Энзимо- микозное истощение зерна (ЭМИС) – Симптомы и диагностика

Энзимо-Микозного Истощения Семян может возникнуть на любом этапе развития и созревания зерна – в фазу цветения, молочной, восковой и полной спелости.

Разработана диагностика бессимптомной и симптомной энзимной и микозной стадии ЭМИС в фазы цветения, формирования, молочной, восковой и полной спелости (М.С.Дунин, С.К.Темирбекова, 1978; С.К.Темирбекова,, 2000, 2008).

Фаза цветения

Бессимптомный (инкубационный) период болезни, когда под воздействием увлажнения (дождь, роса, сырой туман) лодикул, генеративных органов (мужских и жен-ских структур) происходит гидролиз крахмала, белков в перечисленных органах без проявления видимых симптомов. Диагностировать данную стадию можно по:

1. Усилению дыхания увлажненных лодикул, генеративных органов по сравнению с интактным контролем.

2. Активации ферментных систем с последующими потерями сухого вещества увлажненных и неувлажненных лодикул и генеративных органов.

Симптомы:

3. При интенсивном поражении – появление на лодикулах, генеративных органах сладковатого экссудата, вследствие гидролиза углеводов, белков, липидов и обусловленного продуктами гидролиза повышения осмотического и гидростатического давления в клетках названных органов.

Микросимптомы:

4. Нарушение целостности структуры крахмальных зерен в результате ферментативного гидролиза, которое обнаруживается при микроскопическом изучении проб больных органов.

5. При интенсивном развитии болезни образуются невидимые невооруженным глазом трещины в генеративных органах и лодикулах . Это сопровождается изменением их формы, как бы разбуханием и размягчением клеток лодикул, тычинок, пыльников, рыльца и завязи.

Фаза формирования и молочной спелости

Бессимптомный (инкубационный) период болезни в энзимной стадии в фазу формирования и молочной спелости диагностируется в зерновке же критериям (п. 1-5), боле того, замечается:

6. Потери сухого вещества из расчета на 1000 зерен по сравнению с контролем и дуплистость зерновки .

7. Появление на колосьях или зернах сладковатого или сладкого экссудата «медвяной росы».

Особенно следует отметить, что этот диагностический ценный симптом «экссудат» аналогичен «медвяной росе» на колосьях ржи, тритикале при ее заражении спорыньей, но резко отличается отсутствием характерных для нее одноклетных бесцветных спор. К тому же и само заражение спорыньей встречается у пшеницы, как правило, лишь в единичных случаях (что имело место на яровой пшенице в 2008 г.) в отличие от почти повсеместного распространения энзимо-микозного истощения зерна.

3. Микросимптом – нарушение целостности структуры крахмальных зерен, появление у них как бы «изгрызанных» краев в результате ферментативного гидролиза. Обнаруживается при микроскопическом изучении проб больных зерен.

4. При интенсивном развитии болезни появление сначала мелких, едва видимых невооруженным глазом, а затем более значительных, чаще продольных трещин оболочек зерна, что иногда сопровождается изменением ее формы, как бы разбуханием и размягчением под воздействием повышенного гидростатического давления главным образом в клетках эндосперма зерновки .

Трещины оболочек зерна пшеницы аналогичны разрывам оболочек зерен кукурузы при поражении ее «белью», сопровождающиеся развитием фузариоза ,а также разрывам (расщеплениям) верхней половины стручков крестоцветных растений под первичным воздействием влажной и теплой погоды и повышенной активности гидролитических ферментов.

Фаза восковой и полной спелости

Также, как и в фазу молочной спелости, болезнь при сухой погоде не возникает, но она может начаться, если наступит влажная (дожди, долго неспадающие росы и туманы) в фазу восковой спелости. В таких условиях патогенез сопровождается перечисленными симптомами 1-4.

