Структура микокомплексов ризосферы и филлопланы арахиса культурного

Оригинальные статьи / Originalarticles УДК 631.81.095.337:633.852.52

Б обовое растение арахис культурный (Arachis hypogaea L.) считается королем масличных куль- тур, его так и называют – «King of oil seeds», т.к. семена его содержат около 60% масла, до 33% белка, до 20% углеводов, рекордное количество олеиновой кислоты (более 75%) и около 4% клетчатки, а также соли кальция, магния, железа, витамины группы В, С, Е, РР, биотин, бетаин, холин, тритерпеновые сапонины, фитостеролы, флавоноиды [1]. В масле арахиса 80% ненасыщенных (линоленовая, эруковая, эйкозеновая) и 20% насыщенных (пальмитиновая, арахиновая, стеариновая, миристиновая, лигноцериновая, бегоновая) жирных кис-лот.Белок арахиса отличается легкой усваиваемостью, содержанием глобулинов арахина и конарахина, неза- мениными аминокислотами, такими как аргинин, лизином, гистидин, триптофан, цистин [2], поэтому семена арахиса используют в качестве растительного источника полноценного белка, токоферолов и полиненасыщен-ных жирных кислот в продуктах функционального назначения [3], что способствует политике государства в области совершенствования тенденции здорового питания населения [4-7]. Масло арахиса применяют в качестве салатного, а также в производстве десертов, кормов и даже биодизеля [8] и содержит оно почти половину из необходимых витаминов, а также непредельные жиры, необходимые для понижения уровня холестерина в крови [9]. В народной медицине семена арахиса применяют как седативное средство, а в современной официальной медицине и используются антиоксидантные, бактерицидные, противовирусные, регенерирующие, слабительные, обволакивающие, гемостатические, противосудоржные и обезболивающие свойства масла, семян и экстрактов кожуры арахиса [10].

И хотя площади возделывания арахиса в мире составляют более 24 млн. га в 100 странах, Россия пока входит в число стран-покупателей [8, 11].

Одной из глобальных проблем является снижение потерь урожая сельскохозяйственных культур от воздействия патогенов. Известно более 10 тыс. видов грибов-фитопатогенов, как значительно снижающих продуктивность культур, так и ухудшающих качество продукции [12, 13]. Одним из главных факторов передачи инфекционного начала являются почва и растительные остатки, где микроскопические грибы могут сохраняться до 10 лет [14]. При интродукции и селекции арахиса следует учитывать, что его бобы и семена являются объектом особого риска из-за контаминации потенциально патогенными микромицетами [15-18]. С целью защиты арахиса при возделывании необходимо знать структуру микокомплексов как зоны ризосферы, так и филлопланы здоровых растений на естественном инфекционном фоне, что и стало целью наших исследований.

Материалы и методы исследования

Изучали образец арахиса культурного V-2012 (Вьетнам) из коллекции кафедры биотехнологии и мкиробиологии Института фармации,химии и биологии НИУ «БелГУ» в 2012-2014, 2017-2020 годах на территории Ботанического сада НИУ «БелГУ» (г. Белгород). Посев проводили по схеме 50х20 см на обыкновенном черноземе с рН водной вытяжки 7,6 по методике Б.А. Доспехова (1985). Отбор проб проводили в фазу бутонизации – начала цветения растений. Почвенные образцы отбирали асептически, численность грибных пропагул определяли после отбора проб посевом водных разведений на плотные питательные среды и выражали в количестве колониеобразующих единиц (КОЕ) на 1 г сухой почвы. Контролем служила парующая почва. Выделяли грибы методом почвенных разведений с последующим глубинным посевом на плотные питательные среды Чапека, Сабуро и КМА (картофельно-морковный агар). Материалом лабораторного изучения филлопланы служили листья арахиса. Количественный учет колоний грибов проводили на 7-14-е сутки инкубирования при 23±2оС.

