Экологическое обоснование систем мониторинга и защиты картофеля от ризоктониоза в Западной Сибири

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экологическое обоснование систем мониторинга и защиты картофеля от ризоктониоза в Западной Сибири

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Картофель - ценная продовольственная культура во многих странах мира. Однако потенциал биологической и хозяйственной продуктивности картофеля остается далеко не использованным. В Сибири средняя урожайность картофеля за последние 20 лет составила 11,2 т/га, а в ряде областей Восточной Сибири - лишь 6,7 т/га. Одной из серьезных причин, препятствующих получению высоких стабильных урожаев качественных клубней, является широкое распространение болезней. Для России А.С. Воловик (1995) называет 14 наиболее вредоносных болезней картофеля, среди которых ризоктониоз занимает одно из первых мест по распространенности и возможности причинения экономически ощутимого вреда. В Западной и Восточной Сибири потери урожая от ризоктониоза достигают 45% и значительно превышают таковые от фитофтороза. Распространению заболевания способствуют отсутствие устойчивых сортов картофеля, низкая супрессивность зональных почв, возделывание культуры в севооборотах с короткой ротацией с насыщенностью до 75%, способствующими накоплению патогена в почве и значительному поражению растений.

Современные тенденции развития защиты растений как единой научной и практической отрасли науки направлены на разработку и поиск экологически приемлемых методов регулирования численности патогенов. Реализация такого подхода зависит от знания стратегий и тактик жизненного цикла возбудителей, сезонной и многолетней динамики популяций и степени их необходимого подавления путем конструирования агроценозов на основе механизмов долговременной саморегуляции (Жученко, 1994, Захаренко, 1998, Чулкина, Торопова, Стецов, 1998, Шпаар и др., 2003). Разработка этих вопросов возможна только на базе современных методов фитосанитарного мониторинга, который является неотъемлемой частью современной концептуальной схемы обеспечения фитосанитарного благополучия и устойчивого функционирования растениеводства (Павлюшин, 2005).

Эволюционно-экологическая концепция развития защиты растений, предложенная Сибирской научной школой по защите растений (Чулкина, 1981, 1991, Торопова, 2005) является теоретической и методологической основой для принятия решений по управлению численностью вредных организмов с целью разработки и совершенствования современных систем защитных мероприятий и фитосанитарных технологий.

Цель работы. Разработать систему защиты картофеля от ризоктониоза с учетом биоэкологических особенностей возбудителя и на основе современных методов фитосанитарного мониторинга, обеспечивающую повышение урожая высококачественных клубней.

Задачи исследований:

1. Разработать методы и систему фитосанитарного мониторинга ризоктониоза в агроэкосистемах картофеля;

2. Изучить биоэкологические особенности возбудителя ризоктониоза с определением состава анастомозных групп сибирской популяции гриба;

3. Выяснить закономерности развития и вредоносности ризоктониоза картофеля в зависимости от количественных параметров факторов передачи возбудителя и с учетом установленного порога вредоносности;

4. Оценить влияние факторов фитосанитарной оптимизации (сорт, севооборот, предшественник, природные элиситоры устойчивости) на регулирование численности популяции возбудителя и управление продукционным процессом культуры;

5. Разработать экологически безопасную систему защиты картофеля от ризоктониоза на базе агротехнического метода по периодам формирования элементов структуры урожая.

В основу диссертации положены материалы научных исследований, выполненных лично автором и совместно с другими исследователями в ГНУ СибНИИЗХим СО РАСХН, согласно государственным программам Россельхозакадемии: по теме 0.51.05.НI «Усовершенствовать методики прогнозирования динамики популяции и сигнализации сроков проведения защитных мероприятий», по договору 104 «Обобщить материалы по экономическим порогам вредоносности вредных организмов на зерновых, зернобобовых культурах и картофеле и дать рекомендации по их использованию», по заданию 03.01.Н «Разработать методы мониторинга возбудителей болезней в системе почва-посевы-воздушная среда», в ФГОУ Новосибирского государственного аграрного университета по теме «Мониторинг, прогноз и оптимизация фитосанитарного состояния растительных сообществ Сибири».

Научная новизна. Показана многолетняя и сезонная динамика ризоктониоза в агроэкосистемах картофеля северной лесостепи Приобья, характеризующаяся непрерывностью и стабильностью при передаче возбудителя через почву и посадочный материал.

