Содержание к диссертации
Введение
2. Обзор литературы 6
2.1 .Хозяйственно-экономическое значение бобовых культур 6
2.2. Вирусы бобовых культур и их влияние на инфицированное растение 7
2.3. Фауна тлей-переносчиков на бобовых культурах и особенности их взаимодействия 14
2.3.1. Особенности распространения тлей на бобовых культурах 16
2.3.2. Нарушения ростовых процессов у растений при поражениях вирусами и заселеними тлями-переносчиками 20
2.4. Гормональный обмен у инфицированных растений 23
2.4.1. Изменения гормональной активности у растений при векторных инфекциях 27
2.4.2.Влияние фитогормонов на жизнедеятельность тлей-переносчиков 32
3. Заключение по обзору литературы 35
4. Экспериментальная часть
4.1 .Материалы и методы исследований 3
4.1.1. Место проведения исследований 37
4.1.2. Почвенно-климатическис условия региона 37
4.1.3. Методика исследован и и 39
5. Результаты исследований 42
5.1.Видовой состав, распространение и вредоносность вирусов на фасоли 42
5.2. Действие экзогенных фитогормонов на проростание семян 50
5.3. Семенная инфекциия и влияние гормонов на развитие из них растений 55
5.4. Фауна тлей бобовых культур в Тульской области 56
5.5. Динамика миграции тлей 60
5.6. Действие регуляторов роста на жизнедеятельность тли Myzus persicae 65
5.7. Влияние фитогормонов на эффективность передачи вирусов тлями.. 67
5.8. Особенности взаимосвязей глей с кормовыми растениями 69
5.9. Влияние некоторых факторов на численность тлей и активность распространения ими вирусов 70
5.9.1. Численность тлей и энтомофагов на полях бобовых культур 70
5.9.2. Влияние физиологически активных веществ на поражаемость вирусами 72
6. Выводы 80
7. Приложения 83
8. Список литературы 93
9. Заключение 130
- Вирусы бобовых культур и их влияние на инфицированное растение
- Изменения гормональной активности у растений при векторных инфекциях
- Действие экзогенных фитогормонов на проростание семян
- Влияние некоторых факторов на численность тлей и активность распространения ими вирусов
Вирусы бобовых культур и их влияние на инфицированное растение
Вирусы нередко объединяют по принципу биологической специфичности: вирусы растений, животных, бактерий, грибов, водорослей. Очевидно, что они относятся к универсальным патогенам, способным заражать практически все виды растительного и животного мира.
Взаимодействие вирусов с хозяином - относительно сложный процесс. При заражении растений вирус первоначально проникает в незначительное число так называемых первично - инфицированных клеток. В чувствительном растении вирусный генетический материал из первично - инфицированных клеток транспортируется по плазмодесмам в соседние здоровые клетки и по сосудистой системе стебля на большие расстояния (Farkas, 1976;Weintraub et al.,1976 Matthews, 1981; De Zoeten, 1981; Shalla et al, 1982; Лапшина, Реунов, 1983; Hull, 1989; Rezelmam, 1989).
Показано влияние регуляторов роста на образование различных типов проявлений вирусной инфекции (Smalley, 1962; Matta, Gentile, 1964; Mace, Solit, 1966; Bottalico, Graniti, 1974).
При исследованиях эффективности первичного заражения на размножение и накопление вирусов в разновозрастных тканях установлено, что инфекционность в молодых тканях табака, зараженных ВТМ или ХВК, значительно ниже, чем в зрелых листьях (Реунов, 1978, 1989; Реунов, Лапшина, 1979; Реунов, Лега, 1979).
Обработка листьев кинетином (25 мкг/мл) не влияла на оценку инфекционности. Клетки молодых листьев, не обработанных фитогормоном, часто формируют большие скопления вирусных частиц. В обработанных кинетином клетках такие скопления вируса наблюдаются значительно реже. Обработка кинетином активирует клеточный метаболизм (Лапшина, Реунов, 1988).
Некоторые патогенные для бобовых растений вирусы передаются через семена, многие - инокуляцией соком. Очень часто в роли переносчика выступают различные виды тлей ( Bennett, 1940; Швецова, 1967; Помазков, 1972; Demski et al, 1984, 1988; Fukumoto et al, 1986; Власов, Теплоухова, Ларина, 1990; Власов, 1992; Романенко, 1993, 2001).
