Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор литературы 9
1.1 Экологические особенности и состав агроценозов смородины
1.2 Паразитическая активность Septoria ribis 15
1.3 Влияние природных и антропогенных факторов на сезонную и многолетнюю динамику Septoria ribis 19
2 Условия, объекты и методы исследований 26
2.1 Условия проведения исследований 26
2.2.1 Сорта смородины черной 32
2.2.2 Патогенные микромицеты 33
2.2.3 Штаммы антагонистических бактерий
2.3.1 Лабораторные эксперименты 36
2.3.2 Полевые эксперименты (2006-201 3гг.) 38
3 Многолетняя и сезонная динамика Septoria ribis на сортах смородины черной и экологические факторы, их определяющие 43
3.1 Экологическая ниша Septoria ribis 43
3.2 Многолетняя динамика паразитической активности Septoria ribis в северной лесостепи Приобья 47
3.3 Сезонная динамика паразитической активности Septoria ribis
3.4 Трофическая активность, размножение и выживание Septoria ribis на сортах смородины черной 59
4 Межпопуляционные отношения в агроценозах смородины черной 70
4.1 Состав агроценоза смородины черной 70
4.2 Межпопуляционные отношения эпифитной микрофлоры и сортов
4.3 Межпопуляционные отношения Septoria ribis, Gloeosporium ribis, фитофагов и сортов смородины черной 75
4.4 Влияние антагонистических микроорганизмов на развитие Septoria
Выводы
- Влияние природных и антропогенных факторов на сезонную и многолетнюю динамику Septoria ribis
- Сорта смородины черной
- Многолетняя динамика паразитической активности Septoria ribis в северной лесостепи Приобья
- Межпопуляционные отношения Septoria ribis, Gloeosporium ribis, фитофагов и сортов смородины черной
Влияние природных и антропогенных факторов на сезонную и многолетнюю динамику Septoria ribis
Смородина черная относится к роду Ribes L., семейству Grossulariaceae. В условиях Сибири наиболее широко культивируются сорта черной смородины, происхождение которых связано с двумя видами: смородиной черной (Ribes nigrum L.) и смородиной дикушей (Ribes dikuscha Fisch.) [Сорокопудов, Мелькумова, 2003]. Вид R. nigrum представлен европейским (ssp. europaeum Pavl.) и сибирским (ssp. sibiricum Pavl.) подвидами [Северин, 1988, Поздняков, 1990].
Смородина черная является исконной и неприхотливой обитательницей лесов умеренных и северных широт Евразии. Смородина черная (R. nigrum L.) широко распространена в культуре. Встречается в европейской части, на Урале, в Сибири (до Байкала), в Средней Азии, Монголии, Западной Европе [Лисавенко, 1958; Куминов, 1983, 1990; Ивантеева, 1981; Ольхина, 1988; Северин, 1988; Оксенюк, 1990; Ильин, 1995; Сорокопудов, 2003; Сорокопудов, Мелькумова, 2003].
Смородина - многолетний кустарник. Высота куста в зависимости от условий местообитания, агротехники и сорта колеблется от 1 до 2 м [Черепахин, 1991; Palinski, 1979; Leech, 1980]. Продолжительность жизни и высокая продуктивность куста при систематической вырезке старых ветвей могут составлять не менее 20 лет, но на промышленной плантации они не превышают 6-7 лет [Кравцева, 1969; Северин, 1988].
Для сибирских сортов, происхождение которых связано со смородиной дикушей и сибирским подвидом смородины черной, характерны раннее начало вегетации при небольшой сумме положительных температур и сильный рост побегов в июне [Северин, 1988; Сорокопудов, Соловьева, 2008]. Смородина черная имеет ряд преимуществ по сравнению с другими культурами: она скороплодна, урожайна, быстро размножается, ягоды богаты витаминами и микроэлементами, кроме того, задерживает снег на полях и лучше противостоит неблагоприятным условиям среды в период покоя [Сорокопудов, Мелькумова, 2000]. В ее ягодах содержатся витамины (С, Р, А, Вь В2, В6, В9, К, Е, РР), антибиотики (кумарины, фурокумарины), микроэлементы (железо, медь, марганец, хром), органические кислоты (лимонная, яблочная, фолиевая), сахара, тиамин и каротин [Степанова, 1950; Франчук, 1961, 1981; Сапожникова, 1971; Бичкаускене, 1981; Куминов, 1983; Огольцова, 1988; Липкан, 1988; Сорокопудов, Мелькумова, 2003; Фитосанитарная оптимизация..., 2006; Kampuss, 2005]. Витамином С богаты не только ягоды, но и почки, листья, побеги, в которых содержатся также и эфирные масла. Смородина черная широко используется в народной медицине [Овчаров, 1962; Самсонова, 1979; Токин, 1980; Дудченко, 1988; Haffner, 2006].