Впервые исследованы основные биоэкологические особенности сибирской популяции гриба Rhizoctonia solani Kuhn, выделенной из почвы и растений картофеля, показано преимущество тактики выживания в жизненном цикле возбудителя как К-стратега. Освоение и модификация методов определения анастомозных групп R. solani позволили впервые в отечественной практике выявить генетический состав почвенной популяции фитопатогена. Показано доминирующее положение в агроэкосистемах картофельных полей Сибири анастомозной группы AG3.

Апробированы и модифицированы применительно к условиям региона количественные методы мониторинга заселенности почвы грибом R. solani. С их помощью впервые изучена сезонная динамика численности возбудителя в почвах лесостепи Приобья, определен характер зависимости развития ризоктониоза и его вредоносности от уровня заселенности почвы патогеном, а также установлен порог плотности почвенного инокулюма для выщелоченного чернозема региона. Разработана система фитосанитарного мониторинга ризоктониоза в агроэкосистемах картофеля.

Впервые показано, что сезонная динамика ризоктониоза картофеля зависит от состава и количественных параметров факторов передачи возбудителя. При этом почвенная популяция гриба R.solani выше порога вредоносности является доминирующим фактором в проявлении инфекционного и эпифитотического процессов заболевания.

Изучена устойчивость к ризоктониозу районированных и перспективных сортов по периодам формирования элементов структуры урожая. Показаны перспективы методов биотехнологии для отбора устойчивых к ризоктониозу форм картофеля с использованием в качестве селективного фактора токсических метаболитов гриба R.solani (патент № 2217906 «Способ селекции картофеля на устойчивость к ризоктониозу»).

Выяснена эффективность и особенности действия на картофеле современных природных индукторов устойчивости на основе тритерпеновых кислот, разработана схема их применения в рамках технологии выращивания культуры для Западной Сибири (патент № 2228620 «Способ защиты картофеля от болезней»).

Впервые выявлены различия супрессивности зональных типов почв (дерново-подзолистой и чернозема выщелоченного) к возбудителю ризоктониоза картофеля, показателем которых служит склероциальный индекс. Изучена эффективность внесения отходов птицеводства и введения сидеральных паров на основе ярового рапса летнего срока сева в активизации супрессивных свойств почв и улучшения фитосанитарной ситуации агроэкосистем картофеля, повышении продуктивности культуры.

Проведена оценка роли фундаментальных агротехнических приемов (севооборотов, предшественников) в регулировании численности популяции возбудителя ризоктониоза и снижении пораженности растений ниже ПВ. На основании системного подхода разработана экологически безопасная система защиты картофеля от ризоктониоза на базе агротехнического метода и современных методов мониторинга возбудителя.

Практическая ценность и реализация результатов исследований. Предложена система мониторинга ризоктониоза в агроэкосистемах картофеля, включающая усовершенствованные и разработанные автором методы фитосанитарной диагностики почв, клубней и посадок картофеля, применяемые в хозяйствах Западной Сибири.

Издано в соавторстве 4 учебных пособия и рекомендаций: «Защита картофеля от основных болезней в Новосибирской области» (1984), «Болезни и вредители картофеля» (2000), «Картофель. Агротехника возделывания, борьба с болезнями, карантинные объекты, сорта», (2002)», «Методы диагностики фитосанитарного состояния картофеля» (2003), монография «Мониторинг ризоктониоза в агроэкосистемах картофеля Западной Сибири» (2006).

Усовершенствованная нами система фитосанитарной оптимизации картофеля прошла производственную проверку и адаптирована в 7 государственных и фермерских картофелеводческих хозяйствах Западной Сибири. Технология применения дымового фунгицида Вист удостоена дипломом и Большой Золотой медалью Сибирской ярмарки (2004г.).

Результаты исследований в форме учебных пособий используются в учебном процессе ФГОУ ВПО НГАУ и при повышении квалификации руководителей и специалистов АПК региона.