В настоящее время известно более двухсот видов вирусов, поражающих вигну и фасоль. Среди них вирус обыкновенной мозаики фасоли (Brand et al, 1993; Anderson, 1995), вирус желтый мозаики фасоли, а также вирус мозаики вигны (McLane, 1981; Мс Kern et al, 1992; Anderson, 1995), вирус южной мозаики фасоли (Tremaine, Hamilton, 1983), мозаики огурца (Anderson, 1957, Елисеева, Тулегенов, Ахатов, 1978). Число идентифицированных (табл.1) в настоящее время вирусов фасоли и вигны, в том числе распространяемых тлями, достигает более двух десятков (Demski et al, 1984; Fukumoto et al, 1987; Zeyong et al, 1988; Anderson, 1995). Основные из них представлены в табл. 1.
Поражение вирусами болезнями ведет к снижению урожайности бобовых, уровень которой зависит от вида вируса, сорта и условий выращивания культуры (Hampton, 1975; Корсаков, 1982). Они поражают широкий круг растений (табл. 2).
Несмотря на большую вредоносность вирусных заболеваний на бобовых культурах в Либерии (табл. 3), изучению их уделяется недостаточно внимания. В частности, не во всех районах возделывания зернобобовых культур установлен видовой состав вирусов, ареалы их распространения, штаммовое разнообразие, пораженность культур, мало уделяется внимания виру coy стойчивости при селекции новых сортов.
Признаки задержки роста и развития, свидетельствующие о гормональных нарушениях, наблюдаются как обычная форма заболевания при поражениях вирусом задержки роста сои (Soybean stunt virus) (Поливанова, 1980), при некоторых проявлениях вируса желтой мозаики фасоли (ВЖМФ) и (ВОМФ), вируса огуречной мозаики (ВОМ) (Поливанова и др., 1981; Wongkaew, Dollet, 1990; Чуйков, Тюмаева, 1993; Omunyin et al, 1995).
ВОМ в смешанных с ВТМ инфекциях часто проявляется в виде нитевидности и папоротниковидности листьев, что также свидетельствует о гормональных нарушениях. Признаки наблюдаются уже на 10-й день от начала заражения (Tomlison et al, 1968; Mink et al, 1975). Некоторые исследователи указывают на 28-й день их обнаружения (Whipple, Walker, 1941; Bos, Maat, 1974; Meiners et al, 1974; Richter et al, 1979)
На бобовых растениях многие вирусы передаются через семена. Семенная инфекция в ряде случаев может создать серьезные экономические проблемы. Известны примеры, когда ВТМ и вирус зеленой крапчатой мозаики огурца (ВЗКМО) обнаруживался в семенах соответственно томатов и огурцов. Вирусы обычно адсорбированы на поверхности семян (ВТМ, ВЭКМО) или проникают в них, поражая эмбрион (вирус штриховатой мозаики ячменя -ВШМЯ, вирус обыкновенной мозаики фасоли, ВМС и др.), либо эндосперм и семенную кожуру (ВШМЯ и ВТМ). Процент семенной передачи может значительно варьировать в зависимости от вируса, вида растения-хозяина, внешних условий (Baker, Smith, 1966). В семенах вирусы сохраняются в течение ряда лет. Так, вирус мозаики тыквы обнаруживался в семенах через 5 лет, в семенах томата - через 9 лет, ВОМФ в семенах фасоли - через 30 лет хранения (Broadbent, 1965; Glaeser, 1976; Phatak, 1980). Через семена вирус обыкновенной мозаики фасоли передается не всегда и число случаев передачи колеблется от 30 до 50% (Смит, 1960). По другим авторам (Bos, 1981, Gibbs, 1995) передача через семен достигает у фасоли обыкновеннной 73%. Не все семена, находящиеся в бобе, обязательно оказываются зараженными.
Изменения гормональной активности у растений при векторных инфекциях
В течение последних 30 лет интенсивно изучалась роль ростовых веществ при заболеваниях, вызываемых грибами, бактериями, вирусами и нематодами. Большинство работ посвящено индолилауксинам, поскольку в 1934 г. почти одновременно было установлено, что и грибы, и высшие растения могут синтезировать ИУК. Явление гиперауксинии в больных тканях теперь также хорошо изучено, как и дыхание при патологии (Sequeira, 1963, 1973; Pegg, 1976; Daly, Knoche, 1976). Именно открытие ИУК и ее особых свойств, а не гиббереллинов или цктокининов, способствовало позднее серьезному изучению и расшифровке роли ростовых веществ в физиологии растения.