В относительно более редких случаях болезнь может начаться при влажной и теплой погоде и развиваться ускоренно после наступления полной спелости пшеницы, до, во время жатвы и в ворохах намолоченного влажного хлеба. В таких условиях наряду с бессимптомными явлениями (1-5) появляются «смягченные» симптомы (п. 2-3), а также резко выраженный внешний симптом (п. 4) – открытые трещины на зерне . При выпадении даже небольших осадков в фазу полной спелости убранное зерно содержит в себе открытое биологическое травмирование на корню . В партиях товарного зерна такие зерна внешне не отличаются от здоровых, однако при микроскопировании нахождении влажного зерна на току имело место 1-я энзимная, неинфекционная стадия ЭМИС (биополимеры были разложены работой энзимов гидролиза и через трещины

В этих фазах появятся такие симптомы:

8. Черный зародыш зерна.

9. Снижение стекловидности зерен. Появление желтых пятен, просвечивающих через оболочки зерен (следствие очагового гидролиза крахмала в эндосперме).

10.Щуплость воздушно-сухого зерна из-за истощения его запасных питательных веществ.

Щуплость зерна в этом случае резко отличается от таковой при «суховейном захвате» зерна, так как обусловлена не дефицитом воды в воздухе и почве в сочетании с воздействием суховейных ветров, а развивается при достаточной и даже избыточной влажности воздуха и почвы во время созревания и (или) уборки урожая.

Щуплость зерна широко распространена также и как следствие поражения различными видами корневых гнилей и ржавчины. Но этот тип заболеваний без особого труда диагностируется по специфическим, морфологическим и другим признакам возбудителей. Столь же специфичны особенности диагностики и щуплости зерна, обусловленной некоторыми вредителями, такими как злаковые тли, трипсы, клопы-черепашки, гельминтозные «зерна» (галлы). К тому же в большинстве случаев она вызвана не каким-либо одним, а взаимодействием двух или нескольких факторов.

11. Самосогревание зерна с повышенной (некондиционной) влажностью в ворохах и зернохранилищах, а также под воздействием «очагов» в виде влажных (недозрелых) семян этой культуры и сорняков. Эти процессы представляют собой своеобразное продолжение и видоизменение патологической активизации гидролитических и окислительных ферментов, определяемой первыми двумя стадиями истощения зерна.

Таким образом, нам представилось возможным в названной нами энзимной стадии энзимо-микозного истощения зерна выявить биохимическую природу и установить, что оно возникает как результат нарушения обмена веществ у растений злаковых культур в условиях повышенной влажности и благоприятной температуры (+20…+30 °С) воздуха .

Установлена реактивация амилаз, протеаз в лодикулах, генеративных органах и зерне под влиянием повышенной влажности и относительно высокой температуры воздуха. Реактивация энзимов является обратимым биохимическим процессом и может возникать на любой фазе цветения, налива и созревания зерна.

Данные по способности сортов связывать свободную воду, по динамике накопления и деградации крахмала, изменению вязкости крахмала, потерям сухого вещества, а также данные технологических и хлебопекарных качествах позволили из исследованных сортов выявить устойчивые и восприимчивые сорта пшеницы к энзимной стадии ЭМИС.

Интересно отметить, что подавление синтеза белков и нарушение его структуры в зерне, наличие на поверхности цветков, зерновок продуктов гидролиза крахмала и белков, которым сопровождается энзимная стадия ЭМИС у восприимчивых сортов пшеницы, вызывает интенсивное развитие фитопатогена на колосьях – возбудителей альтернариоза, фузариоза, септориоза и кладоспориоза.

Таким образом, первопричиной болезни нарушения обмена веществ злаковых растений, наряду с фитопатогенными грибами, могут быть абиотические факторы. Тогда фитопатогены становятся вторичными и ответственны за развитие последующих изменений у растений, которые накладываются на отклонения, вызванные абиотическими факторами .

Следует отметить, что условия благоприятные для проявления действий абиотических факторов складываются значительно раньше, нежели для деятельности фитопатогенов. При влажных условиях погоды, начиная с фазы цветения, на растении в результате неинфекционных ферментативных процессов создается для грибов идеальный питательный субстрат. Макро-микротравмы, образующиеся при осмотическом и гидростатическом давлении служат «открытыми воротами» для внедрения фитопатогенов .

При каждом новом увлажнении колосьев и зерна, о чем свидетельствуют данные по потерям массы 1000 зерен, образуются новые «порции» продуктов гидролиза белка, углеводов и липидов, что является «свежей» и идеальной средой для грибов, активизирует метаболизм фитопатогенов, способствует дальнейшему разрушению зерна. В этих условиях у сапрофитного гриба отбираются паразитические биотипы.