Защищаемые положения:

1. Концептуальной основой системы мониторинга возбудителя ризоктониоза являются эволюционно-экологические признаки тактик жизненного цикла патогена, как К-стратега;

2. Фитосанитарное состояние почв агроэкосистем картофеля, закономерности сезонной и многолетней динамики возбудителя ризоктониоза в значительной мере определяют вредоносность заболевания и уровень урожайности культуры;

3. Использование агротехнических приемов на фоне повышения генетической и физиологической устойчивости картофеля позволяет эффективно снижать численность популяции возбудителя ризоктониоза и оптимизировать фитосанитарное состояние агроэкосистем;

4. Разработанная экологически безопасная система защиты картофеля от ризоктониоза существенно повышает урожайность, качество клубней и рентабельность возделывания культуры.

Апробация работы. Материалы диссертации апробированы на 7-ом Всесоюзном совещании по иммунитету с.-х. растений к болезням и вредителям (Омск, 1981), II Региональной конференции «Ботанические исследования в Сибири» (Новосибирск, 1988)», Всесоюзной конференции молодых ученых по экологическим проблемам защиты растений (Ленинград, 1990), 6-м Международном конгрессе по защите растений (Канада, 1993), юбилейной региональной научно-практической конференции «Проблемы АПК в условиях рыночной экономики» (Новосибирск, 1996), конференции молодых ученых, посвященной 26-летию СО РАСХН (Новосибирск, 1996), 4-м международном симпозиуме по диагностике и идентификации патогенов растений (Германия, 1996), научно-практической конференции «Проблемы сельскохозяйственной экологии» (Новосибирск, 1999), международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы агроэкологии в интегрированных системах защиты растений» (Пенза, 1999), международных симпозиумах по Rhizoctonia (Нидерланды, 1995, Тайвань, 2000), IV-й международной научно-практической конференции (Ульяновск, 2002), 1-м международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2002), международной конференции «Повышение устойчивости и эффективности агропромышленного производства в Сибири: наука, техника, практика» (Кемерово, 2003), 2-й конференции московского общества генетиков и селекционеров им. Н..И. Вавилова «Актуальные проблемы генетики» (Москва, 2003), международной конференции, посвященной 20-летию первой научной школы по защите растений в Сибири (Новосибирск, 2004), IX-й генетико-селекционной школе «Актуальные задачи селекции и семеноводства сельскохозяйственных растений на современном этапе» (Новосибирск, 2005), Втором Всероссийском съезде по защите растений «Фитосанитарное оздоровление экосистем» (Санкт-Петербург, 2005).

Публикация материалов исследований. Основные положения диссертации опубликованы в журналах «Микология и фитопатология», «Сибирский вестник сельскохозяйственной науки», «Защита и карантин растений», «Картофель и овощи», «Агро XXI», «Сельскохозяйственная биология», «Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук», «Вестник защиты растений», материалах международных конгрессов, симпозиумов, научно-практических конференций, трудах СО РАСХН, НГАУ. По теме диссертационной работы опубликовано 62 научных и научно-методических работы, монография, получено 2 патента. В реферируемых журналах опубликовано 17 научных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 400 страницах машинописного текста, состоит из введения, 6 глав, выводов, предложений производству, списка литературы, включающего 427 наименований, в том числе 169 на иностранных языках, приложения. Работа содержит 133 таблицы, 49 рисунков.

Выражаю искреннюю благодарность научному консультанту доктору сельскохозяйственных наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ В.А. Чулкиной, а также глубокую признательность коллегам: к.с.-х.н. Пилиповой Ю.В., к.с.-х.н. Коняевой Н.М., д.б.н. Тороповой Е.Ю., к.б.н. Павловой О.И., к.б.н. Кошниковичу В.И. за помощь и содействие в работе.

Содержание работы

фитосанитарный ризоктониоз картофель сибирский

Глава 1. Методические подходы к решению поставленных задач.

Объектами исследований являлись ризоктониоз картофеля и сибирская популяция гриба R. solani, районированные и перспективные сорта картофеля, технология возделывания культуры.

Растительные и почвенные образцы отбирали в картофелеводческих хозяйствах Восточной и Западной Сибири в течение 1979-2005гг. Основные полевые исследования проводили на опытных и экспериментальных участках СибНИИЗХим (1980-1992), учхоза НГАУ «Тулинское», НИИ цитологии и генетики СО РАН, в ЗАО «Приобское» (1996-2005).