Сортимент смородины черной постоянно пополняется благодаря успешной работе селекционеров. Вместо малоценных устаревших сортов для закладки насаждений используют более совершенные, высокоурожайные, крупноплодные сорта, устойчивые к вредителям и возбудителям болезней [Огольцова и др., 2000; Bate-Smith, 1976; Borck, 1980].
Селекцию смородины черной к септориозу следует вести путем гибридизации различных сортов и форм на полигенной основе, или сочетая оба типа устойчивости: полигенную и олигогенную. В качестве источников устойчивости рекомендуются следующие сорта сибирского подвида: Барнаулка, Бия, Лана, а также сорт Нина европейского подвида черной смородины и сорта Голубка и Стахановка Алтая, происходящие от R. dikuscha. Вид Североамериканского генцентра R. americanum, обладающий олигогенным контролем устойчивости в отношении испытанных рас, также рекомендуется для использования в селекции [Мелькумова, 1981; Сорокопудов, Мелькумова, 2003].
В онтогенезе смородины черной можно условно выделить два периода: вегетативного роста и цветения, формирования и созревания ягод [Якушева, 1982]. К этим периодам приурочены разные экологические группы вредных организмов [Фитосанитарная оптимизация ..., 2006]. Важный резерв повышения урожайности смородины - снижение размера экологических ниш вредных организмов - фитофагов и фитопатогенов, которые способны уничтожить до 25% всей производимой продукции.
Общее количество вредных организмов на смородине черной составляет более 30 видов, из них к наземно-воздушным относятся 86,4% видов.
Из многоядных фитофагов наиболее опасны гусеницы листоверток (розанная, смородинная и др.), а также кокциды (ивовая щитовка, акациевая ложнощитовка). Из специализированных фитофагов наибольшее значение имеют некоторые виды тлей (крыжовниковая побеговая тля, листовая галловая тля), листовая и побеговая галлица, смородинная почковая моль, крыжовниковая огневка, крыжовниковая пяденица, смородинная стеклянница, различные виды крыжовниковых пилильщиков [Корчагин, 1970; Колесник, 1972].
Вредящие фазы насекомых совпадают с такими фазами вегетации культуры, как цветение, рост побегов, фаза развития и созревания ягод. Основной характер причиняемого вреда - это уменьшение прироста, опадение ягод, листьев, отмирание побегов и снижение урожая. При благоприятных для развития вредных насекомых условиях потери урожая достигают угрожающих пределов - от 10,5 до 50% [Харченко, Рябчинская, 2001].
В условиях Западной Сибири наибольшую экологическую нишу занимают клещ смородинный почковый (Cecidophyes ribis Westw.) и листовая галловая тля (Cryptomyzus ribis L.).
Клещ смородинный почковый заселяет почки, является переносчиком вирусных заболеваний смородины, в частности реверсии [Шаманская, 2006]. Клещ может заселять до 70% вегетативных и смешанных почек, что оказывает отрицательное влияние на рост и развитие растения. Заселяя почки, клещ вызывает их вздутие, особенно характерное на черной смородине весной в период распускания листьев [Корчагин, 1970; Рекомендации ..., 1978; Скорикова и др., 1981].
