CC BY
34
УДК 579.26
АРЕАЛ И ПРЕДСТАВЛЕННОСТЬ МИКРОМИЦЕТОВ РОДА FUSARIUM В ЛЕСНЫХ ПИТОМНИКАХ СРЕДНЕЙ И ЮЖНОЙ СИБИРИ
Ю.А. Литовка, Т.В. Рязанова
ФГБОУ ВО Сибирский государственный технологический университет, Россия, 660049, Красноярск, пр. Мира, 82, e-mail: litovkajul@rambler.ru
Представлены результаты комплексного исследования микромицетов рода Fusarium в лесных питомниках Средней и Южной Сибири; изучен их ареал, частота встречаемости и видовой состав с учетом молекулярно-генетических методов. Фитопатогенный комплекс представлен тринадцатью видами: Fusarium acuminatum, F. avenaceum, F. dimerum, F. equiseti, F. heterosporum, F. oxysporum, F. redolens, F. sambucinum sensu lato, F. semitectum, F. solani, F. sporotrichioides, F. tricinctum и G.fujikuroi (F. proliferatum и F. subglutinans). Доминирующее положение в большинстве изученных экотопов занимает вид F.sporotrichioides, типичными частыми являются представители комплекса видов F.oxysporum, F.solani и Gibberella fujikuroi. Виды, обнаруженные в сибирском регионе, широко специализированы, обитают в зоне корневой системы и семенном материале тех пород хвойных, которые произрастали в лесных питомниках на момент исследования. Большинство сибирских штаммов были выделены из ризосферы, корневой системы и семян Larix sibirica L. и Pinus sylvestris L.
Ключевые слова: Fusarium, фитопатогенные грибы, частота встречаемости, лесные питомники, сеянцы хвойных
пород
The aim of this research is to study of phytopathogenic complex of Fusarium species in soil and plant material from forest nurseries of Central and Southern Siberia and to investigate their habitat, frequency of occurrence and species composition based on molecular genetic methods.
Phytopathogenic complex is represented by thirteen species: Fusarium acuminatum, F. avenaceum complex, F. dimerum, F. equiseti, F. heterosporum, F. oxysporum complex, F. redolens, F. sambucinum sensu lato, F. semitectum, F. solani complex, F. sporotrichioides, F. tricinctum and Gibberella fujikuroi complex (F. proliferatum and F. subglutinans). Only four species found throughout the study area: Fusarium sporotrichioides is the dominant; F. oxysporum complex, F. solani complex and G.fujikuroi complex - typical frequent. The species found in Central and Southern Siberia is widely specialized, they live in the zone of the root system and seed material of those species of conifers that grow in the forest nurseries at the time of the study. Most siberian strains were isolated from the rhizosphere, roots and seeds of Larix sibirica L. and Pinus sylvestris L.
Keywords: Fusarium, phytopathogenic fungi, the frequency of occurrence, forest nurseries, coniferous.
ВВЕДЕНИЕ
Грибы рода Fusarium широко распространены в природе, большинство из них является факультативными паразитами, которые ведут сапрофитный образ жизни и переходят к различной степени паразитизма только при определенных условиях. Их действие на растения определяется совокупностью патогенных свойств, существенно варьирующих у различных видов в силу высокого уровня природного полиморфизма. Гетерогенность природных популяций грибов формируется под влиянием комплекса абиотических и биотических факторов, что способствует приобретению ими характерных признаков и формированию экотипа со специфическими особенностями развития и культурально-морфологическими свойствами. Наличие внутривидового полиморфизма и особенности почвенно-климатических условий региона способствуют отбору экологически пластичных и высоко патогенных популяций. Занимая доминирующее положение в структуре фитопатогенного комплекса, они способны вытеснять виды, обладающие случайной и низкой степенью встречаемости, а также слабо выраженными патогенными свойствами (Дурынина, Великанов, 1984; Дьяков, 1998).
