Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Грибы рода Fusarium как фактор фитосанитарного состояния зерновых культур 8
1.1. География грибов рода Fusarium 9
1.2. Распространение фузариозов в Сибирском регионе 16
1.2.1. Биологическая характеристика грибов p. Fusarium 19
1.2.2. Экологические свойства возбудителей фузариоза 23
1.2.3. Патологическое действие токсинов грибов p. Fusarium 32
1.2.4. Комплексные системы мероприятий по защите зерновых культур от фузариозов 36
1.3. Систематика и номенклатура грибов рода Fusarium 44
1.4. Информационное обеспечение системы защиты растений от фи-топатогенных микроорганизмов 54
1.5. Информационный пакет для пользователя базой микромицетов рода Fusarium Красноярского края 61
Глава II. Объекты и методы исследований 62
2.1. Характеристика районов исследования 62
2.2. Объекты исследования 80
2.2.1. Биологические особенности зерновых культур 80
2.2.2. Характеристика районированных сортов, изучаемых в ходе исследования 82
2.3. Методы исследования 88
Глава III. Результаты исследований 99
3.1. Численность ризосферных микроорганизмов зерновых культур в различных экосистемах Красноярского края 101
3.1.1. Количественный состав бактериальной микрофлоры ризосферы зерновых культур 102
3.1.2. Численный состав микроскопических грибов ПО
3.1.3. Качественный состав микромицетов зерновых культур 116
3.2. Качественный состав грибной микофлоры различных органов злаковых культур 119
Глава IV. Морфологические и культуральные особенности видов рода Fusarium зерновых культур Красноярского края 133
Глава V. Частота встречаемости грибов рода Fusarium в различных зонах Красноярского края 148
5.1. Степень распрастранения фузариумов на зерновых Красноярского края 153
Глава VI. Интегрированная информационно-аналитическая база «Мико-мицеты злаковых культур в различных почвенно-климатических зонах Красноярского края» 158
Выводы 167
Библиографический список 169
Приложение 187
- География грибов рода Fusarium
- Характеристика районов исследования
- Численность ризосферных микроорганизмов зерновых культур в различных экосистемах Красноярского края
Введение к работе
Успешное решение продовольственной проблемы, стоящей перед человечеством, неразрывно связано с обеспечением надежной защиты сельскохозяйственных растений от болезней, вредителей и сорняков. Во всех странах мира ежегодные потери растениеводческой продукции напрямую зависят от низкого уровня защиты злаковых культур, а также неблагоприятного фитосанитарного состояния сельскохозяйственных угодий (Фитосанитарный..., 1998). Нередки случаи, когда заболевание не уменьшает количество урожая, а снижает его качество. Именно поэтому, необходимо своевременно принимать меры по защите растений и вести постоянный фитосанитарный контроль.
Фитосанитарная ситуация, сложившаяся в Красноярском крае, ничем не отличается от общероссийской. В настоящее время выделен достаточно большой перечень заболеваний, распространение и развитие которых имеет тенденцию к нарастанию. В их число входят и фузариозные инфекции, возбудителями которых являются грибы рода Fusarium. По мнению М.А. Литвинова (1967) количество грибов этого рода, выделенных из различных сред, может достигать 10-20 % от общего числа обнаруженных почвенных микромицетов.
Род Fusarium - обширная биологическая неоднородная совокупность грибов. Среди них есть облигатные и факультативные паразиты, а также сапротрофы. В природе практически нет растений, не поражаемых данными грибами. Высокая степень агрессивности фузариумов во многом объясняется особенностями их жизненной стратегии.
Согласно отчетам Краевой станции защиты растений фузариозы распространены повсеместно, а их вредоносная деятельность отмечается регулярно. Как справедливо отмечает В.Г. Иващенко (1998) к наиболее распространенным фуза-риозным болезням относятся корневые гнили. За последние 10-15 лет фузариозные гнили стали повсеместными заболеваниями, которые отмечаются, главным образом, на посевах зерновых культур. В Красноярском крае под зерновыми занято 50-55 % структуры посевных площадей, и влияние на них комплекса микроорганизмов, включая бактерий и микромицетов, очевидно (Цугленок, 2003). Перио-
дически регистрируются эпифитотии болезней, потери урожая от которых достигают 20-30 % (Торопова, 2005; Назарова, 2006).