В настоящее время индолилауксины, гиббереллины, цитокинины, этилен и абсцизовая кислота представляют известные классы биологически активных веществ, каждый из которых найден как в здоровых, так и в больных растениях. Гибберелловая кислота представляет в этом отношении особый интерес, поскольку до 1955 г. она была известна как токсичный грибной метаболит, близкий по действию и положению гельминтоспоралу или фузикокцину.
Действие вируса на регуляторы роста и фенолы часто рассматривают в связи с различными типами проявления заболевания, так как первые два непосредственно связаны с ростом и дифференциацией тканей растений. Окисленные продукты фенолов могут из-за своей токсичности влиять на образование некрозов. Многие симптомы вирусной инфекции очень напоминают те, которые вызываются у растений при выращивании их в стерильной среде, в присутствии ростовых веществ (Малиновский, Журавлев, 1976,Милкус, 1976).
Участие ростовых веществ в развитии болезни - обширная область исследования физиологии хозяина и патогена, роль которых в пораженных растениях рассмотрена в обзорах Секейра (Sequeira, 1963, 1973), Пегга (Pegg, 1976), Дейли и Ноха (Daly, Knoche, 1976), Полевого ( 1989). Ростовые вещества по своему действию на растения напоминают токсины (Wood, 1972, Mussel, 1972, 1973).
Состояние, возникающее при повышении концентрации ИУК в стеблях зараженных растений, можно сравнить с условиями, которые создаются в растениях, обработанных ауксиноподобными гербицидами (Hanson, Slife, 1969). Выделение этилена больными тканями может быть результатом повреждения, а также выделения различных фитотоксических продуктов сосудистыми патогенами (Wilson et al, 1972; Mussel, 1973; Cronshaw, Pegg, 1976; Ferraris, Matta, 1977).
Многие возбудители сосудистых заболеваний способны образовывать как ИУК, так и этилен, однако обычно считается, что накопление этих соединений зависит главным образом от активности растения-хозяина (Lund, Mapson, 1970).
В целом (за исключением отдельных болезней со специфическими симптомами разрастания тканей) можно сказать, что патологическое увеличение количества ростовых веществ в растении является результатом ответных реакций хозяина при незначительном вкладе со стороны самого патогена (Smidt, Kosuge, 1978; Shepherd, 1979).
С учетом сложности онтогенеза и морфологии растений разных родов идея универсального объяснения роста - ненормального и нормального, при участии всех пяти известных классов фитогормонов — несостоятельна, и все же во многих фитопатологических исследованиях делались попытки применить ее с позиций одного или двух веществ. Нужна не общая интерпретация роли гормонов в метаболизме больного хозяина, а четкое разделение ростовых веществ и болезней, вызываемых патогенами.
Роль гиббереллинов и цитокининов в развитии заболеваний изучена меньше, чем эффект ИУК, причем эти исследования связаны главным образом с разрастаниями тканей, где взаимосвязь причины и следствия достаточно очевидна. Однако, в известной нам работе (Vizarova, 1992) изучен эффект биологического стресса на инфицирование патогеном. Считается, что вызываемый стресс может снижать уровень ЦК в первые дни патологического процесса.
Однако в дальнейшем в инфицированной части растения уровень ЦК вновь повышался. \ Изменения в метаболизме пораженного хозяина (внешние симптомы которых несущественны) могут оказаться важными для развития патогена (Klambt et al, 1966; Helgeson, Leonard, 1966; Wood,et al, 1966, 1972; Wood, 1971;bekhuijzen, Staples, 1968; Libbert ,Rische, 1969, Libbert, Manteuffel, 1970; Муромцев, Глобус, 1976; Dekhuijzen, Overeem, 1971).
Важным моментом участия гормональных веществ в патогенезе служит их накопление перед или при появлении симптомов поражения. Эта реакция не отражает обычный метаболический путь биогенеза, например ауксина, в нормальных тканях, она может играть довольно существенную роль как механизм образования ауксина в патологическом процессе (Sequeira, 1964; Mace, Solit, 1966; Pegg, Sequeira, 1968; Matta et al, 1969; Matta, Gentile, 1970).
