Микробиота семян яровой пшеницы, выращенной в контрастных агроклиматических условиях Тюменской области
Тюменская область является зернопроизводящим регионом России. В структуре посевов зерновых культур на долю основной продовольственной культуры — яровой пшеницы — приходится 62% (400 тыс. га), на долю ярового ячменя — 20% (130 тыс. га), доля овса составляет 16% (106 тыс. га), значительно меньшие площади занимают озимые: пшеница, рожь и тритикале.
Посевы зерновых культур располагаются в южной части области в четырех почвенно-климатических зонах: тайге (I), подтайге (II), северной (III) и южной лесостепи (IV) низменности.
Климат Тюменской области континентальный, характеризуется суровой продолжительной зимой, относительно коротким теплым летом, переходными сезонами (6–7 недель) с поздними весенними и ранними осенними заморозками.
Агрометеорологические параметры значительно варьируют по годам: разница в температуре воздуха вегетационного периода между прохладными и жаркими годами составляет 4–5 °С, количество осадков во влажный и сухой сезоны вегетации различается в 2–5 раз. В соответствии с глобальной тенденцией отмечается потепление климата в регионе.
Районы северной лесостепи характеризуются наиболее благоприятными условиями для возделывания зерновых культур. В подтаежной зоне Тюменской области при наличии хорошей влагообеспеченности и освещенности недостаточно содержится в почвах элементов питания, отмечается кислая реакция почвенного раствора, недостаток суммы активных температур.
В южной лесостепи достаточно тепла, однако низкая влагообеспеченность и наличие солонцовых почв затрудняют эффективное возделывание яровой пшеницы.
Урожайность сельскохозяйственных культур во многом зависит от качества посевного материала. Важным этапом оценки качества семян является фитопатологическая экспертиза — определение количественного и качественного состава патогенов, передающихся с посевным материалом.
Патогенная микробиота семенного зерна может вызывать гибель проростков и всходов, корневые гнили, уменьшение продуктивной кустистости, ослабление растений и, как следствие, приводить к снижению урожайности и качества зерна нового урожая.
Некоторые грибы и бактерии производят токсичные вторичные метаболиты, которые накапливаются в зараженных зернах и сохраняются в продуктах переработки, что приводит к различным проблемам со здоровьем у людей и животных.
Результаты фитопатологической экспертизы, проводимой ежегодно специалистами ФГБУ «Россельхозцентр», показывают, что зараженность болезнями семян зерновых культур в последние годы находится на уровне 32% (среднее 2018–2022 по РФ). Доля семян, зараженных альтернариозом, составляет в среднем 18,4%, гельминтоспориозом — 5,8%, плесневыми грибами — 3,7%, фузариозом — 2,6%, септориозом — 0,7%, бактериальная инфекция обнаруживается у 0,5% семян. Отмечается инфицированность зерна твердой головней, сетчатой пятнистостью ячменя, красно-бурой пятнистостью овса и др.
Семена яровой пшеницы по сравнению с яровым ячменем и овсом в большей степени подвержены заражению грибами Fusarium spp. (3,4% против 1,7% и 2,1%), Parastagonospora spp. (0,98% против 0,34% и 0,28%) и Alternaria spp. (19,9% против 17,0% и 18,4%); в семенных партиях ярового ячменя относительно яровой пшеницы и овса фиксируется более высокая инфицированность грибами Bipolaris spp. (8,4% против 4,7% и 4,3%) и бактериями (0,66% против 0,48% и 0,36%).
Наблюдается широкий разброс показателей зараженности семян болезнями по субъектам РФ и в различных партиях зерна. В Тюменской области в отдельные годы регистрируются повышенные уровни заражения семян яровой пшеницы альтернариозом (например, в 2022 г. — 47,5%, в 2020-м — 38,0%, в 2018-м — 40,0%). Максимальные показатели зараженности различными болезнями в отдельных партиях зерна могут достигать 90–100%.