Многолетними исследованиями установлено, что решающим фактором в развитии и прогрессировании микозной стадии ЭМИС является количество атмосферных осадков, относительная влажность воздуха, наличие обильных рос, сырых туманов, количество дождливых дней в фазу цветения, налива и созревания зерновых культур. Особо уязвимыми растения становятся в фазу цветения, начала формирования, молочной и полной спелости, так же, как и в энзимной стадии ЭМИС.

Определены симптомы для диагностики микозной стадии болезни на фоне энзимной в фазу цветения, молочной, восковой и полной спелости.

В фазу цветения диагностировать данную стадию можно по:

1. Интенсивному заселению тканей лодикул, тычинок, пыльников, рыльца завязи мицелием видов альтернариии, биполярис, кладоспориума, септории, фузариума (а также другими патогенами), иногда и токсичными штаммами стахиоботрис альтернанс. Обнаруживается при увеличении (400-4500) или выявляется общепринятыми фитопатологическими методами.

В фазу формирования и молочной спелости. Заражение фитопатогенами может начаться и с фазы формирования и молочной спелости при соответствующих условиях. Диагностируется по: заселению чешуи колосьев, а также поверхности и внутренних частей зерен видами альтернарии, биполярис, кладоспориума, септории, фузариума, а в некоторых случаях и токсигенными штаммами стахиоботрис альтернанс. Заселенность пленок колосьев, поверхности зерен и зараженность их внутренних тканей этими грибами при отсутствии внешних симптомов выявляется обычными фитопатологическими методами .

В фазу восковой и полной спелости диагностируется по: 1) появлению мицелиально-спорового налета на колосьях в виде черных точек, обособленных, сливающихся, черных, или темно-бурых, или розово-оранжевых пятен различных форм и размеров на пленках колосьев и на поверхности зерновок («грибная чернь», или «черная плесень», или альтернариоз, или кладоспориоз, или фузариоз, или септориоз).

3) интоксикации зерна как следствие заселения его токсигенными видами и штаммами, главным образом, фузариума, аспергиллюса, стахиботриса, альтернарии и некоторых других грибов. Для диагностики такого зерна (а также половы) можно применять токсикологические тесты скармливание подопытным животным, «глазная проба» (на кроликах) для обнаружения токсинов воспалительно-нарывного действия, проверка влияния токсинов на посевные качества семян и др.

Молекулярные методы для обнаружения Энзимо-Микозного Истощения Семян

Качественные изменения изоферментов α-амилазы у пшеницы при последействии энзимной стадии ЭМИС. Нами проведено изучение изоферментной структуры α-амилазы зерна пшеницы в фазу полной спелости и в период послеуборочного хранения с целью выявления качественных изменений фермента зерновки и в связи с последействием энзимной стадии ЭМИС и выявления возможности использования этого показателя в качестве критерия диагностики ЭМИС, а также проявления свойства устойчивости (Дунин, Темирбекова, Громова, 1990). Материалом для исследований служили девять сортов озимой пшеницы, контрастных по устойчивости к ЭМИС. Анализы проведены в фазу полной спелости и после шести месяцев хранения.

В наших исследованиях при анализе энзимограмм 9 контрастных по устойчивости к ЭМИС сортов зимой пшеницы выявлены значительные изменения активности α-амилазы у растений с поражением энзимной стадией ЭМИС (рис). Эти изменения связаны не только с количественной характеристикой активности, но и с качественными структурными изменениями фермента. У всех образцов в соответствии со степенью устойчивости к энзимной стадии ЭМИС наблюдается сильное или несколько меньшее понижение активности в изоферментах α-амилазы и изменение их числа, либо отсутствия такового.