В Красноярском крае наиболее частая встречаемость заболевания отмечается в северных районах, расположенных в зоне тайги и подтаиги. В условиях резких температурных колебаний весеннего периода, а также влажной осени, фузариоз усиливается в восточных, западных и центральных районах края. Именно поэтому исследования фузариозов должны охватывать всю территорию края.
Цель настоящей работы: изучение и описание микромицетов рода Fusarium зерновых культур в различных природно-климатических зонах Красноярского края, выявление наиболее распространенных видов, создание музея чистых культур фитопатогенов и разработка интегрированной информационно-аналитической базы микомицетов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
изучить почвенную микрофлору зерновых культур Красноярского края;
проанализировать качественный состав микромицетов сельскохозяйственных культур, определить их родовую принадлежность и видовой состав фузариу-мов;
выявить среди представителей p. Fusarium типичные доминирующие и случайные виды;
разработать программу для создания электронно-информационной базы (интегрированная информационно-аналитическая база (ИИАБ)), выделенных фитопатогенов, встречающихся на территории Красноярского края для практического использования и сформировать базу данных микомицетов.
Объекты исследования. Объектами исследования в данной работе являются грибы рода Fusarium зерновых культур Красноярского края.
Материал исследования. Материалом для исследования служила почва области ризосферы, а так же различные части зерновых культур: колос, стебель и корень пшеницы, ячменя и овса из южной, северной, восточной, западной и центральной зон Красноярского края. Растения злаковых были представлены районированными сортами и линиями. Биоразнообразие микромицетов изучали на об-
разцах, не обработанных химическими препаратами.
Методы исследования. В работе использованы общепринятые микробиологические методы исследования. В ходе поставленных экспериментов были выделены грибы рода Fusarium, которые идентифицировали с помощью современных определителей (Nelson et al., 1983; Саттон, 2001). С полученными данными проводили математическую обработку, рассчитывая доверительный интервал, значения хи-квадрата и т.д. На основании выделенных штаммов была составлена коллекция микромицетов рода Fusarium, встречающихся на территории Красноярского края.
Актуальность. Актуальность работы заключается в проведении мониторинговых исследований биоразнообразия грибов p. Fusarium, как опасных возбудителей болезней зерновых культур. Опыты по изучению свойств микомицетов рода Fusarium могут продолжаться на основании созданной музейной коллекции данных фитопатогенов.
Научная новизна заключается в проведении комплексного исследования почвы и сельскохозяйственных культур на распространение возбудителей фуза-риоза. В Красноярском крае подобные исследования не проводились в течение последних десятков лет.
Практическая значимость. Результаты работы позволяют систематизировать данные о видовом составе грибов p. Fusarium, выделенных в различных поч-венно-климатических зонах Красноярского края. Созданную интегрированную информационно-аналитическую базу «Микомицеты злаковых культур в различных почвенно-климатических зонах Красноярского края» можно использовать для разработки эффективных методов борьбы с возбудителями болезней зерновых культур.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Обнаружена прямая зависимость количественного состава бактериальной и грибной микрофлоры области ризосферы зерновых от природно-климатической зоны возделывания сельскохозяйственных культур.
Определены типичные представители грибной ризосферной микрофлоры зерновых.
Установлен видовой состав микомицетов p. Fusarium на территории Красноярского края. Обнаружены доминирующие и случайные виды.
Разработана интегрированная информационно-аналитическая база «Ми-комицеты злаковых культур в различных почвенно-климатических зонах Красноярского края».