Анализ широты экологических ниш разных фитопатогенов на семенах яровой пшеницы по зонам Тюменской области показал, что в подтаежной зоне доминирует заражение семян Alternaria spp. (46,4%), затем в убывающем порядке идут Fusarium spp. (9,3%), бактериальная микрофлора (4,4%), Helminthosporium spp. (2,4%) и плесневые грибы (2,4%).
В лесостепной зоне преобладают Alternaria spp. (47,2–54,1%), затем следуют Helminthosporium spp. (13,4–29,8%), Fusarium spp. (5,3–5,4%), плесневые грибы (3,7–4,7%) и бактерии (2,0–2,8%).
Многолетний опыт проведения микологического анализа зараженности зерна показывает, что грибы рода Alternaria всегда были наиболее многочисленными представителями микобиоты во всех зерносеющих регионах страны. При оценке фитосанитарных качеств семян яровой мягкой пшеницы из хозяйств Западной Сибири в 2013–2021 гг. замечена тенденция увеличения доли партий, зараженных видами грибов из рода Fusarium.
Микроорганизмы, заселяющие зерно, различаются по своей патогенности, поэтому важна не только степень инфицированности, но и состав патогенов. Отмечено, например, что семена, несущие в себе инфекционное начало Alternaria, обычно имеют хорошую всхожесть и дают здоровые проростки, в отличие от семян, зараженных грибами других родов (Fusarium, Cochliobolus и др.). Иногда отмечается даже слабое положительное влияние видов Alternaria на качество семян зерновых культур.
В некоторых случаях внутренняя альтернариозная инфекция угнетает прорастание семян, ослабляет всходы или приводит их к гибели. Причиняемый ущерб оценивается по-разному, вероятно, из-за того, что грибы этого рода представляют собой неоднородную группу. В случае Fusarium такие виды, как F. graminearum или F. culmorum, считаются более агрессивными, чем F. poae.
Состав микробного сообщества, колонизирующего зерна пшеницы, динамичен из-за влияния природных и антропогенных факторов. Зачастую решающую роль в том, кто из представителей микробиоты получит преимущество, играют складывающиеся условия окружающей среды. Например, при исследовании распространения Fusarium spp. и Alternaria spp. на топографически неоднородном поле пшеницы (холмы, впадины) установлено, что количество спор фузариевых грибов было выше в местах с более влажным и прохладным микроклиматом, отложение же спор Alternaria не коррелировало ни с одним из микроклиматических условий и было более равномерным по полю.
Сорта пшеницы различаются по устойчивости к фузариозу зерна. В то же время сортовые особенности пшеницы и культура-предшественник практически не влияют на зараженность зерна видами Alternaria. Выявление закономерностей заражения растений патогенами в изменяющихся условиях (годовые колебания погодных условий, изменения технологии возделывания культур) является актуальной задачей настоящего времени.
Климатические изменения, участившиеся в последние годы экстремальные погодные явления, интенсификация сельского хозяйства повлияли не только на адаптацию растений к условиям среды и качество семян, но и привели к негативным фитосанитарным последствиям, ухудшению состояния семенной инфекции. Меняется ареал вредных организмов (продвижение на север), повышается опасность «заселения» фитоценозов биообъектами, которые раньше не могли здесь развиваться.
В последние годы на территории Уральского региона отмечено массовое появление одного из наиболее агрессивных патогенов зерновых культур — F. graminearum.
Сроки проведения фитоэкспертизы зерна влияют на результаты выявления зараженности и видового состава патогенных микромицетов. В процессе хранения происходит естественное оздоровление семян; микотоксины сохраняются в зерне гораздо дольше, чем сам гриб.
Экологизированным способом защиты семян пшеницы является использование биофунгицидов, в том числе в сочетании со сниженной нормой химического протравителя. Данный способ позволяет достаточно эффективно предотвратить развитие гельминтоспориоз-фузариозных корневых гнилей яровой пшеницы.