Многочисленные данные, полученные с использованием различных вирусов и растений-хозяев, позволяют сделать вывод, что под влиянием вирусной инфекции активность ауксинов, определяемая в экстрактах из листьев, меняется. Такой эффект вызывает, например, вирус мозаики табака у томатов (Best, 1937; Grieve, 1943; Pavilard, 1952) и табака (Pavilard, Beauchamp, 1957) и вирус курчавости верхушки сахарной свеклы у различных хозяев (Smith et al, 1968), он отмечается при поражении растений вигны вирусом мозаики бобов (Lockhart, Semancik, 1970; Narayanasomy et al, 1972). Возможно, увеличение активности ауксин-оксидазы в листьях больных растений в начале заболевания носит кратковременный характер, а со временем способность больных листьев к окислению ауксинов снижается. Установлено, что при вирусном поражении нарушается транспорт экзогенной 3-индолилуксусной кислоты (ИУК) по растению (Smith et al, 1968; Журавлев, Малиновский, 1974). Это может быть следствием того, что в листьях разных ярусов активность ферментов, принимающих участие в метаболизме ауксинов, изменяется неодинаково.
Для растений фасоли, пораженных ВОМФ, свойственно двухфазное изменение активности ауксин-оксидазы в ходе болезни: временная активация в начале заболевания с последующим снижением по мере развития инфекции. Одним из факторов, влияющих на окисление ауксинов в листьях, является их возраст (Журавлев, Малиновский, 1976). Установлено, что в растениях табака, инфицированных ВТМ, происходит более интенсивное по сравнению с контролем транспортирование экзогенной ИУК в листья среднего и нижнего ярусов (Журавлев, Малиновский, 1974). Полученные в данной работе результаты показали, что в нижних листьях пораженных растений происходит разрушение ауксинов. По-видимому, активация притока ауксинов вызвана их дефицитом в этих листьях, который обусловлен повышенной активностью ауксин-оксидазы.
Действие экзогенных фитогормонов на проростание семян
Прорастание семян представляет важный этап в жизни растительного организма. В настоящее время появилось много работ, касающихся исследований отдельных фаз прорастания (Обручева, 1985; Обручева, Антипова, 1985), в которых подчеркивается значение фитогормонов в регуляции этого процесса. Показано, что формирующиеся и прорастающие семена наиболее удобные объекты для их изучения.
Основные проблемы и достижения в этой области отражены в работах советских и зарубежных исследователей (Николаева, 1974; Black, Bewley, 1978; Black, 1980, 1981; Khan, Tao, 1978; Обручева, 1982; Karssen, 1983; Van Staden, 1983; Leadem, 1987 ; Кефели и др., 1990).
Найдено, что стартовые реакции играют решающую роль в проявлении жизнеспособности семян как посевного материала (Курсанов, 1964). Кроме того, применение семян с низкой жизнеспособностью приводит к снижению урожайности (Роберте, 1978). Эффективность действия фитогормонов зависит от степени жизнеспособности семян, концентрации собственных гормонов, видовой особенности семян(Мазпн и др. 1976). Необходимо учитывать также, что полевые условия вносят определенные поправки по показателям всхожести, которые существенно отличаются от лабораторной всхожести. Всхожесть партий исследуемых нами семян урожая 2001-2002 г.г. составляла 70-96%, а их зараженность вирусами колебалась у разных сортов от 2,0 до 25,8% (табл. 10).
Полученные данные позволяют сделать вывод, что фитогормоны (при повышенных концентрациях - 25 мг/л) способны ингибировать прорастание семян и вызывать маскировку признаков вирусной инфекции (табл. 11).
В концентрациях 10 мг/л кинетин увеличивал всхожесть семян. Причем для семян урожая 2001 г. полевая всхожесть повысилась на 11-76% по отношению к контролю. Одновременно снизилось на 24-66% по сравнению с контролем число растений, выявляемых по результатам внешнего осмотра в качестве больных. При увеличении концентрации кинетина до 25 мг/л отмечалась нивелирование его действия. Найдено, что на семенах, обладающих большей жизнеспособностью, стимулирующий эффект кинетина проявлялся в меньшей степени. На 11-25% (в % к контролю) увеличилось формирование зародышевых семян. Наибольшее число инфицированных растений получено из семян, обработанных кинетином - 25 мг/л.
Результаты применения в опытах другого гормона - гиббереллина, представлены в табл. 12. Семена с пониженной жизнеспособностью (инфицированные ВОМФ) урожая 2001 года оказались чувствительными лишь к концентрации гормона 5 мг/л, достоверное повышение полевой всхожести в этом варианте составила 17-27%. Концентрации 10 и 25 мг/л не оказали влияние на всхожесть семян.