Определение грибов проводили до вида по совокупности морфологических и культуральных призна-ков.Структуры микокомплексов ризосферы и филло-планы арахиса описывали с учетом пространственной и временной частот встречаемости видов и их обилия. Определили долю типичных видов в микокомплексе.Влияние прижизненных корневых экссудатов арахиса на типичный чернозем оценили с помощью коэффициента Жаккара.Оценку биоразнообразия комплексов микромицетов филлопланы проводили с помощью индекса Шеннона [19, 20].

Учитывая, что темноокрашенные микромицеты могут накапливаться в почвах агроценозов, по литературным источникам определили принадлежность выделенных видов микромицетов к группам оппортунистических и аллергенных организмов [21].

Статистический анализ проводили с расчетом среднего арифметического, ошибки среднего, критерия Стьюдента с использованием методов вариационной статистики в компьютерной программе Excel.

Результаты исследования и их обсуждение

Для характеристики своеобразия состава видов грибов разных типов почв используется понятие комплекса типичных видов,который выделяется на основе пространственной и временной частоты встречаемости вида. Многие антропогенные воздействия могут изменять структуру комплексов почвенных грибов, в том числе и выделения растений [22, 23].

В составе контрольных почвенных образцов доминантные виды не обнаружены (табл.). Всего выявлено 17 видов из 11-ти родов микроскопических грибов, а частым и в данном комплексе оказались 2 вида ( Aspergillus ochraceus и Rhizopus microsporus ), редких видов было 6, остальные 9 видов не относились к типичным видам и отнесены в ранг случайных.В микокомплексе ризосферы арахиса культурного выделены 15 видов из 9-ти родов микромицетов, среди которых в ранге частых оказались 4 вида,редких – 2 и 9 видов отнесены к случайным.По сравнению с контрольной почвой,микокомплекс ризосферы арахиса отличался меньшей степенью разнообразия, о чем свидетельствуют и значения индекса Шеннона (табл.). В целом же, степень сходства почвенных образцов высокая, так как коэффициент Жаккара составил 50% , а это значит, что возделывание арахиса незначительно влияет на состав и структуру почвенных комплексов.

Таблица. Видовой состав почвенных микокомплексов Table. Species composition of soil mycocomplexes

Виды грибов	Значимость видов в почвенном комплексе		Реакция вида гриба на арахис
	контроль	под арахисом (КОЕ)*
Acremonium strictum W. Gams	С	С (0,6)	У
Actinomucor elegans (Eidam) C.R. Benj. & Hesselt.	-	Р (4,1)	Н
Alternaria alternate (Fr.) Keissl.	-	С (1,2)	Н
Arthrinium phaeospermum (Corda) M.B. Ellis	С	-	ЧВ
Aspergillus candidus Link	Р	Ч (4,5)	И
A. flavus Link	С	С (0,1)	У
A. nidulans (Eidam) G. Winter	С	С (0,2)	У
A. niger Tieghem	Р	Р (4,3)	У
A. ochraceus Wilh.	Ч	С (0,4)	ЧВ
A. terreus Thom	Р	-	ЧВ
A. ustus (Bainier) Thom & Church	Р	С (1,8)	ЧВ
A. versicolor (Vuill.) Tirab.	-	С (2,5)	Н
Candida albicans (C.P. Robin) Berkhout	Р	-	ЧВ
Cladosporium epiphyllum	-	С (0,1)	Н
Curvularia lunata (Wakker) Boedijn	С	-	ЧВ
Fusarium oxysporum Schltdl.	Р	С (0,7)	ЧВ
Penicillium funiculosum Thom	С	Ч (4,1)	И
Rhizopus microsporus Tiegh.	Ч	Д (11,2)	И
Torula lucifuga Oudem.	С	-	Ч
Trichoderma lignorum (Tode) Harz	С	Ч (4,8)	И
Trichothecium roseum (Pers.) Link	С	-	ЧВ
Всего видов	17	15
Коэффициент Жаккара, %	50%
Индекс Шеннона	2,7	2,5
Доля оппортунистических видов, %	59	69
Доля аллергенных видов, %	24	23