Сорта смородины черной
Для выделения гриба S. ribis использовали агаризированный отвар из слив [Сорокопудов, Мелькумова, 2003]. Материал (листья) помещали во влажную камеру, образцы просматривали под бинокулярной лупой. Выделение грибов производили через сутки и более [Методы …, 1982]. Небольшой участок исследуемой колонии переносили в стерильные чашки Петри со средой Чапека методом «сухой иглы» [Наумов, 1937]. Затем чашки инкубировали в термостате в течение 14-20 дней (до появления спороношения) при температуре 22…24С. На среде Чапека гриб S. ribis образовывал мицелий, погруженный в субстрат, вначале телесного или бледно-розового цвета, затем, по мере образования пикнид, колонии темнели, становились темноокрашенными, бугорчатыми.
Для поддержания культуры можно пользоваться средой Чапека с добавлением отвара из листьев (25 г на 1000мл воды) или ягод (100г на 1000мл воды) смородины, на которой хорошо проявлялась окраска колоний и споровых масс [Мелькумова, 1981]. Пересевы культуры необходимо делать своевременно, в среднем через 3-4 недели, не допуская израстание колоний стерильным белым мицелием [Кирай, 1974; Хохряков, 1974].
Лабораторный скрининг проводили с использованием метода агаровых блоков и метода перпендикулярных штрихов. При использовании метода агаровых блоков (рисунок 7) продуценты антибиотического вещества высевали сплошным газоном на агар. Затем стерильным пробочным сверлом вырезали агаровые блоки с газоном продуцента и переносили их на поверхность агаризованной среды, только что засеянной тест-организмом [Руководство..., 1995]. Чашки помещали в термостат на сутки и более в зависимости от скорости роста тест-организма. Рисунок 7 - Определение антибиотической активности методом агаровых блоков: а - схема посева (1-4 - блоки с продуцентами); б - супрессия роста гриба S. ribis смесью штаммов Ps. fluorescens
При использовании метода перпендикулярных штрихов на питательный агар в чашки Петри высевали штрихом продуцент антибиотического вещества (рисунок 8). Время инкубации продуцента зависело от скорости его роста и составляло в среднем 3-4 суток. После того, как продуцент вырастал и образовывал антибиотическое вещество, диффундирующее в толщу агара, перпендикулярно к его штриху подсевали штрихами тест-организмы (фитопатогены). Чашки выдерживали в термостате в течение 2-3 суток, затем проводили оценку антагонистической активности [Руководство..., 1995].
В эксперименте использовали листья восприимчивого (Памяти Потапенко), устойчивого (Плотнокистная) сортов и листья дикорастущей смородины. Брали по 5 листьев каждого варианта и делали смыв стерильной дистиллированной водой (100мл). Затем делали ряд последовательных разведений, рассев на питательные среды (КАА, МПА, ЧА). Чашки Петри инкубировали в термостате в течение 5-7 дней при температуре 22...24С, затем проводили подсчет колоний. Повторность каждого варианта 3-кратная.
Дату начала споруляции S. ribis определяли при помощи спороловушек. Учет аскоспор в воздухе проводили при наступлении благоприятных условий для развития S. ribis. С 8-10 мая под кустами разных по устойчивости сортов на расстоянии 10-15 см над землей устанавливали ловушки с предметными стеклами. Каждый день до установления начала споруляции проводили замену стекол и просматривали под бинокуляром. 2.3.2.2 Методика изучения сезонной динамики S. ribis
Для изучения сезонной динамики реализации экологической ниши S. ribis просматривали каждые 5-7 дней по 10 кустов каждого сорта, по 100 листьев с разных сторон куста [Доспехов, 1985; Программа и методика..., 1995]. Визуальную оценку площади инфицированной листовой поверхности проводили по каждому кусту, используя шкалу - трафарет, разработанную В.Н. Сорокопудовым и Е.А. Мелькумовой [2003] (рисунок 9).
Многолетняя динамика паразитической активности Septoria ribis в северной лесостепи Приобья
Дисперсионный анализ показал, что число некротических пятен определяется, прежде всего, генотипом растения-хозяина. Доля влияния сортов на обсуждаемый показатель составила 79,33%, а погодных условий года - 9,72%.