Обработка различными концентрациями гиббереллина семян с более высокой жизнеспособностью (семена урожая 2002 г.) не привела к повышению полевой всхожести. Напротив, при концентрации гиббереллина 25 мг/л этот показатель снижался на 36-38%. Анализ 4-х суточных проростков фасоли, полученных из семян с различной жизнеспособностью, показал, что они различаются между собой по содержанию эндогенных фитогормонов. Вероятно, этим следует объяснить, что биологическая активность гиббереллиновых веществ (ГПВ) и кинетинов была выше в проростках семян урожая 2002 г.по сравнению с проростками из семян урожая 2001 г. В первом случае максимальный прирост биотеста (проростки вики) составил Для контроля - 129%; гиббереллиноподобных веществ - 143%, кинетинов -133%, во втором случае соответственно: контроль — 134%, гиббереллиноподобных веществ - 169% и кинетинов - 155%).
Влияние некоторых факторов на численность тлей и активность распространения ими вирусов
В образующихся колониях тлей постоянно обнаруживались их хищники и энтомофаги (кокцениллиды, златоглазки, мухи-журчалки). Их наибольшая численность наблюдалась в июле в период наибольшего размножения тлей. Из нижеприведенной таблицы 25 видно, что численность тлей и полезных видов сравнительно медленно увеличивалась от июня к июлю. В августе заселенность тлями резко снизилась. К началу сентября тлей на растениях не наблюдалось. Очевидно, что полезные виды способны воздействовать на плотность популяции различных видов тлей. Однако их влияние в естественных условиях, к сожалению, сказывается в конце вегетационного периода, когда большинство растений в посевах уже инфицированы ими.
Степень повреждения растений тлями(табл. 26) колеблется по годам, что указывает на значительное влияние факторов среды. В частности, начало вегетационного периода 2001 г. (2 - 3 декада мая) характеризовалось повышенными температурами (22 - 26С) при достаточной увлажненности (количество выпавших осадков в 1,5 раза больше нормы). Лето было контрастным: жаркое - в первой половине (июне), теплое и дождливое - в июле и прохладное - в августе. В целом лето было теплое и достаточно влажное, благоприятное для развития тли. Вегетационный период 2002 г. отличался неустойчивой температурой: весной (в первой декаде мая наблюдались на почве заморозки) и очень жарким засушливым летом, для которого были характерны: длительная жара, частые суховеи, низкая влажность почвы и воздуха. В целом лето было жарким, сухим, неблагоприятным для развития тлей. Отмечено, что после обработки фитогормонами (за исключением варианта с кинетином, 10 мг/л) наблюдается активизация размножения тлей и, соответственно, более высокая их вредоносность, превышающая контрольный вариант в полтора - и более два раза.
Причем с увеличением концентрации фитогормонов, возрастает процент поврежденных растений. Среди показателей, характеризующих состояние и особенности развития растения в целом, важное место отводится чистой продуктивности фотосинтеза, содержанию хлорофилла и накоплению сухой массы. Нами показано, что у позднеспелого подвида V. sinensis в фазу «всходы — ветвление» отмечается максимум чистой продуктивности фотосинтеза - 111,9 мг/100 см листьев. В последующем происходит ее снижение, а в период «начало созревания» полностью прекращается. У подвида V. sesquipedalis этот показатель до периода цветения близок к таковому у V. sinensis. ЧПФ у среднеспелого подвида вигны отмечается до периода полного созревания. У скороспелого подвида V. catjang максимальная продуктивность фотосинтеза отмечается в период цветения, в последующий период к моменту созревания она заметно снижается и к концу его полностью прекращается. Это подтверждает данные Ничипоровича (1966) и Г. Устименко (1976). Таким образом, показаны различия по показателю чистой продуктивности фотосинтеза у подвидов вигны (табл. 27). При изучении регулирующего эффекта наибольший прирост чистой продуктивности фотосинтеза (табл. 28) по сравнению с другими вариантами наблюдается при обработке растений кинетином (4,11 г/м в сутки) и ГА (3,96 г/м в сутки), наименьший при обработке гиббереллином (3,13 г/м в сутки). Определенное влияние на накопление хлорофилла в листьях оказали все испытуемые гормоны, но наибольшее отмечено для кинетина, наименьшее -гиббереллина. Например, на сорте Нерусса, обработанном кинетином, содержание хлорофилла в листьях увеличилось на 17%, то есть вдвое по сравнению с контролем и на 50% по сравнению с зараженными ВОМФ.