Годы исследований (1980-2005) характеризовались разнообразными погодными условиями. Четырнадцать лет из 25 (1980, 1985, 1986, 1988, 1990, 1992, 1993, 1995, 1996, 2000-2002, 2004, 2005) были увлажненными, из них шесть - 1986, 1993, 1996, 2000-2002 - с избыточным увлажнением, семь (1987, 1989, 1991, 1994, 1997, 1999, 2003) засушливыми, из них шесть - 1989, 1991, 1994, 1997, 1999, 2003 - острозасушливыми.

Поставленные задачи обуславливали выбор методов исследований, проводимых в лабораторных, вегетационных, полевых и производственных экспериментах.

Лабораторные эксперименты (изучение морфолого-культуральных и адаптационных признаков сибирской популяции гриба R. solani, влияния фунгицидов и хвойных регуляторов на рост колоний грибов) проводили на стандартных питательных средах в 4-5-кратной повторности. Фитотоксическую активность гриба определяли по методу Берестецкого (Берестецкий, 1973) с накоплением токсических метаболитов на картофельно-декстрозном бульоне (КДБ) и модифицированной среде Ричардса (Бисуас, Боровков, 1980). Микробиологическое состояние ризосферы определяли общепринятыми методами (Наплекова, 1972, Муромцев и др., 1976).

Гифальные анастомозы получали по усовершенствованной экспресс-методике (Shaldyaeva, Pilipova, 1996) для 165 изолятов почвенного и растительного происхождения с подтверждением реакции по категории С2 (Сarling et al., 1988). Таксономическое распределение изолятов проводили на основании подсчета количества ядер, окрашенных сафранином 0 по методике R.J.Bandoni (1979) и морфологических особенностей колоний гриба.

Использование токсических метаболитов в качестве селективного фактора для оценки и отбора устойчивых форм растений осуществляли в серии экспериментов 1999-2003 гг. по оригинальной методике (патент № 2217906).

Микрополевые опыты по изучению патогенности изолятов гриба R. solani для картофеля проводили на искусственном инфекционном фоне. Влияние хвойных препаратов и фитосанитарного состояния клубней на пораженность ризоктониозом выясняли в вегетационных опытах по двухфакторной схеме. В ходе экспериментов выполняли учеты и наблюдения за пораженностью подземных органов и продуктивностью культуры по общепринятым и оригинальным методикам (Методика исследований…, 1967, Frank, Leach, Webb, 1976).

Полевые опыты по определению вредоносности ризоктониоза картофеля в зависимости от состава и количественных параметров факторов передачи возбудителя проводили на искусственном инфекционном фоне определенной плотности гриба в почве, создаваемого по оригинальной методике (Шалдяева, 1990), и естественном (ниже и выше порога вредоносности) по многофакторной схеме в период 1984-1992гг. Эффективность отдельных элементов фитосанитарных технологий выращивания картофеля (сортов, сидеральных культур, химических и биологических средств защиты растений, хвойных препаратов) оценивали в 1983-1992, 1996-2005 гг. в лесостепной зоне Новосибирской области по схемам одно- и многофакторных экспериментов на делянках размером 14-32 м² в 4-6-кратной повторности.

В ходе полевых опытов выполняли учеты и наблюдения, указанные выше при описании вегетационных экспериментов. Дополнительно учитывали: численность гриба в почве методом множественных почвенных таблеток (Неnis et al., 1978) с использованием селективной среды (Ko, Hora, 1971) и методом влажного просеивания Вайнхольда (Wеinhold, 1977), общую численность и качественный состав микроорганизмов (Некоторые новые методы…, 1982); биологическую активность почвы по интенсивности выделения углекислого газа на газовом хроматографе ЛХМ-72 (Карякина, Воробьев, Фирсов, 1981); биохимические анализы клубней (Методы биохимического исследования…,1987).

Производственные эксперименты по изучению фитосанитарного состояния агроэкосистем (заселенности почвы грибом R. solani, пораженности клубней и посадок вредными организмами), эффективности фундаментальных и оперативных методов защиты растений (сортов, севооборотов, предшественников, глубины посадки клубней, повышения супрессивности почвы путем внесения птичьего помета и запашки сидератов на основе ярового рапса летнего срока сева, весеннего и осеннего протравливания клубней, применения хвойных препаратов, фунгицидов) и усовершенствованию технологий возделывания культуры проводили в 15 хозяйствах Западной и Восточной Сибири в период с 1980-1992гг. и 1996-2005гг. на площади более 10 тыс. га. В ходе производственных опытов выполняли учеты и наблюдения, аналогичные приведенным в полевых опытах. Экспериментальные данные обрабатывали с применением методов вариационной и многомерной статистики, дисперсионного и регрессионного анализов (Лакин, 1968, Доспехов, 1985). Вычислительные работы выполняли с применением пакета прикладных программ СТЭК и SNEDECOR (Сорокин, 1985, 2004). Расчет экономической эффективности мероприятий по защите картофеля от ризоктониоза проводили согласно методическим указаниям (Методические указания по определению экономической эффективности..., 1979, Захаренко, 1994).