Апробация результатов работы. Основные положения научно-исследовательской работы представлялись и обсуждались на международных, всероссийских и региональных конференциях и конкурсах, в частности: IV Международная научно-практическая конференция молодых ученых, посвященная 70-летию НГАУ, Новосибирск, март 2006 г.; региональная научно-практическая конференция «Аграрная наука - на рубеже веков», Красноярск, ноябрь 2006 г.; V Международная научно-практическая конференция молодых ученых СФО, посвященная 55-летию КрасГАУ «Современные тенденции развития АПК в России», Красноярск, март 2007 г.; II этап Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых Минсельхоза РФ, Новосибирск, апрель 2007 г.; III (заключительный) этап Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди молодых ученых Минсельхоза РФ, Москва, май 2007 г.
Всего по теме диссертации опубликовано 15 работ.
Автор выражает благодарность своему научному руководителю д.с.-х.н., профессору, академику РАСХН Николаю Александровичу Сурину, а также особую признательность к.б.н., доценту Евгении Ивановне Сорокатой за ценные консультации и дружественную поддержку. Кроме того, автор благодарит главных агрономов ОПХ «Солянское», «Боготольское», «Курагинское», «Казачинское» и «Минине» за неоценимую помощь в сборе полевого материала.
География грибов рода Fusarium
Среди возбудителей различных болезней растений главенствующее место занимают фитопатогенные грибы.
В настоящий момент имеется немало работ, характеризующих видовой состав дейтеромицетов некоторых областей (Хмельницкая, 2003).
Грибы из рода Fusarium широко распространены в природе и являются возбудителями заболеваний более 200 видов культурных растений, вызывая их увядание и гибель (Голиков, 2003). Широкую распространенность виды из рода Fusarium получили в Сибири - в зонах тайги, подтайги, северной лесостепи (увлажненные годы), а также в Прибалтике, Белорусссии, Молдавии, Литве, Нечерноземной зоне и центральной части европейской территории России, на СевернОхМ Кавказе, а также в Ставропольском крае (Чулкина, 1979; Чулкина, 1987; Чумаков, 1990; Иващенко, 1998).
В условиях Предкавказья первые сообщения о фузариозном заболевании зерновых культур были получены в 1929 г. В 1952 г. фузариоз пшеницы имел наибольшее развитие в Северной Осетии. В 80-е годы вновь отмечается усиление нарастания этого заболевания на Северном Кавказе. Доминирующим видом на зерне был F. graminearum (Иващенко, 1998). Наряду с F. graminearum здесь отмечены частые проявления грибов F. nivale Ces. из класса Deuteromycetes, порядка Hyphomycetales, вызывающий ослабление и гибель молодых растений, а также некрозы верхних листьев (Альт, 1997; Зазимко, 2003).
Замечено, что разнообразие почвенно-климатических условий в разных зонах ведет за собой смену видового состава возбудителей корневых гнилей, поэтому в предгорной зоне, где в среднем выпадает 475-525 мм осадков, около 80% из них приходится на теплое время года. В таких условиях грибы рода фузариум имеют меньшее распространение (Коршунова, 1976), что, по-видимому, связано с интенсивным ростом и развитием вегетативной массы.
На значительное развитие фузариоза колоса пшеницы и ячменя в 1948-1950 гг. в Сахалинской области указывал А.Е. Чумаков. По мере продвижения к северу (Хабаровский край, Амурская область) болезнь встречается реже и в слабой степени. В Азово-Черноморском крае (Краснодарский и Ставропольский края, часть Ростовской области) эпифитотия фузариоза колоса впервые отмечена в 1933 г. (Иващенко, 1998). Фузариоз зерна пшеницы впервые описали русские ученые в конце XIX столетия, когда земледельцы осваивали Уссурийский край и Дальний Восток. Уже тогда они обратили внимание на то, что зерно, выращенное во влажных теплых районах этого края и зараженное фузариозом, ядовито. По существующим нормам количество таких зерен в продовольственном зерне не должно превышать 1 % (Горбунов, 1992 б). С тех пор в России классическим районом «пьяного хлеба» является Южно-Уссурийский край. Поражение колоса и зерна злаков фузариозом отмечалось в Приморье еще первыми русскими поселенцами. Впервые заболевание описано Н.А. Пальчевским в 1891 г., а далее детально изучено М.В. Ворониным в 1892 г. Работы А.А. Ячевского в 1904 г., Н.А. Наумова в 1913 г. и И.И. Абрамова в 1938 г. показали, что это заболевание является одним из распространеннейших заболеваний пшеницы, ржи, овса, ячменя в условиях теплого и влажного климата (Иващенко, 1998). Доминирующим возбудителем фузариоза зерновых в южных регионах возделывания пшеницы (Кубань, Ставрополье, Ростовская и Белгородская области, южные районы Нечерноземья) является фузарий злаковый - F. graminearum Schwabe (Есауленко, 2002).