Микромицеты рода Fusarium являются основными возбудителями инфекционного полегания сеянцев хвойных в лесных питомниках. Стремительному развитию заболевания способствуют высокая концентрация растений на единице площади; неблагоприятные климатические условия и высокий инфекционный пул в почве и семенном материале, что может привести к развитию массовых эпифитотий фузариоза. Для эффективного ограничения развития заболевания и увеличения выхода стандартного посадочного материала необходимо проводить комплексное изучение этой группы грибов по нескольким направлениям: оценка биологического разнообразия и внутривидовой изменчивости доминирующих видов; определение структуры фитопатогенного комплекса и уровня токсигенности наиболее значимых видов; разработка профилактических мероприятий с учетом условий конкретного географического региона. Следует отметить, что описание видов рода Fusarium, распространенных на территории России, касается преимущественно ее европейской и дальневосточной частей, тогда как сведения об их видовом составе и ареале на территории Сибири малочисленны. В связи с чем, целью настоящего исследования было оценить биораз-
нообразие и представленность грибов рода Fusarium в лесных питомниках, расположенных на территории Средней и Южной Сибири.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводили в период с 1999 по 2013 годы в лесных питомниках, расположенных в четырёх лесорастительных зонах Средней Сибири (Красноярский край) и одной лесорастительной зоне Южной Сибири (Республика Тыва). Объектами исследования служили семена хвойных пород, корневая система сеянцев первого-второго годов вегетации и образцы ризосферной почвы. Выделение грибов из ризопланы осуществляли методом водных смывов; из ризосферной почвы - методом разведений; из семян и корневой системы - методами накопления во влажной камере и раскладки образцов на селективные питательные среды (Методы..., 1982; Гагкаева и др., 2011; Nelson et al, 1983; Methods of., 1992; Leslie, Summerell, 2006). Значимость отдельных видов в почве оценивали с использованием критерия пространственной и временной частот встречаемости (Методы., 1991). Видовую принадлежность моноспоровых культур определяли по таксономической системе П. Нельсона (Nelson et al.,, 1983), корректируя современные изменения таксономии по Дж. Лесли (Leslie, Summerell, 2006). Видовую идентификацию подтверждали, используя молекулярно-генетические методы, - секве-
нирование ДНК и ПЦР с видоспецифичными прай-мерами.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Нашими многолетними исследованиями установлено, что в лесных питомниках на территории Сибири в первый год вегетации сеянцев происходит два пика инфекционного полегания: первая вспышка заболевания наблюдается в конце мая - середине июня; вторая (при недостаточном одревеснении стеблей) -в конце августа - начале сентября. Такая динамика заболевания сеянцев различных пород хвойных была отмечена в большинстве обследованных питомников в период 1999 - 2010 гг., при этом индекс распространения заболевания в среднем составил 25 %, а в отдельные годы до 65 % (Громовых и др., 2005; Литовка, Громовых, 2008). Мониторинговые исследования почвы ризосферы, корневой системы сеянцев и семенного материала позволили установить, что микроскопические грибы рода Fusarium являются постоянными обитателями изученных экотопов, однако их представленность существенно варьирует. На селективных средах было выделено 517 изолятов, которые в ходе проведенной идентификации были отнесены к 13 видам из 9 секций (таблица 1), при этом 45 % штаммов были изолированы из корневой системы больных сеянцев, 35 % - из ризосферной почвы, 20 % - из семян.