Глава 2. Мониторинг ризоктониоза в агроэкосистемах картофеля

Ризоктониоз известен во всех странах, где занимаются возделыванием картофеля. Работами многих исследователей показано, что это заболевание широко распространено и ежегодно вредоносно во всех трех зонах картофелеводства Сибири и Дальнего Востока (Абрамов,1953; Аносов, 1972; Коняева, 1981; 1986, Котлярова, 1981; Панкратова, Кичмарчик, 1969; Петухов, 1986, 2002; Покручин, 1980; Савина, 1969).

Обобщая данные за период с 1989 по 2005 годы по результатам обследования посадок картофеля в 12 хозяйствах региона, следует отметить, что многолетняя динамика ризоктониоза на подземных органах непрерывна и довольно стабильна, что характерно для возбудителей с К-стратегией жизненного цикла (рисунок 1). Интенсивность поражения особенно возрастала в засушливые годы, проявляясь по типу эпифитотии. Установлена умеренная корреляционная зависимость между показателями пораженности растений и ГТК (r=0,62±0,169).

Рисунок 1. Многолетняя динамика ризоктониоза картофеля в лесостепи Западной Сибири

В Западной Сибири встречаются все формы проявления ризоктониоза картофеля. Распространенность «белой ножки» составляет в среднем 15-22%. Сухая язвенная гниль подземных органов встречается повсеместно, распространенность этой формы на производственных посадках обычно достигает 80-100% при максимальном развитии болезни 68-71%.

Рекомендуется проводить мониторинг ризоктониоза по усовершенствованной методике Франка (Frank, Leach, Webb, 1976), которая предусматривает оценку пораженности подземных органов в динамике, а также учет форм проявления ризоктониоза на клубнях. Значения подставляют в формулу для определения балла общей пораженности ризоктониозом по пяти признакам: Х = [(% погибших ростков х 5) + (% пораженных стеблей х балл поражения):5 + (% опавших столонов х 2) + (% поврежденных столонов) + (весовой% непригодных клубней)]:50.

Предлагаемая методика и формула позволяют оценивать, с одной стороны, пораженность подземных органов на протяжении всего периода вегетации, органотропную специализацию возбудителя, с другой - за счет получения интегрированного показателя объективно сравнить эффективность приемов защиты картофеля от ризоктониоза на популяционном уровне в агроэкосистемах культуры. Так, предлагаемая методика была использована для разделения сортов по группам устойчивости. 11 перспективных и районированных сортов были объединены в 5 групп, где балл общей пораженности характеризовал устойчивость сорта картофеля. Сорта Свитанок киевский, Нида и Адретта были отнесены к группе относительно устойчивых с баллом общей пораженности от 1 до 2.

За период вегетации картофеля можно выделить три крупных периода формирования элементов структуры урожая - густоты посадок, синтеза вегетативной массы, формирования количества и массы клубней (Чулкина, Медведчиков и др., 2001). На примере двух контрастных агроэкосистем картофеля показано влияние ризоктониоза на формирование основных элементов структуры урожая по трем критическим периодам (таблица 1).

Таблица 1. Влияние ризоктониоза на формирование элементов структуры урожая в разных агроэкосистемах картофеля, 1996-2000гг.

ДКП* - долголетние культурные пастбища

Таким образом, ризоктониоз отличается продолжительным периодом отрицательного воздействия, начиная с первых этапов органогенеза, при этом мониторинг заболевания по периодам формирования элементов структуры урожая имеет решающее значение для защиты от него.

Изучение ситуации на 14 сортах, возделываемых в картофелеводческих хозяйствах Западной Сибири в период 1980-2005 гг., свидетельствовало, что в условиях Сибири распространены все формы проявления заболевания на клубнях: углубленная пятнистость (от 0 до 54%), сетчатый некроз (0-86,5%), заселение склероциями в разной степени (0-56,2%).