В Нечерноземной зоне наблюдается накопление инфекции грибов, вызывающих корневые гнили, септориоз, фузариоз и другие заболевания, чаще встречающиеся в комплексе. Пораженность растений достигает 60-70 %, а гибель - более 20 %. В отдельные годы потери урожая от комплекса болезней, вредителей и сорняков доходят до 60 % (Потылико, 1996).
В Центрально-черноземном районе вид F. graminearum встречается как возбудитель фузариоза колоса: в Воронежской области (отмечен единично), в Белгородской и Курской областях, в Поволжье (Иващенко, 1998; Шеховцев, 1998). В этих областях защита от болезней серых хлебов требует особого внимания, так как получению стабильно высоких урожаев ячменя и овса там препятствуют корневые гнили фузариозно-гельминтоспориозной природы, интенсивность развития которых достигает 52 % и более. В хозяйствах этой зоны здоровых семян практи чески нет; они в сильной степени (39-62 %) поражены гельминтоспориозом и фу-зариозом (Неклеса, 2000).
Это очень тревожный синдром, в подтверждение которого специалисты Швейцарской фирмы «Новартис» приводят следующие материалы исследований: «...если в текущем году поражение растений твердой головней составляет 0,2 процента (1 пораженный колос на 250 растений), то на следующий год, если зерно не оздоравливается перед посевом, поражение растений может составить 25 процентов (1 пораженный колос на каждое четвертое растение)».
Эпифитотийные ситуации были отмечены и в России и в странах бывшего Советского Союза (Иващенко, 1998, Шеховцев, 1998). На юге Украины и в Крыму фузариоз колоса проявился в 1972-1988 гг. В России отмечается приуроченность возбудителей к эколого-географическим районам по преобладанию яровых посевов зерновых культур. Это в значительной мере обусловлено неодинаковыми требованиями патогенов к условиям среды (Коршунова, 1976).
В Кировской области в период с 1997 по 2001 год развитие фузариоза колоса на производственных посевах варьировало от 1 до 19,7%, а заражение семян достигало 24%. За годы исследований фузариоз дает типичную форму развития болезни на колосе и зерне озимой ржи. Совокупный инфекционный потенциал на зерне составляет 13 видов грибов из родов Fusarium, Trichothecium, Aspergillus, Penicillium и Cladosporium. В зависимости от агроклиматических условий состав грибов p. Fusarium существенно меняется. В более влажных и теплых условиях доминируют фузариозные грибы - F. culmorum, F. sporotrichiella, F. oxysporum. Реже встречаются F. heterosporum, F. nivale (Шешегова, 2003 a).
В Омской области, согласно результатам фитоэкспертизы семян, не установлено партий, свободных от патогенов. В среднем за 21 год зараженность семян там составила 47 %, в том числе возбудителями из p. Fusarium и В. sorokiniana -6,4 %. В последние годы их доля в общем фоне заражения возросла: в 1995 г. до 11,5 %, в 1997 - до 16,3 % (Цугленок, 2003).
Характеристика районов исследования
Отбор материала для исследования проводили в опытно-производственных хозяйствах Красноярского научно-исследовательского института сельского хозяйства (далее ОПХ) восточной, западной, северной, южной и центральной зонах Красноярского края (ОПХ «Солянское» - восточная зона, ОПХ «Боготольское» -западная зона, ОПХ «Казачинское» - северная зона, ОПХ «Курагинское» - южная зона, ОПХ «Минино» - центральная зона) (приложение 2, рисунок 1).