Таблица 1 - Виды рода Fusarium, распространенные в лесопитомниках Средней и Южной Сибири
Объект выделения
№ п/п Вид количество почва изолятов ризосферы корневая система доля вида, % семена
I. Секция Eupionnotes
1 Fusarium dimerum Penzig 11 70 17 13
II. Секция Sporotrichiella
2 Fusarium sporotrichioides Sherbakoff 125 33 49 18
3 Fusarium tricinctum (Corda) Saccardo 19 86 0 14
III. Секция Roseum
4 Fusarium avenaceum complex 35 17 73 10
IV. Секция Arthrosporiella
5 Fusarium semitectum Berkeley&Ravenel 35 43 32 25
V. Секция Discolor
6 Fusarium heterosporum Nees ex Fries 18 76 17 7
7 Fusarium sambucinum sensu lato 31 33 45 22
VI. Секция Gibbosum
8 Fusarium acuminatum Ellis & Everhart 16 11 24 65
9 Fusarium equiseti (Corda) Saccardo 33 78 6 16
VII. Секция Liseola
10 Gibberella fujikuroi complex 49 11 74 15
VIII. Секция Elegans
11 Fusarium oxysporum complex 78 27 41 32
12 Fusarium redolens Wollenweber 12 13 75 12
IX. Секция Martiella
13 Fusarium solani complex 55 23 61 16
Всего изолятов 517
Виды рода Fusarium, распространенные в лесных питомниках, можно подразделить на 4 условные группы по их локализации в различных экологических нишах: 1. комплексы видов Fusarium avena-ceum, Fusarium solani, Gibberella fujikuroi и вид Fusarium redolens были обнаружены преимущественно в корневой системе больных сеянцев; 2. вид Fusarium acuminatum - в семенном материале; 3. виды Fusarium dimerum, Fusarium equiseti, Fusarium tricinctum и Fusarium heterosporum - в ризосферной почве; 4. виды Fusarium sporotrichioides, Fusarium semitec-tum, Fusarium sambucinum sensu lato и комплекс видов Fusarium oxysporum - регулярно выделяли из
растительных остатков, семян и почвы ризосферы сеянцев хвойных, что позволяет рассматривать эти источники их естественным инфекционным резервуаром.
Среди видов, обнаруженных в исследуемом материале, доминирующее положение занимают представители F.sporotrichioides, доля которых составила 24 % от всего комплекса микромицетов рода Fusarium. На долю комплекса видов F. oxysporum, F.solani и G.fujikuroi приходится соответственно 15, 11 и 9 %; представленность остальных видов находится в пределах 2-7 % (рисунок 1).
Рисунок 1 - Соотношение видов рода Fusarium, распространенных в лесных питомниках Средней и Южной Сибири
Известно, что грибы рода Fusarium обладают достаточно широкой специализацией, в том числе филогенетической и органотропной; некоторые виды являются главной причиной возникновения эпифитотий сеянцев хвойных в лесопитомниках различных географических зон. Виды, описанные нами на территории сибирского региона, также широко специализированы и обитают в зоне корневой системы и семенном материале тех пород хвойных, которые произрастали в лесных питомниках на момент исследования. Большинство сибирских штаммов были выделены из ризосферы, корневой системы и семян Larix sibirica и Pinus sylvestris - 28 и 27 % соответственно; в меньшей степени штаммы обнаруживались в аналогичных экологических нишах Picea obovata и Pinus sibirica - 23 и 22 % соответственно.
Соотношение видов, выделенных из ризосферы, корней и семян лиственницы сибирской, представлено следующим образом: в ризосферной почве в большей степени присутствовали виды F.equiseti, F.tricinctum и F.heterosporum, доля которых состави-
ла 77-83 % от общего количества изолятов. Следует отметить, что вид F.dimerum был выделен только из почвенных образцов ризосферы лиственницы, однако количество изолятов было чрезвычайно мало. В корневой системе доминировали виды F.avenaceum, F.solani и представители комплекса G.fujikuroi (6067 %); в семенном материале максимальной представленностью (70 %) обладал единственный вид F.acuminatum (рисунок 2).
В ризосферной почве Pinus sylvestris доля видов F.equiseti, F.semitectum, F.tricinctum и F.heterosporum составила 50-75 %. В корневой системе сеянцев сосны наиболее часто присутствовали виды F.sporotrichioides, F.solani, F.redolens, F.avenaceum и представители комплекса G.fujikuroi (52-79 %). В семенном материале чаще других обнаруживался вид F.oxysporum, доля которого составила 38 % от общего количества штаммов (рисунок 3). В прикорневой зоне Picea obovata преимущественно встречались виды F.dimerum, F.equiseti, F.heterosporum и F.tricinctum - их доля составила от 50 до 75 %. В корневой системе пора-
женных сеянцев ели доминировали виды F.redolens, G.fujikuroi и F.avenaceum (75-100 %); в семенном материале представленность видов рода Fusarium была существенно меньше по сравнению с ризос-ферной почвой и корневой системой (рисунок 4). В ризосфере Pinus sibirica L. наиболее часто присутствовали виды F.dimerum, F.equiseti, F.heterosporum
и F.tricinctum - на их долю приходится от 71 до 100 % изолятов от общего количества выделенных; в ризоплане сеянцев сосны сибирской широко представлены виды F.sporotrichioides, F.solani, G.fujikuroi и F.avenaceum (53-83 %); в семенном материале чаще других встречались представители вида F.oxysporum (33 %) (рисунок 5).