Сравнительное изучение углубленной пятнистости (УП) в период 1990-2002гг. показало, что ее формирование начинается с фазы бутонизации. Образующиеся язвы бывают двух типов: открытые и закрытые эпидермисом, обычно с растрескиванием по центру. На некоторых сортах (Ароза, Розара) язвы проникают очень глубоко (до 20-25 мм), сливаются и образуют довольно крупные полости (Шалдяева, Пилипова, 1996).

Пораженность клубней УП различалась по сортам, однако более значимым было влияние типа почвы, на котором выращивали картофель. Распространенность данной формы на сортах Невский, Елизавета, Чародей, Никулинский колебалась от 20,8 до 38,9% на выщелоченном черноземе. При размещении культуры на дерново-подзолистой почве распространенность УП на сортах не превышала 4,5%. Способствовала появлению язв УП и пораженность посадочного материала. При использовании для посадки клубней, заселенных склероциями на 1/10 поверхности, распространенность данной формы ризоктониоза резко возрастала на выщелоченном черноземе и слабо различалась по сортам, составляя 48,8-58,1%. Исследования, проведенные нами на 5 сортах картофеля, свидетельствовали об увеличении пораженности клубней УП до 70,8% на фоне повреждения их проволочником. При внесении препарата Базудин (15-20 кг/га) наблюдалось снижение ее распространенности в 1,7-1,8 раза (Шалдяева, Пилипова, 2003).

Вредоносность углубленной пятнистости (наличие 1-4 и 5-10 язв на клубень) в сравнении с другими формами проявления ризоктониоза на клубнях (сетчатый некроз, заселение склероциями на 1/10 поверхности) изучали в полевых экспериментах 1991-1992гг. Установлено, что наступление фазы всходов в вариантах с сильным поражением УП (5-10 язв), как и со склероциями патогена, запаздывало на 4-5 дней. Развитие сухой язвенной гнили на ростках и стеблях в 2-3 раза значимо превышало контроль (здоровые клубни), и было несколько ниже или сопоставимо с пораженностью растений в варианте со склероциями патогена. Количество поврежденных столонов в этом же варианте достигало 13,6%, а опадение столонов увеличивалось в 8 раз по сравнению с контролем. Динамика заболевания вариантов с единичными язвами углубленной пятнистости (1-4) и сетчатым некрозом практически не отличалась в течение всего онтогенеза и значимо превышала контроль лишь в конце вегетационного сезона.

При использовании для посадки клубней, инфицированных в форме склероциев, пораженность нового урожая была самой значительной - лишь 7,3% здоровых клубней. Мицелиальные формы (сетчатый некроз и углубленная пятнистость) приводили к сопоставимым цифрам по заселению клубней нового урожая и потерям продуктивности. Отмечена тенденция в снижении урожая по мере увеличения нагрузки семенной инфекции.

Многообразие форм проявления ризоктониоза на клубнях в значительной степени усложняет учет пораженности семенного материала. Существующие методики лишь позволяют оценивать распространенность каждой из них, не давая обобщенной характеристики запаса инфекции ризоктониоза на клубнях. Предложена модифицированная формула определения склероциального индекса, в которой уточнены одновременно как формы проявления, так и степень поражения клубней ризоктониозом (Шалдяева, Пилипова, 1998).

Изучение зависимости между пораженностью семенных клубней, выраженную в склероциальном индексе, и развитием ризоктониоза картофеля показало, что с увеличением значения исходного склероциального индекса линейно возрастала пораженность всех подземных органов по сравнению с контрольным вариантом (таблица 2).

Таблица 2. Влияние пораженности семенных клубней (по склероциальному индексу) на патогенез ризоктониоза картофеля, (1990-1991гг.)

* - достоверность отличий на уровне 0,95

Корреляционный анализ между этими показателями показал наличие тесной положительной зависимости (г = 0,93-0,95) на протяжении всей вегетации картофеля.

Таким образом, склероциальный индекс можно использовать как обобщенный показатель, объединяющий в себе все формы проявления ризоктониоза на клубнях. Он имеет весовое выражение, что позволяет количественно оценить запас семенной инфекции ризоктониоза и своевременно принять решение по оздоровлению посадочного материала.