Красноярский край занимает огромную территорию. По данным комитета по земельным ресурсам и землеустройству Красноярского края его площадь равна 72367,1 тыс.га. Земледельческая часть края расположена в сложных геоморфологических условиях. При таком подходе выделяют 16 геоморфологических округов. К этим округам относится Южно-Минусинский, Чулымо-Енисейский, Наза-ровский, Ачинско-Боготольский, Красноярский, Канский. На формирование климата этой территории большое влияние оказывают влажные воздушные массы, поступающие с территории Европы и Северной Атлантики, с одной стороны, и частые вторжения воздуха со стороны Арктики и его последующей трансформации над континентом - с другой (Бахтин, 1971).
В формировании климата большую роль играют циркуляционные процессы: тепло и влага приносятся юго-западными потоками воздуха из Средней Азии, влага и прохлада летом - северо-западными ветрами Атлантики и Баренцева моря, засуха летом, длительные морозы зимой, весенние и осенние заморозки - северо-восточными антициклонами. Большая протяженность земледельческой части края, наличие горных систем и котловин обусловили значительные различия климатических условий на этой территории (Михарева, 2004).
В целом климат Красноярского края можно охарактеризовать как резкоконтинентальный, причем континентальность его возрастает с севера на юг и с запада на восток (Агроклиматические ресурсы, 1974; Сурин, 1993). Континентальность сказывается на в больших различиях температуры воздуха зимы и лета, дня и ночи. По средним многолетним данным, годовое количество осадков на территории
Красноярского края колеблется от 324 до 562 мм, причем наименьшее их количество отмечается в Минусинской котловине, а наибольшее - в южной подзоне «Тайга гор и предгорий» в Ермаковском районе.
Осенний период характеризуется постепенным понижением температуры и наступлением заморозков на почве и в воздухе. Со второй половины сентября в северных, а в конце октября - начале ноября в южных районах Красноярского края наступает продолжительная зима. Весна раньше всего наступает на юге края - в конце первой декады апреля, в центральной части - в середине и в конце апреля. Переход температуры воздуха через 5С происходит повсеместно раньше, чем заканчиваются последние морозы. Наибольшая разница во времени начала вегетационного и безморозного периодов отмечается в Саянах и на территории Минусинской котловины, где вегетационный период начинается на 30-35 дней раньше безморозного. Весенние заморозки сокращают продолжительность вегетационного периода. Осадков на территории края весной выпадает мало: в апреле небольшие осадки составляют от годовых 10-15% на севере и 20-30% на юге (таблица 5).
Климатические особенности территории лучше всего прослеживаются по сезонам года. Критерием для выделения сезонов приняты даты устойчивых переходов температур через определенные пределы.
Из всех сельскохозяйственных культур, возделываемых на территории Красноярского края, наиболее устойчивыми к заморозкам считаются яровые зерновые культуры (таблица 6).
Период вегетации яровых зерновых культур ограничен поздними весенними и ранними осенними заморозками, которые по краю прекращаются в конце мая -начале июня, осенью же отмечаются в середине сентября, а местами - в конце августа. Поэтому при размещении этих культур необходимо учитывать продолжительность безморозного периода. Так, по краю он колеблется в пределах 69-111 дней на ровных открытых и возвышенных местах, на пониженных защищенных участках сокращается на 5-Ю дней. На продолжительность безморозного периода большое влияние оказывает рельеф местности и наличие поблизости больших водоемов. При определении оптимальных сроков сева обязательным условием является учет времени наступления заморозков. Интенсивность последних заморозков весной небольшая, но в отдельные годы на полях, расположенных на пониженных частях рельефа, нередки случаи повреждения всходов яровой пшеницы ранних сроков сева. Посев же в оптимальные сроки в этих местах позволяет уберечь всходы от заморозков.
В связи с различиями в характере рельефа, материнских и подстилающих пород, климата, растительности, неравномерной обводненности территории почвенный покров Красноярского края очень разнообразен (Бугаков, 1995; Бугаков, 1998; Крупкин, 2002). В основном встречаются следующие виды почв: чернозем выщелоченный, чернозем обыкновенный, серые лесные (темно-серые, серые и светло-серые), дерново-подзолистые (таблица 7).