Механизм образования некротических пятен описан Н.И. Васильевским [1924]. Росток конидии внедряется в неповрежденную эпидермальную ткань листа благодаря выделению грибом токсина, способного разрушить кутикулу. На листьях восприимчивых сортов происходит образование типичного пятна, характерного для септориоза. На устойчивых сортах развитие гриба останавливается, в результате чего появляется реакция «булавочный укол» в виде мелкого антоцианового некроза. Д.Д. Вердеревским [1959] описано, что токсины фитопатогенов вызывают образование антоциановой каймы и ее появление ограничивает дальнейший рост некротических пятен.
Диаметр некротических пятен на листьях растения-хозяина отражает активность биохимического взаимодействия хозяина и паразита в процессе реализации последним трофической ниши. Высокоустойчивые сорта достоверно ограничивали диаметр пятен на 29,4% по сравнению с группами слабоустойчивых и восприимчивых сортов. Ограничение трофической активности некротрофов связано с механизмами активного иммунитета [Васильевский, 1924; Вердеревский, 1959], в частности, с активностью окислительно-восстановительных ферментов. Е.А. Мелькумовой доказано, что активность и восстановительная способность пероксидазы в листьях зависит от степени устойчивости сортов [Мелькумова, 1988; Сорокопудов, Мелькумова, 2003].
В целом трофическая активность микромицета зависела, прежде всего, от физиологического состояния растений смородины черной, обусловленного как генотипом растений (сортовые характеристики), так и их возрастом. Дисперсионный анализ показал, что погодные условия вегетации практически не сказывались на диаметре некротических пятен, так как микромицет после проникновения в трофическую нишу находился под защитой тканей листа. Доля влияния сортов на обсуждаемый показатель составила 81,73%, а условий погоды -6,24%. При изучении взаимодействия разновозрастных растений одного сорта смородины черной с S. ribis можно заметить, что на молодых посадках микромицет имел экологическую нишу значительно меньшего (в 2,2 раза) размера, чем на возрастных (рисунок 16). Скорость расширения экологической ниши в среднем за весь период учетов на возрастных посадках составила 0,43% в сутки, на молодых посадках - 0,2% в сутки или в два раза ниже. Молодые посадки ограничивали трофическую активность микромицета. Число некротических пятен на 1 см листа на молодых и возрастных посадках составило в среднем 2,9 и 3,7 соответственно. Диаметр пятен на возрастных посадках был на 10% больше по сравнению с молодыми посадками (1,7 и 1,5 мм соответственно). 10 6 2
Сезонная динамика реализации экологической ниши S. ribis на восприимчивом сорте Ранняя Потапенко разных возрастов, 2011г.
Сравнение сезонной динамики реализации экологической ниши S. ribis на восприимчивом сорте Ранняя Потапенко разных возрастов (год посадки 2009г. и 2001г.), свидетельствует, что на возрастных посадках микромицет S. ribis имел более благоприятные условия для реализации тактики Т, что согласуется с данными литературы [Торопова, 2005].
Трофическая активность фитопатогенов служила подготовительным этапом для осуществления ими основной экологической тактики - размножения, от которой зависят существование и эволюционный успех биологических видов [Пианка, 1981]. На этом этапе взаимодействие растения-хозяина и паразита достигало максимального напряжения (таблица 7).
В системе паразит - хозяин септориоза смородины черной доминирующее положение занимает растение-хозяин, определяя осуществление тактик Р, В, Т микромицетом. Так, группы высоко- и среднеустойчивых сортов существенно ограничивали тактику размножения S. ribis. В группе высокоустойчивых сортов доля пятен с пикнидами в среднем составляла 68%, в группе восприимчивых -86%. Доля влияния сортов на обсуждаемый показатель составила 64,75%, а влияние погодных условий года было в 6 раз ниже - 10,32%.
Число пикнид на некротическое пятно в группе высокоустойчивых сортов было в 3 раза меньше по сравнению с группой восприимчивых сортов. Доля влияния сорта на число пикнид составила 62,18%, а погодных условий года -12,35%. Таким образом, доля пятен с пикнидами и число пикнид на пятно зависели преимущественно от генотипа растения-хозяина, а влияние погодных условий на показатели успешного размножения паразита менее значительное.