Усовершенствованные нами методы мониторинга ризоктониоза как одной из составляющих фитосанитарной диагностики агроэкосистем картофеля в период вегетации и фитоэкспертизы клубней с определением склероциального индекса являются необходимым звеном в прогнозировании и контроле вредоносности заболевания.

Глава 3. Характеристика сибирской популяции гриба Rhizoctonia solani.

В 1965г. в штате Майами (США) состоялся симпозиум по биологии и патологии этого гриба. Характеристики анатомо-морфологического состояния этого патогена были установлены J.R.Jr. Parmeter, H.S. Whithey (1980). Гриб имеет телеоморфическую стадию, относимую P.H.B.Та1bot (1970) к Тhanаtephorus cucumeris (Fгаnk) Donk. Однако было признано, что R. solani - собирательный вид и его описание не рассматривается как устойчивое.

Изучение сибирской популяции гриба R. solani проводили в период с 1979 по 1991гг. по коллекции штаммов, включающей более 500 изолятов, выделенных из почвы по разным предшественникам и растений картофеля.

На первом этапе исследований 100 почвенных изолятов выращивали на КДА и разделили на 21 группу, включающую сходные по морфологии изоляты. Изучение эволюционных адаптаций показало, что возбудитель ризоктониоза имеет признаки К-стратега: 86% изолятов формировали обильное количество склероциев; более 70% изолятов формировали крупные и средние склероции, предназначенные для длительного выживания (таблица 3).

Таблица 3. Адаптационные признаки почвенной популяции R.solani

Наибольшая интенсивность прироста мицелия наблюдалась при температурах от 20 до 28°С. Критические температуры 32 и 36°С значительно подавляли рост гриба, однако 35% популяции продолжали нарастать до 13,4 мм за сутки.

Сравнительный анализ интенсивности роста изолятов различного происхождения показал, что у почвенных и стеблевых штаммов R.solani сохраняется повышенная стабильность ростовых процессов мицелия в стрессовых условиях: при экстремальной температуре 30^оС прирост колоний в сутки составлял 13,38 и 14,0 мм соответственно. Изоляты, выделенные из клубневой инфекции (склероциев и углубленной пятнистости), имели скорость роста в 2 раза меньшую - 5,0 и 6,0 мм в сутки.

Установлено, что сибирская популяция неоднородна по патогенности. Сильное развитие болезни (20-28,3%) на подземных органах картофеля вызвали штаммы R.solani, выделенные из клубней и стеблей картофеля. Культуры гриба почвенного происхождения были патогенны для картофеля в различной степени. Происходит отбор более конкурентоспособных потомков по признаку патогенности и токсичности: 70% штаммов, составляющих почвенные популяции картофельных полей, вызывали существенное развитие болезни на стеблях (14-16%) и, особенно, на столонах (15-31%), снижение продуктивности на 90-54%, токсическую реакцию в виде некрозов на отделенных побегах картофеля интенсивностью 3-5 баллов, особенно при культивировании на среде Ричардса.

На неоднородность внутри сложного по таксономическому положению вида R. solani указывали многие исследователи (Shultz, 1937, Le Klerg, 1941, Richter, Schneider, 1953, Watanaba, Matsuda, 1966, Parmeter, Sherwood, Plaat, 1969). Они показали, что внутри этого вида имеются четкие разновидности, отличающиеся по способности к анастомозу, патогенности, морфологическим свойствам. В настоящее время насчитывают 13 анастомозных групп (Carling, Sumner, 1990; Дьяков, 1993, Умралина и др., 1987, Ogoshi et al., 1990; Carling et al., 2002, Eken, Demirci, 2004), число их может увеличиваться по мере расширения географии исследований.

Впервые в Западной Сибири нами проведены детальные исследования качественного состава популяции R. solani на картофеле (Shaldyaeva, Pilipova, 1996). Мониторинг состава анастомозных групп популяции гриба R.solani проводили на 135 изолятах гриба, выделенных из почвы, и 30 - изолированных из пораженных стеблей картофеля, углубленной пятнистости, склероциев.