Условные обозначения видов: * – численность грибных пропагул (тыс. КОЕ/г); Д – доминантный, Ч – частый, Р – редкий, С – случайный, ЧВ – чувствительный, У – устойчивый, И – индикаторный, Н – нехарактерный для контроля (заносной вид)

По сравнению с контрольной почвой под арахисом в фазу цветения в ризосферном микокомплексе не встречались 2 типичных (рангом выше случайного) для контроля вида (A. terreus и Candida albicans), но появился редкий вид Actinomucor elegans и случайные виды A. versicolor, Alternaria alternate и Cladosporium epiphyllum. Грибы A. candidus, Penicillium funiculosum, Rhizopus microsporus, Trichoderma lignorum повысили ранг до частого, а частый вид A. ochraceus и редкие виды A. ustus, Fusarium oxysporum перешли в ранг случайных. Редким видом в сравниваемых образцах оказался – A. niger, случайными – виды Acremonium strictum, A. flavus и A. nidulans.

Выявлены наиболее показательные виды грибов для биоиндикации почвы (см. таблицу). Грибы, которые не выделялись под арахисом или резко снижали ранг по сравнению с контрольной почвой, отнесены в группу чувствительных к воздействию прижизненных корневых экссудатов растений. Если ранг вида не изменялся в вариантах опыта, то вид отнесен к устойчивым. Индикаторными считали виды микромицетов, для которых характерно повышение ранга доминирования. В группу чувствительных к возделыванию арахиса видов типичного чернозема отнесены Arthrinium phaeospermum, A. ochraceus, A. terreus, A. ustus, C. albicans, Curvularia lunata, F. oxysporum. Микромицетами с индикаторными особенностями оказались виды A. candidus, P. funiculosum, Rh. microspores, T. lignorum. Виды A. strictum, A. flavus, A. nidulans, A. niger, отмечены как устойчивые и остальные 4 вида оказались нехарактерными для контроля (см. таблицу).

Наблюдалось снижение частоты встречаемости фито-патогенного вида F. oxysporum, что может быть связано с повышением ранга в комплексе микромицетов под арахисом микофильного вида T. lignorum . Известно, что трихо-дерма затрудняет развитие других видов микромицетов как контактно, гиперпаразитируя, так и дистантно, синтезируя микотоксины, а окультуривание почвы благоприятно для развития триходерм [24]. Частый в контрольной почве вид Rh. microsporesв ризосфере арахиса повымил ранг до доминантного, что может объясняться большим (по сравнению с контролем) содержанием слабо разложенных органических веществ.

Среди типичных видов почвенных комплексов в нашем исследовании обнаружены грибы из родов Alternaria, Aspergillus, Candida, Cladosporium, Fusarium, Penicillium, способные провоцировать микогенные аллергии, в основе которых лежит аллергизация организма антигенами мицелиальных грибов [25], с долей в микокомплексах 2324% (табл.).

Определены и грибы, в литературе описанные как оппортунистические, то есть способные быть причиной микозов у людей с ослабленным иммунитетом [26], например, Candida albicans и представители родов Aspergillus, Fusarium и Trichoderma , выделены из микокоплексов с долей 59-69% (с повышением доли под арахисом).

Микромицеты в подавляющем своем большинстве являются убиквистами, т.е. способными развиваться на поверхности всех органов растений [27]. В филлосфере арахиса выявлены 9 видов микроскопических грибов из 8 родов (рис. 1), причем, 8 видов не были обнаружены при изучении почвенных образцов.

На растениях арахиса культурного значительные доли характерны для фитопатогенных грибов Macrophomina phaseolina, Ulocladium chartarum, Cladosporium cladosporioides (рис. 2. А-В) и Colletotrichum

Б.

В.

Penicillium stolon if erum;

4,3

Nigrospora sphaerica; 8,4

Г.