i ризосферы ■ корневая система
Рисунок 2 - Представленность видов рода Fusarium в ризосфере, ризоплане и семенах Larix sibirica
Доминирующий вид F. sporotrichioides чаще и F.sporotrichioides широко представлены во всех
выделялся из почвы, корневой системы и семян изученных экотопах, тогда как представители ком-
Pinus sibirica и Larix sibirica, остальные виды - из плексов видов F.solani и G.fujikuroi - преимущественно
Pinus sylvestris. Представители видов F.oxysporum в корневой системе больных сеянцев.
Рисунок 3 - Представленность видов рода Fusarium в ризосфере, ризоплане и семенах Pinus sylvestris
Рисунок 4 - Представленность видов рода Fusarium в ризосфере, ризоплане и семенах Picea obovata
iризосферы ■корневая система ЕЗсемена Firnis sibirica Рисунок 5 - Представленность видов рода Fusarium в ризосфере, ризоплане и семенах Pinus sibirica
Анализ географического распространения грибов рода Fusarium в почвах лесных питомников Средней и Южной Сибири показал, что максимальное количество видов (10) выявлено в зоне травяных лесов с островами лесостепи, что, вероятно, обусловлено наиболее благоприятным сочетанием почвенно-климатических факторов для развития этой группы микромицетов. Доминирующее положение в структуре фитопатогенного комплекса занимает вид F. sporotrichioides; вид F. oxysporum является типичным частым; виды F. sambucinum, F. semitectum, F.solani и G.fujikuroi - типичными
редкими; остальные виды - случайными. В зоне островных лесостепей и степей фитопатогенный комплекс представлен девятью видами, из которых доминирующее положение также занимает F. sporotrichioides; типичными редкими являются виды F. oxysporum, F. sambucinum, F. semitectum и G.fujikuroi; остальные виды - случайные. В самой северной из изучаемых лесорастительных зон - южной тайге -распространены 6 видов рода Fusarium, при этом ни один из них не являлся доминирующим. К типичным частым относятся виды F. sporotrichioides, F. oxysporum и F. solani; остальные виды по сово-
купности пространственной и временной частот встречаемости были отнесены к случайным (рисунок 6, таблица 2).
На юге Красноярского края в зоне горно-черневой темнохвойной тайги из восьми обнаруженных видов рода Fusarium ни один вид не является доминирующим; F. sporotrichioides характеризуется как типичный
частый; виды К equiseti, F oxysporum и Е^о1ат -типичные редкие, остальные виды - случайные. В Южно-Сибирской горной зоне (Республика Тыва) в структуру фитопатогенного комплекса входят восемь видов, из которых типичными частыми являются К.oxysporum и Fsporotrichioides•; типичным редким -К. equis•eti; остальные виды - случайные.
iww ÄÄÄft
---- ----
---- --------- ----- --------- ----
-------- -----
ш ш
щи
щ
***** w***
южная тайга травяные леса островные горно-черневая южно сибирская
лесостепи тайга горная зона
100% 90% 80% 70% я 60%
3 50% : -
4 40% 30% 20% 10% 0%
В F. acuminatum avenaceum
Ш F, heterosporum Di7, anysporum
□ F, semitectum solani
□ G. fiijikuroi
Bf. dimerum BF, equiseti
В F. redo!еж sF. sambucinum
□ sporotrichioides öF. meine tum
Рисунок 6 - Видовой состав грибов рода Fusarium в лесопитомниках лесорастительных зон Средней и Южной Сибири
Таким образом, на изучаемой территории при движении с севера на юг отмечено изменение видового состава и значимости отдельных видов в структуре комплекса грибов рода Fusarium. В северных лесных питомниках (зона южной тайги) видовой состав наиболее скуден и представлен шестью видами; доминирующие виды отсутствуют; типичными частыми являются виды, широко распространенные и в других лесорастительных зонах; случайные виды F.dimerum и F.redolens характерны исключительно для этой лесорастительной зоны.