Численность ризосферных микроорганизмов зерновых культур в различных экосистемах Красноярского края
В природе часто встречают комплексы нескольких типов биотических связей, в которых обязательно участвуют микроорганизмы. Одним из вариантов таких связей являются микробно-растительные сообщества. Многие исследователи отмечают уникальную функциональную стабильность микробного комплекса (Никитина, 1987).
Почвенная среда, как и любой живой объект, населена микроскопическими организмами, которые находятся в непосредственной связи с корнями растений и другими почвенными включениями. Растения являются для них источниками питания, в первую очередь для гетеротрофных форм.
Численность разных групп микроорганизмов варьирует в зависимости от многих факторов: размера, формы, родовой и видовой принадлежности растения, его местообитания, т.е. географических и климатических факторов, а так же от состава и степени разложения растительных остатков. Обилие и разнообразие микроорганизмов, колонизирующих область ризосферы, в существенной степени определяются и биологией самих микроорганизмов. И как справедливо отмечает в своих работах З.И. Никитина (1987) уровень и состав микробной биомассы наземных экосистем различен и в значительной степени определяется спецификой экологических условий.
Проведенные нами исследования, представленные на рисунках 3-7, дают полное представление о численности бактериальной микрофлоры ризосферной области зерновых культур возделываемых на территории Красноярского края.
Почвенная среда весьма изменчива. Наиболее наглядно сказываются на ней сезонные и суточные колебания температуры и влажности. Совершенно очевидно, что под действием абиотических факторов сообщества микроорганизмов, населяющих почвенную среду, имеют тенденцию к изменению своего количественного состава. Область ризосферы - это зона повышенной активности микроскопических бактерий, грибов и т.д. Существуют разнообразные взаимоотношения и взаимодействия между корнями растений и почвенными микроорганизмами. Некоторые благоприятны для растений, другие необходимы, третьи вредны, а четвертые приводят растение к гибели. Таким образом, изучение количественного и качественного состава микроорганизмов очень важное условие при прогнозировании развития болезней, в частности зерновых сельскохозяйственных культур.
Бактерии могут переживать в почве, на поверхности или внутри семян и на остатках растительного материала. Некоторые виды бактерий являются сапрофи-тами, которые только при определенных внешних условиях переходят к паразитическому образу жизни (Экологизированная ..., 2005).
Растения оказывают мощное влияние на состав и активность ризосферных микробных сообществ через продукты корневых выделений (Киреева, 2004). Однако, состав ризосферной микрофлоры около разных растений различается, хотя строгой приуроченности определенных бактерий к определенным растениям обнаружить не удается. По данным Б.В. Громова (1989) в почвах содержится от 1 до 10 или даже нескольких десятков миллиардов клеток (КОЕ) на грамм. Исследования, проведенные Д.Е. Полонской (2004) показывают, что количественный состав микроорганизмов в выщелоченных черноземах Красноярского края варьирует от 0,75 до 21,6 млн клеток (КОЕ) на 1 г абсолютно сухой почвы.
Для того, чтобы убедиться в отсутствии или же наличии связи между бактериальной и грибной микрофлорами в различных природно-климатических зонах Красноярского края необходимо исследование количественного состава микоми-цетов и бактерий. Взаимоотношения бактерий и грибов, складывающиеся в природных биотопах, весьма разнообразны - от мутуалистических до антагонистических. Почвенные грибы, обладающие мощным аппаратом экзоферментов, создают вокруг себя среду, насыщенную продуктами их обмена, что привлекает в эту среду другие группы микроорганизмов, среди которых особую роль играют бактерии. Именно поэтому функционирование бактериальных сообществ, формирующихся в микосфере почвенных грибов, по мнению Я.В. Дешко (2004), требует очень детального изучения.
В результате проведенных экспериментов нами выявлена динамика численности микроорганизмов в период с 2004 по 2006 гг. Графические сведения позволяют наглядно увидеть картину изменения состава бактериальной микрофлоры во всех природно-климатических зонах Красноярского края (рисунок 1-5).