С целью изучения влияния физиологического состояния растения-хозяина на межпопуляционные отношения с паразитическим микромицетом был проведен учет параметров эпифитотического процесса на сортах разных групп устойчивости в начале и конце вегетации и разновозрастных растениях сорта Ранняя Потапенко. Данные представлены на рисунках 17 и 18, в таблице 8.
При сравнении интенсивности споруляции микромицета на листьях в начале и в конце вегетации на сортах разных групп устойчивости (рисунок 8, таблица 8) можно сделать вывод, что наиболее благоприятные условия для осуществления тактик Т и Р S. ribis наблюдались в конце вегетации на восприимчивых сортах, когда микромицет занимал экологическую нишу значительных размеров (до 53-75% во влажные годы). К концу вегетации среднее число некротических пятен на 1 см2 листа восприимчивого и устойчивого сортов увеличивалось на 33,3 и 42,8% соответственно.
Межпопуляционные отношения Septoria ribis, Gloeosporium ribis, фитофагов и сортов смородины черной
Антагонистические микроорганизмы, в частности ризосферные штаммы Pseudomonas fluorescens и Streptomyces spp., взаимодействуют с фитопатогенами по типу антагонизма. Конкурируя за питательный субстрат, штаммы антагонистов секретируют антибиотики и фитогормоны.
С целью уточнения межпопуляционных отношений сапротрофных антагонистических микроорганизмов с S.ribis, а также скрининга перспективных штаммов антагонистов в лабораторных условиях была определена биологическая активность штаммов 17-2, 7Г и 7Г2К Ps. fluorescens и штамма Streptomyces spp. (таблица 14). В качестве контрольной культуры был взят гриб Botrytis cinerea.
Штамм 7Г проявил наибольшую биологическую активность против S. ribis и В. cinerea по сравнению с другими штаммами Ps. fluorescens. Наименьшую биологическую активность против S. ribis проявлял штамм 17-2, радиус свободной зоны составил 8 мм. Штамм 7Г2К и смесь штаммов проявляли среднюю биологическую активность против S. ribis, радиус свободной зоны составлял 10 мм. Штамм 7Г2К проявлял наименьшую антагонистическую активность по отношению к В. cinerea, радиус свободной зоны составил 4 мм. Штамм 17-2 и смесь штаммов 17-2 + 7Г + 7Г2К проявили среднюю активность, радиус свободной зоны был 5 и 6 мм соответственно. Штаммы Ps. fluorescens проявляли биологическую активность против фитопатогенов посредством выделения антибиотиков, синтеза сидерофор и конкуренции за питательный субстрат, в частности за источники углеродного питания. Ps. fluorescens способны синтезировать желто-зеленые водорастворимые пигменты, называемые сидерофорами, которые выполняют функции связывания и транспортировки железа в клетках бактерий. Таким образом, связывание железа сидерофорами псевдомонад приводит к ограничению роста фитопатогенов.
Штамм Streptomyces spp. проявлял биологическую активность по отношению к S. ribis за счет выделения антибиотиков, радиус свободной зоны составлял 18 мм.
Супрессия роста фитопатогенного гриба S. ribis штаммом Streptomyces spp. и смесью штаммов Ps. fluorescens представлена на рисунке 23. Штаммы антагонистов не только ограничивали рост мицелия S. ribis, но и наблюдалось израстание колоний стерильным мицелием белого цвета.
Согласно литературным данным [Сорокопудов, Мелькумова, 2003] и нашим наблюдениям, израстание колонии S. ribis стерильным мицелием начинается после образования пикнид, в среднем через месяц после пересева. В результате отдельные очаги, а затем вся колония становятся белыми, при этом она теряет способность к спороношению (рисунок 24).
Штаммы Ps. fluorescens и Streptomyces spp. ограничивали рост мицелия S. ribis, образование пикнид, причем израстание колоний стерильным мицелием наблюдалось в среднем через 7-10 дней.
Таким образом, наиболее высокая антагонистическая активность в лабораторных условиях наблюдалась у штаммов 7Г Ps. fluorescens и коллекционного штамма Streptomyces spp., что позволило сделать вывод о перспективности использования данных штаммов в производстве биопрепаратов.