В южных лесопитомниках (горно-черневая темнохвойная тайга и Южно-Сибирская горная тайга) видовой состав представлен восемью видами; доминирующие виды также отсутствуют; появляется новый вид К.аситта^т, который не был обнаружен в других лесорастительных зонах; увеличивается значимость вида К. equiseti.
В центральных лесных питомниках видовой состав практически идентичен, за исключением вида F.tricinctum, не обнаруженного в зоне островных лесосте-пей; доминирующим видом является F.sporotrichioides.
Таблица 2 - Пространственно-временная встречаемость (%) и значимость видов рода Fusarium в лесных питомниках Средней и Южной Сибири
лесо-растительные
Травяные леса с островами лесостепи
Островные лесостепи и степи
Южная тайга
Горно-черневая темнохвойная тайга
Южно-Сибирская горная зона
зоны виды Fusarium частота частота частота частота частота
встречае- значимость встречаемо- значимость встречае- значимость встречаемо- значимость встречаемо- значимость
мости сти мости сти сти
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
F. acuminatum 0 / 0 0 / 0 - 0 / 0 - 16.7/20.0** случайный 20.0 / 25.0 случайный
F. avenaceum complex 6.9 / 9.6 случайный 7.0 / 11.5 случайный 0 / 0 - 8.3 / 13.7 случайный 0 / 0 -
F. dimerum 0 / 0 - 0 / 0 - 16.5 / 22.5 случайный 0 / 0 - 0 / 0 -
F. equiseti 20.0 / 20.0 случайный 14.3 / 16.7 случайный 0 / 0 - 22.2 / 33.3 типичный редкий 25.3 / 33.3 типичный редкий
F. heterosporum 11.4 / 19.0 случайный 7.9 / 11.6 случайный 0 / 0 - 0 / 0 - 0 / 0 -
F. oxysporum complex 30.1 / 34.0 типичный частый 25.3 / 36.7 типичный редкий 45.5 / 33.3 типичный частый 11.6 / 33.3 типичный редкий 36.4 / 33.3 типичный частый
Окончнание таблицы
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
F. redolens 0 / 0 - 0 / 0 - 14.30 / 20.0 случайный 0 / 0 - 0 / 0 -
F. sambucinum complex 21.0 / 45.0 типичный редкий 15.0 / 35.0 типичный редкий 0 / 0 - 0 / 0 - 0 / 0 -
F. semitectum 23.0 / 38.0 типичный редкий 19.0 / 34.0 типичный редкий 0 / 0 - 5.0 / 17.0 случайный 20.0 / 25.0 случайный
F. solani complex 17.6 / 37.5 типичный редкий 17.6 / 21.3 случайный 45.5 / 33.3 типичный частый 20.0 / 46.7 типичный редкий 20.0 / 25.0 случайный
F. sporotrichi-oides 62.6 / 67.7 типичный доминирующий 60.5 / 64.3 типичный доминирующий 32.0 / 35.0 типичный частый 33.4 / 49.0 типичный частый 36.4 / 35.0 типичный частый
F. tricinctum 18.2 / 20.0 случайный 0 / 0 - 0 / 0 - 0 / 0 - 17.6 / 25.0 случайный
G. fujikuroi complex 10.4 / 33.3 типичный редкий 17.6 / 33.3 типичный редкий 14.4 / 25.0 случайный 20.0 / 25.0 случайный 20.0 / 25.0 случайный
Примечание: * - вид не обнаружен; ** пространственная частота встречаемости /временная частота встречаемости
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Многолетними исследования микобиоты установлено, что микромицеты рода Fusarium являются типичными обитателями лесных питомников, расположенных на территории Средней и Южной Сибири. Применение морфолого-культуральных и молекулярно-генетических методов позволило идентифицировать 13 видов: F. acuminatum, F.avenaceum, F. dimerum, F. equiseti, F. heterosporum, F. oxysporum,
F. redolens, F. sambucinum sensu lato, F. semitectum, F. solani, F. sporotrichioides, F. tricinctum и G.fujikuroi (Fproliferatum и F.subglutinans).
