хвойных растений, что, вероятно, связано с их пространственной и генетической изолированностью друг от друга. Однако это предположение требует дальнейших дополнительных исследований по наличию либо отсутствию у штаммов из различных географических регионов вегетативной совместимости, свидетельствующей о возможности обмена наследственной информацией у этой группы анаморфных грибов. Исследование фитотоксической активности метаболитов в отношении двухдневных проростков кукурузы позволило выявить внутривидовые отличия. Так, для штаммов F.sporotrichioides отмечена сходная динамика фитотоксической активности: в течение 49-ти суток культивирования на токсигенной среде уровень активности метаболитов в отношение проростков кукурузы оставался на достаточно высоком уровне в диапазоне 50-79 %. Для большинства штаммов F. оху^рогит максимальная активность зафиксирована на 14 сутки культивирования, при этом у штаммов Б1смл и Т1сс при увеличении срока культивирования активность снижалась; у остальных - оставалась на достигнутом уровне до окончания срока культивирования. У четырех из пяти изученных штаммов F. chlamydosporum отмечена общая тенденция нарастания уровня фитотоксической активности к 21-28 суткам культивирования. У штамма Б3смл максимальный уровень зафиксирован в начальный период культивирования (7-14 сутки), после чего происходило плавное снижение фитотоксической активности до 58 %.Таким образом, динамика накопления токсиген-ных веществ и длительность сохранения фитотоксической активности на максимальном уровне у грибов рода Fusarium существенно различаются. Наибольшую опасность для проростков и молодых растений представляют виды, состоящие из мозаики клонов, обладающих различной интенсивностью проявления фитотоксической активности и скоростью накопления фитотоксинов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Частота встречаемости грибов рода Fusarium в

отдельные годы в различных почвенноклиматических условиях и на сеянцах хвойных разного возраста варьирует от 4 до 55 %. Род Fusarium в исследуемых лесных питомниках представлен 12 видами: F. acuminatum (2 %), F. anthophillum (4 %), F. avenaceum (6 %), F.chlamydosporum (10 %), F. cul-morum (6 %), F.equiseti (12 %), F.merismoides (4 %), F.nivale (6 %), F.oxysporum (29 %), F. sporotrichioides (8 %) и F. verticillioides (8 %).

Метаболиты всех изученных штаммов рода Fusarium снижают энергию прорастания и лабораторную всхожесть семян Larix sibirica, при этом большинство штаммов угнетают развитие проростков в среднем в 1,5-3 раза, что свидетельствует о пролонгированном действии метаболитов. Подавляющее большинство изученных культур оказывают среднее токсическое действие на лабораторную всхожесть пшеницы и стимулируют развитие надземной части проростков.

Фитотоксическая активность в отношении проростков кукурузы варьирует в диапазоне от средней до высокой, однако скорость накопления токсиген-ных веществ и длительность сохранения фитотоксической активности на максимальном уровне различаются как между различными видами, так и в пределах отдельных видов, что свидетельствует о их внутривидовой гетерогенности.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Билай, В.И. Методы экспериментальной микологии / И.В. Билай - Киев: Наукова думка, 1982.- 239 с. Громовых, Т.И. Биологический контроль болезней сеянцев хвойных в лесных питомниках Средней Сибири / Т. И. Громовых, Ю.А. Литовка, О. Н. Андреева -Красноярск: СибГТУ, 2005.-264с.

Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. проф. Д.Г. Звягинцева. М.: Изд-во МГУ, 1991. - 303

с.

Монастырский, О. А. Токсины фитопатогенных грибов / О.А. Монастырский // Защита и карантин растений. -1996. - №3. - С. 12-14.

Leslie F. J. Fusarium laboratory manual / F. J. Leslie, B.A. Summerell . - Blackwell Publishing: Wiley, USA, 2006. - 400 p.

Nelson, P. E., Fusarium species: An illustrated manual for identification / P. E. Nelson, T. A. Toussoun, W.F. Marasas.- Pennsylvania State University Press, 1983. - 193 p.

Поступила в редакцию 16 июня 2011 г. Принята к печати 3 ноября 2011 г.

23б