Система триотрофа (растение-хозяин - фитопатоген - антагонисты) в агроценозах включала сорта смородины черной разного уровня устойчивости (продуцент), S. ribis (консумент I порядка) и смесь штаммов Ps. fluorescens (редуценты-антагонисты). Учитывая сложную структуру экологической ниши S. ribis, наличие у него циклического полиморфизма, мы рассмотрели особенности функционирования системы триотрофа при взаимодействии антагонистов и паразита на разных фазах жизненного цикла последнего. Наши исследования показали большое значение в реализации экологической ниши микромицета начальной споруляции S. ribis на листовом опаде растения-хозяина (см. главу 3), поэтому было проведено опрыскивание опавших листьев смесью штаммов Ps. fluorescens в условиях 2008-2009 и 2013гг., благоприятных для развития фитопатогена.
В экспериментах использовали сорта из разных групп устойчивости к S. ribis: восприимчивые - Памяти Потапенко, Дегтяревская, Ранняя Потапенко; слабоустойчивые -Подарок Куминову, Глариоза, Калиновка; среднеустойчивые -Багира, Рахиль, Черный Жемчуг; высокоустойчивые - Плотнокистная, Няня, Августа.
При опрыскивании суспензией антагонистов опавших листьев наблюдалось ограничение выживания микромицета, повреждение пикнид и пикноспор, шло активное разложение растительных остатков. В результате снижалось число заражений листьев смородины черной S.ribis, уменьшалась скорость расширения экологической ниши микромицета (таблица 15).
При опрыскивании листового опада смородины черной число заражений или некротических пятен на листьях было в 2,4 раза ниже в среднем по группам сортов по сравнению с контролем. Особенно сильное подавление споруляции S.ribis и снижение числа заражений (в 3,4 раза) было отмечено в группе слабоустойчивых сортов. Однако дисперсионный анализ показал, что влияние антагонистов на число заражений оказалось в 1,8 раза ниже по сравнению с влиянием сорта.
Опрыскивание опавших листьев антагонистами привело к ограничению размера экологической ниши S.ribis в ходе вегетации в среднем по группам сортов в 2,3 раза и было особенно эффективным в группах слабоустойчивых (в 3 раза) и высокоустойчивых (в 4 раза) сортов.
Дисперсионный анализ показал, что размер экологической ниши S.ribis после опрыскивания листового опада суспензией Ps. fluorescens определялся преимущественно сортом, влияние этого фактора было в 1,9 раза выше по сравнению с влиянием антагонистов, хотя им удалось ограничить экологическую нишу паразита до уровня ниже эпидемического порога (20%) в группе слабоустойчивых сортов, что исключительно важно с практической точки зрения.
На восприимчивых сортах антагонистам не удалось нормализовать ситуацию, и размер экологической ниши S.ribis в конце вегетации был выше эпидемического порога, что отрицательно сказалось на продуктивности растений.
Для усиления воздействия Ps. fluorescens на ограничение паразитической активности S.ribis было проведено повторное опрыскивание суспензией антагонистов вегетирующих листьев при первых признаках паразитической активности микромицета. Выделяемые антагонистами биологически активные вещества обеспечивали снижение интенсивности размножения S. ribis на листьях разных по устойчивости сортов смородины черной (таблица 16).
На группах слабоустойчивых и восприимчивых сортов размер экологической ниши в контроле соответствовал уровню умеренной эпифитотии. В группе восприимчивых сортов двойное опрыскивание (опавших и вегетирующих листьев) ограничило размер экологической ниши S. ribis в 1,9 раза, однако не обеспечило радикального оздоровления растений. При опрыскивании суспензией Ps. fluorescens листового опада и вегетирующих листьев число пикнид на пятно и число пикноспор на пикниду уменьшалось в 2,0 и 1,7 раза соответственно в среднем по группам сортов по сравнению с контролем. Сильнее всего подавление интенсивности размножения S.ribis антагонистами было выявлено в группе слабовосприимчивых сортов, где указанные параметры были в 3,2 и 1,9 раза ниже контрольных соответственно.