При оценке необходимости предпосевной обработки семян и подборе средств защиты посевов учитывают не только результаты фитоэкспертизы семян, но и почвенно-климатические особенности региона, систему обработки почвы, предшественник, погодные условия и сроки сева, восприимчивость сорта к конкретным патогенам, экономическую эффективность.
Цель исследования — провести анализ микрофлоры семян пшеницы, выращенной в разных агроклиматических условиях Тюменской области, выявить сортовые различия по зараженности болезнями.
Материалы и методы исследования
Проводили фитопатологическую экспертизу семян яровой мягкой пшеницы, выращенной на шести государственных сортоиспытательных участках (ГСУ) Тюменской области, расположенных в трех почвенно-климатических зонах: Нижнетавдинском, Аромашевском (II зона — подтайга), Ялуторовском, Омутинском, Ишимском (III зона — северная лесостепь), Бердюжском (IV зона — южная лесостепь). Всего проанализированы 78 образцов урожая 2015 года и 66 образцов 2016 года (табл. 1).
Отбор проб проводили по ГОСТ 12036-85.
Лабораторные анализы выполняли через 9 месяцев после уборки растений, использовали метод влажной камеры. Из среднего образца брали 100 зерен без отбора по внешним признакам. Для удаления поверхностной заспоренности зерна тщательно промывали проточной водопроводной водой с добавлением моющего средства (ПАВ), затем стерилизовали в 0,5%-ном растворе KMnO4 в течение 3 мин. После стерилизации зерна вновь промывали стерильной водой, раскладывали в чашки Петри на увлажненную двухслойную фильтровальную бумагу и помещали в термостат (ТС-1/80 СПУ, Смоленское СКТБ СПУ, Россия).
Чашки с анализируемыми образцами держали 7 сут. при температуре 25 ºС, после чего оценивали лабораторную всхожесть семян (%), зараженность семян болезнями (количество инфицированных патогеном зерновок, приходящихся на 100 семян образца (%), поражение проростков по 4-балльной шкале: 1 — здоровый проросток; 2 — точечные некрозы ткани; 3 — сильный некроз, значительное отставание в росте; 4 — полная гибель; рассчитывали показатель развития болезни проростков P (%) по ГОСТ 12044-93.
При оценке зараженности зерна фитопатогенами использовали стереомикроскоп (Stemi 508, Carl Zeiss, Германия) и световой микроскоп («Микмед-6», Lomo, Россия).
Статистический анализ данных проводили с использованием пакета Statistica (Stat Soft, США). При проверке статистических гипотез использовали критерий Манна — Уитни (Mann — Whitney U test), критерий Краскела — Уоллиса (Kruskal — Wallis ANOVA).
Критический уровень статистической значимости (р) принимали равным 0,05.
Результаты и обсуждение
Погодные условия в период исследования были контрастными по тепло- и влагообеспеченности. В 2015 году в летние месяцы средние показатели температуры воздуха были ниже нормативных значений на 0,8 °С, в 2016 г. превысили их на 1,7 °С (рис. 1). Летом 2015 года выпало максимальное количество осадков за 2005–2023 гг. (150% от нормы), наиболее увлажненным был июль. В 2016 году сумма выпавших осадков находилась на уровне среднемноголетних значений.
В 2015 году общая зараженность семян болезнями в среднем по всем исследуемым образцам составила 62,9%, показатель развития болезни проростков (Р) — 24,9%, лабораторная всхожесть семян — 91,3%.
В 2016 году инфицированность образцов семян патогенными микроорганизмами находилась на уровне 64,3%, Р — 27,0%, всхожесть семян — 89,8%.
При сравнении значений данных признаков статистически значимых отличий по годам исследования не выявлено.
Превалирующей болезнью семян являлся альтернариоз — инфицированность семенного материала грибами Alternaria spp. в 2015 г. составила 51,4%, в 2016-м — 47,6% (табл. 2), показатели не имели статистически значимых отличий. Частота встречаемости других представителей микробиоты семян была значительно ниже.