Рис.2.Микрофотографии выделенных из филлосферы арахиса Macrophominaphaseolina (А) при ув.100×, Ulocladium chartarum (Б),Cladosporium cladosporioides (В) и Nigrospora sphaerica (Г) при ув.400×

Fig.2. Micrographs of Macrophomina phaseolina isolated from the peanut phyllosphere(A) at uv.100×, Ulocladium chartarum (B), Cladosporium cladosporioides (C)and Nigrospora sphaerica (D)at SW.400×

Ulocladium chartarum;

16,6

Aspergillus flavipes; 3,2

к Aspergillus sydowii; 4,4

Alternaria olternato;

15,1

Macrophomina phaseolina;

21,7

Ctadosporium cladosporioides ; 13,2

olletotrichum lindemuthianu m;13,l

Рис.1.Видовой состав миркомицетов филлосферы арахиса культурного и доля каждого вида в комплексе (%) Fig.1.Species composition ofmyrcomycetes of culturalpeanut phyllosphere and shareofeach species inthe complex (%)

A.

lindemuthianum, которые вызывали склероциальную гниль, красную пятнистость, кладоспориоз и антракноз у бобовых культур. Также в комплексе микромицетов фил-лопланы выявлен вид Nigrospora sphaerica (рис. 2. Г), который является возбудителем нигроспороза растений [2830].

За все годы изучения вегетации арахиса в Белгороде ежегодно отмечались симптомы альтернариоза. На рисунке 3 хорошо заметна краевая пятнистость листовых пластинок арахиса.

В среднем по годам на посевах арахиса альтернариоз проявлялся на 6-18% растений и приводил к недобору 2180% продуктивности семян. Причем, страдала, как вегетативная, так и генеративная части растений (рис. 4). Так, растения с альтернариоидной пятнистостью (больные) были в 1,7 раза ниже, имели в 1,4 раза меньше боковых побегов, а индивидуальная продуктивность семян была ниже в 3,6 раза.

Б.

Таким образом, изучение вегетации арахиса на естественном инфекционном фоне в почвенно-климатических условиях г. Белгорода выявлены 15 видов микроскопических грибов в ризосфере и 9 видов – в филлоплане арахиса. Большинство (69%) микромицетов ризосферы арахиса являются оппортунистическими и 23% могут вызывать у человека аллергии.

При выращивании арахиса выявлены чувствительные (Aspergillus ochraceus, A. terreus, A. ustus, Candida albicans, Curvularia lunata, Fusarium oxysporum, Trichothecium roseum) и индикаторные (Aspergillus candidus, Penicillium funiculosum, Rhizopus microspores, Trichoderma lignorum) к прижизненным корневым экссудатам виды.

Представители темноокрашенных гифомицетов Alternaria alternate присутствовали в ранге случайного вида в ризосфере арахиса и были обнаружены в его фил-лоплане. Кроме того, этот вид являлся причиной альтерна-риоидной пятнистости и в отдельные годы приводил к потере 80% семян арахиса. Поэтому, изучение характеристик болезней арахиса в агрофитоценозе должно послужить обоснованием для разработки и применения современных методов защиты растений. В связи с чем чрезвычайно актуально контролировать рост микроскопических грибов в ризосфере и филлоплане культурных растений.

Рис.3.Проявления альтернариоза листьев арахиса (А) и конидииAlternariaalternateпри ув. 400× (Б)

Fig.3. Manifestations ofalternariosis of peanut leaves (A) and conidia Alternaria alternateat SW.400× (B)

■ Здоровые растения

■ Больные растения

Высота растения в фазе Число боковых побегов. Вес семян с растения, г плодоношения, см            шт.

Рис.4. Сравнение показателей здоровых (без признаков поражения) и больных (с альтернариоидной пятнистостью) растений арахиса культурного (данные 2014 г., когда поражение альтернариозом было наибольшим)

Fig.4.Comparison ofindicators of healthy (without signs ofdamage) and diseased (with Alternarioid spotting) ofcultivated peanut plants (data of2014, when thedefeat ofAlternariosis was thegreatest)

Об авторе:

About theauthor:

Yulia N. Kurkina – Cand. Sci. (Agriculture), Associate professor of the Department of Biotechnology and Microbiology, , Scopus Author ID 5702176800