Только 4 вида рода Fusarium из 13 встречаются в лесопитомниках всех исследуемых лесораститель-ных зон: F. sporotrichioides, F. oxysporum, F. solani и
G. fujikuroi, однако значимость их существенно различается, что, вероятно, обусловлено особенностями выращивания растений в отдельных почвенно-клима-тических регионах, наличием инфекционного пула в ризосфере и ризоплане, а также наличием / отсутствием конкурентной микрофлоры. Вид F. sporotrichioides доминирует в лесных питомниках центрального района и является типичным частым - в северных и южных питомниках; F. oxysporum входит в число типичных видов на всей исследуемой территории; F. solani является типичным частым только в зоне южной тайги. Представители комплекса G. fujikuroi являются типичными редкими в лесопитомниках, расположенных в двух лесорастительных зонах - травяные леса и островные лесостепи, при этом в центральной части исследуемого региона преимущественно выделяется вид F.subglutinans, а в южных лесопитомниках -F.proliferatum.
Проведенное исследование ареала микромицетов рода Fusarium с учетом их широкой представленности в различных экотопах, включая корневую систему больных растений, дает основание считать эти виды потенциально опасными для возникновения инфекционного полегания сеянцев хвойных в лесных
питомниках Средней и Южной Сибири в настоящее время. Однако для доказательства ведущей роли отдельных видов в патогенезе необходимы дополнительные исследования их фитопатогенных свойств.
Потенциально не опасными в исследуемом регионе следует считать виды F. dimerum, F. heterosporum и F. tricinctum, поскольку они редко выделяются из патологического материала, а их частота встречаемости в почве невелика.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Дурынина, Е.П. Почвенные фитопатогенные грибы / Е.П. Дурынина, Л.Л. Великанов. - М.: МГУ, 1984, С. 20-90. Дьяков, Ю.Т. Популяционная биология фитопатогенных грибов / Ю. Т. Дьяков. - М.: Изд. дом. «Муравей», 1998. - 382 с.
Методы экспериментальной микологии / под ред. В. И. Би-
лай. - Киев: Наукова думка, 1982. - 550 с. Гагкаева, Т. Ю. Фузариоз зерновых культур / Т. Ю. Гагкае-ва, О. П. Гаврилова, М. М. Левитин, К. В. Новожилов // Приложение к журналу «Защита и карантин растений», 2011. - № 5. - С.70-112. Nelson, P.E. Fusarium spesies: an illustrated manual for identifications / P.E. Nelson, T.A.Toussoun, W.F.O. Marasas // The Pennsylvania State University Press, 1983. - 193 p. Methods for research on soil borne phytopathogenic fungi / Edited by L.L. Singleton, J.D. Mihail, C.M. Rush. - St. Paul, Minnesota: APS Press, 1992. - 264 p. Leslie, J. F. The Fusarium laboratory manual / J. F. Leslie,
B. A. Summerell. - USA: Blackwell Publishing, 2006. -388 p.
Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред.
проф. Д.Г. Звягинцева. - М.: Изд-во МГУ, 1991. - 303 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.-264 с. Литовка, Ю.А. Видовой состав и патогенность грибов рода Fusarium на сеянцах хвойных пород в лесных питомниках Средней Сибири / Ю. А. Литовка, Т. И. Громовых // Микология и фитопатология. - Т. 42. - Вып. 1. - 2008. -
C. 35 - 42.
Поступила в редакцию 05.09.13 Принята к печати 26.05.14