В первый год исследования наблюдалась более высокая зараженность исследуемых образцов фузариозом (4,8% против 1,6%) и бактериозом (5,7% против 0,7%), во второй год — гельминтоспориозом (7,1% против 2,6%) и плесневыми грибами (2,3% против 0,2%) (табл. 2).
Семена с альтернариозной инфекцией имели в среднем высокие показатели всхожести (95,4% и 92,8%, соответственно, по годам исследования) и низкий балл поражения проростков (1,3 балла — 2015 г., 1,4 балла — 2016 г.) (табл. 2).
В подавляющем большинстве случаев (76%) ростки и корни были без некротических изменений (рис. 2а, 2б), по длине и массе не отличались от проростков здоровых семян (1 балл) (табл. 3).
У фузариозных, гельминтоспориозных, бактериозных и плесневелых семян поражение проростков в среднем было существенно выше (2,3–2,6 балла — 2015 г., 2,0–2,8 балла — 2016 г.), а показатели всхожести значительно ниже (55,2–65,4% — 2015 г., 51,2–69,3% — 2016 г.) (табл. 2).
Грибы рода Fusarium, как правило, быстро росли во влажной камере и имели обильный воздушный мицелий розового, оранжевого, желтого или белого цвета в зависимости от вида патогена (рис. 2 г — е). Гриб B. sorokiniana образовывал компактные черные бархатистые колонии с обильным спороношением, распространяющимся на фильтровальную бумагу (рис. 2 ж — и).
Возбудителями плесневения семян чаще всего (в 64% случаев) являлись грибы рода Penicillium, формирующие быстрорастущие на субстрате колонии зеленого цвета (рис. 2к). Реже (в 36% случаев) на увлажненных зернах отмечалось развитие рыхлого зеленого налета грибов ода Aspergillus (рис. 2м).
В единичных случаях наблюдалось разрастание во влажной камере мукорового гриба, формирующего шаровидные спорангии, заметные невооруженным глазом (рис. 2л). Изредка из зерновок одновременно вырастали колонии Fusarium sp. иAlternaria sp. (рис. 2н), Alternaria sp. и Penicillium sp. (рис. 2о), Alternaria sp. и B. sorokiniana (рис. 2п).
Доля загнивших семян (4 балла), зараженных грибами рода Alternaria, была незначительной (7%) в выборке семян с данной инфекцией (табл. 3). На таких семенах наблюдалось обильное развитие мицелия гриба от светло-серого до темно-оливкового цвета с интенсивным спороношением или без него (рис. 2в).
При инфицировании грибами родов Fusarium, Bipolaris, Penicillium загнивало более трети семян, при бактериозе — более половины. В связи с очень высокой распространенностью альтернариоза абсолютное число загнивших альтернариозных семян превысило показатели, характерные для других семенных инфекций (табл. 3).
Альтернариоз семян встречался во всех исследуемых образцах. Доля семян, зараженных грибами рода Alternaria, варьировала от 15,3% (сорт Новосибирская 15 (Аромашевский ГСУ), урожай 2016 г.) до 79,6% (сорт Тюменская 29 (Ишимский ГСУ), урожай 2015 г.). Как в первый, так и во второй год исследования наиболее высокие показатели инфицированности семян альтернариевыми грибами зафиксированы на Ишимском ГСУ (табл. 4).
Фузариоз зерна наблюдался в 80% образцов. Максимальные показатели зараженности семян грибами рода Fusarium составили 29,6% (сорт Икар (Нижнетавдинский ГСУ), урожай 2015 г.). Наиболее высокая инфицированность семенного материала фузариевыми грибами (9,6%) зафиксирована в 2015 г. на Нижнетавдинском ГСУ. Сильнее всего поражались фузариозом сортообразцы Икар и Рикс.
Следует отметить, что данные сорта проявили высокую восприимчивость к болезни в условиях искусственного заражения растений. В литературе имеются сведения о выявлении опасных концентраций фузариотоксинов в партиях продовольственного зерна сорта Икар из Тюменской области.