В этих же исследованиях неустойчивые к энзимной стадии ЭМИС образцы имеют очень низкую ферментативную активность, то есть, очевидно, в результате создавшихся фенологических условий амилаза в зерне с поражением энзимной стадией ЭМИС израсходована на расщепление крахмала. При этом можно отметить разную степень инактивации фермента, а следовательно, и различную адаптацию растений на уровне амилаз к фенологическим условиям. Так, с определенностью можно сказать, что сортообразцы Ibis (ФРГ), Заря, Московская низкостебельная, Немчиновская 52 (РФ), Stufe (Швеция) устойчивы к энзимной стадии ЭМИС. Они имеют незначительные изменения спектра амилазы, в то время как у неустойчивых – Безостая 1, Альбидум 114 (РФ), Fackta (Германия), Полукарлик 3 (Украина) происходит почти полное исчезновение спектра амилазы и белка, что свидетельствует о глубоком нарушении структуры белков и ферментов при воздействии увлажнения в период цветения, налива и созревания.

Как показали исследования, в дальнейшем, в процессе созревания зерна и окончания полной спелости, а также в период послеуборочного хранения в течение 6 месяцев, нарушения структуры белков и ферментов не восстанавливаются. Это имеет определенное значение и в проявлении устойчивости или восприимчивости к микозной стадии ЭМИС.

Идентификация сортов зерновых культур устойчивые к Энзимо-Микозному Истощения Семян

В результате оценки генофонда пшеницы по предложенным нами симптомам выявлены устойчивые и толерантные образцы для использования в селекции в качестве исходного материала. Определена общая группа устойчивости к энзимной и микозной стадиям ЭМИС. При этом установлено, что сорта, устойчивые к факторам абиотического стрессора в энзимной стадии, будут устойчивы и к факторам биотического характера (возбудителям болезни и вредителям). К их числу относятся: Московская 39, Заря, Немчиновская 52, Немчиносвская 25, Янтарная 50, Немчиновская 24, Московская 56 (Московская обл.), Ровенская 31, Одесская 51, Мироновская 808 (Украина), Bersee (Франция), Compal, Tukan, Ibis, Bassard, Rektor, Hadm. 34496/75 (Германия), Kadav, FM-187, PP 1 14/73 (Польша), Bocquian (Бельгия) – озимая пшеница, Московская 35, Эстер, Приокская (Моск.обл.) – яровая пшеница, Восход 2, Альфа (Моск. обл.)- озимая рожь, Нур, Владимир (Моск. обл.), Зазерский 85 (Беларусь) – ячмень, Улов, Лев (Моск.обл.), Gambo (Нидерланды) – овес , Греммэ 2У (Моск. обл.) – полба голозерная, Алькоран (Моск. обл.) – спельта озимая и др.

Заключение и перспективы на будущее

Нами отмечено, что первопричиной болезней нарушения обмена веществ злаковых растений служат абиотические факторы. Фитопатогены становятся вторичными и ответственны за развитие последующих изменений у растений, которые накладываются на отклонения, вызванные абиотическими факторами. Следует отметить, что условия благоприятные для проявления абиотических факторов, складываются раньше, нежели для деятельности фитопатогенов. При влажных условиях погоды, начиная с фазы цветения, на растении в результате неинфекционных энзиматических процессов создается идеальный питательный субстрат для грибов. О том, что сами сорта (растения) представляют благоприятный субстрат для сапрофитных (Cladosporium, Alternaria) и полусапрофитных (Fusarium) грибов было отмечено Н.И. Вавиловым при возделывании туркестанских, персидских, восточных и южных сортов мягкой и твердой пшеницы во влажных условиях Московской области. Наши экспериментальные данные по изучению этиологии патогенеза комплексной болезни, как энзимо-микозное истощение семян, являются подтверждением теории Н.И. Вавилова об иммунитете культурных растений к различным заболеваниям. Нами определены симптомы для диагностики микозной стадии болезни на фоне энзимной в фазы цветения, молочной, восковой и полной спелости. В результате оценки генофонда зерновых культур по предложенным симптомам выявлены устойчивые и толерантные образцы для использования в селекции в качестве исходного материала. Нами установлено, что сорта устойчивые к факторам абиотического стресса в энзимной стадии, будут устойчивы и к факторам биотического характера (возбудителям болезней). Это обстоятельство является одним из наиболее важных для фитопатологов, с которым приходимся считаться, прежде всего, при селекции растений на устойчивость к заболеваниям.

Материал статьи подготовлен на основе материалов, любезно предоставленных доктором биологических наук, С.К.Темирбековой