Гельминтоспориозом были заражены 86% образцов пшеницы. Предельное значение зараженности образцов грибами B. sorokiniana составило 26,5% (сорта Тюменская 29 и СКЭНТ-3 (Ялуторовский ГСУ), урожай 2016 г.).
Наиболее сильная инфицированность семенного материала гельминтоспориевыми грибами наблюдалась на Ялуторовском ГСУ в 2016 г. (средние показатели по исследуемым образцам составили 15,7%).
Бактериальная инфекция встречалась в 67% образцов пшеницы, зараженность семян бактериозом достигала 22,4% (сорт Тюменская 29 (Бердюжский ГСУ), урожай 2015 г.). Наиболее сильное заражение семян бактериями зафиксировано на Бердюжском ГСУ в 2015 г. (11,5%).
Плесневение семян зарегистрировано у 38% исследуемых образцов. Наиболее высокая инфицированность семян плесневыми грибами составила 23,5% (сорт АВИАДа (Аромашевский ГСУ), урожай 2016 г.). Максимальная зараженность отмечена в 2016 году на Бердюжском ГСУ и Аромашевском ГСУ — 5,4% и 5,3% соответственно.
Выводы
1. Соотношение различных фитопатогенов в микробиоте семян яровой пшеницы во многом зависело от погодно-климатических факторов. В прохладных и сильно увлажненных условиях вегетационного периода 2015 г. была выше представленность в семенном материале грибов рода Fusarium по сравнению с B. sorokiniana (4,8% против 2,6%). В жарких условиях 2016 г. преимущество получил гриб B. sorokiniana перед Fusarium spp. (7,1% против 1,6%).
2. Как в 2015-м, так и в 2016 г. в патогенной микробиоте семян наблюдалось существенное доминирование грибов рода Alternaria. Средняя по образцам зараженность семян альтернариозом составила 49,5%, максимальная — 80%, статистически значимых отличий по годам не выявлено. Таким образом, грибы Alternaria spp.былименее зависимы от гидротермических условий по сравнению с Fusarium spp. и B. sorokiniana.
3. Наибольшая инфицированность семян фузариозом наблюдалась в образцах с Нижнетавдинского сортоиспытательного участка, расположенного в подтаежной зоне, характеризующейся более прохладными и влажными условиями. Наиболее сильно фузариозом поражались сорта Икар и Рикс. Зараженность семенного материала гельминтоспориозом была выше в образцах пшеницы, выращенной в зоне северной лесостепи.
4. Вредоносность грибов рода Alternaria была значительно ниже по сравнению с другими микроорганизмами, заселяющими зерно: показатели лабораторной всхожести альтернариозных семян составили в среднем 94,1% против 53,2–67,4%, балл поражения проростков — 1,4 против 2,2–2,6 (по 4-балльной шкале. Однако в связи с очень высокой распространенностью альтернариоза абсолютное число загнивших альтернариозных семян превысило показатели, характерные для других семенных инфекций.
Об авторах
Елена Сергеевна Земцова1; научный сотрудник химико-экологической лаборатории
zemcovaelena@mail.ru; https://orcid.org/0000-0002-0093-9064
Нина Анатольевна Боме2; доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующая кафедрой ботаники, биотехнологии растений и ландшафтной архитектуры
bomena@mail.ru; https://orcid.org/0000-0002-5467-6538
Владимир Васильевич Новохатин3; кандидат сельскохозяйственных наук
tatyanka.leonova.2020@bk.ru; https://orcid.org/0000-0002-2191-0420
1 Тобольская комплексная научная станция Уральского отделения Российской академии наук, ул. им. академика Юрия Осипова, 15, Тобольск, 626152, Россия
2 Тюменский государственный университет, ул. Володарского, 6, Тюмень, 625003, Россия
3 Федеральный исследовательский центр «Тюменский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», ул. им. Малыгина, 86, Тюмень, 625501, Россия
УДК 632.4.01/08
DOI: 10.32634/0869-8155-2024-387-10-104-110