Изоляты рода Rhizoctonia имеют одну из трех телеоморфических стадий базидиальных родов: Thanatephorus Donk, Ceratobasidium Rogers, Waitea Warcup et Talbot. Определение таксономического состава почвенной популяции позволило отнести к двуядерным (Ceratobasidium) 11,1% изолятов по следующим предшественникам: картофель, пшеница, кукуруза, огурцы, пар. Наибольшее количество двуядерных изолятов выделено по пшенице (38,5%). Представителей телиоморфы Waitea выделяли с полей, на которых возделывали многолетние травы, картофель, зерновые культуры - всего 2,6% от общего количества тестируемых изолятов. Преобладающая часть почвенных изолятов (86%) принадлежала к телеоморфе Thanatephorus и выделялась практически после всех культур, особенно картофеля и пшеницы.

Для мониторинга генетического состава популяции гриба R.solani предложена модифицированная экспресс-методика получения гифальных анастомозов, позволяющая в короткий срок определить принадлежность полевых изолятов к анастомозным группам (Shaldyaeva, Pilipova, 1996).

Определение анастомозных групп изолятов, выделенных из растений картофеля, показало, что 96,7% относится к AG3. В сибирской популяции R.solani почвенного происхождения количественное распределение анастомозных групп было следующим: AG3 - 19,8%, AG4 - 10,9%, AG 5 - 1,9%. Наиболее часто AG3 выделяли из почв, на которых возделывали картофель, - около 80% от общего числа изолятов этой группы, а также по кукурузе и пару. Это согласуется с данными зарубежных авторов, которые отмечали, что между AG3 и многими видами растений (культурных и сорных) существуют трофические связи, позволяющие патогену сохраняться в отсутствии растений картофеля до 2-5 лет. Изоляты AG4 были обнаружены в почве практически после всех культур: после картофеля 45%, затем в нисходящем порядке следовали многолетние бобовые травы (18%), пшеница, кукуруза, морковь (9%), что подтверждает сведения о широкой специализации AG4. Изоляты AG5 представлены в незначительном количестве и выделены после многолетних бобовых трав и моркови.

Исходя из выявленной структуры сибирской популяции гриба R.solani, можно отметить, что AG3 представляет наибольшую опасность как возбудитель ризоктониоза картофеля.

Глава 4. Численность популяции R.solani в почвах картофельных полей и методы ее мониторинга

Обнаружение гриба R. solani длительное время было затруднено из-за отсутствия количественных методов изоляции его из почвы. Первые сведения о численности почвенной популяции R. solani приведены зарубежными исследователями, предложившими метод влажного просеивания (Wеinhold, 1977) и метод множественных почвенных таблеток (Неnis et al., 1978) с использованием селективной среды (Ko, Hora, 1971).

Мониторинг заселенности почв Сибири грибом R.solani начат нами в 1980г. Методом влажного просеивания Вайнхольда впервые в нашей стране провели определение заселенности почв патогеном в Восточной и Западной Сибири. Плотность популяции в почвах картофельных полей составляла от 0 до 50 пропагул/100г почвы. В 1984 году была изготовлена модель пробоотборника и освоен метод множественных почвенных таблеток с использованием селективной среды. Этим методом проведено обследование более 3 тысяч га полей, отведенных под картофель в полевых, овощных и кормовых севооборотах различных хозяйств Новосибирской области. Методом корреляционного анализа установлена тесная связь между уровнями плотности гриба в почве, определенными двумя методами (r = 0,913). Рассчитанное уравнение регрессии (у = - 1,748 + 3,693 х) повышает точность определения численности R. solani в почве по методу Вайнхольда.

Сезонную динамику численности R. solani изучали на выщелоченном черноземе картофельных полей ОПХ «Элитное» на протяжении 5 лет. В отдельные годы наблюдалось повышение численности в период прорастания клубней (июнь), а также в период бутонизации, приходящееся на начало июля. Пик максимального повышения заселенности почвы в августе-сентябре наблюдали во все годы исследований, что объясняется поступлением в почву большого количества зараженных растительных остатков. Коэффициенты корреляции между данными сезонной динамики заселенности почв грибом R. solani и пораженности растений картофеля ризоктониозом по результатам обследований 5 тыс. га полей составляли по годам исследований 0,69-0,98, что свидетельствовало о преимущественном влиянии численности патогена в почве на интенсивность инфекционного и эпифитотического процессов ризоктониоза в агроэкосистемах картофеля.

Глава 5. Закономерности развития ризоктониоза картофеля при разных факторах передачи возбудителя

Изучение закономерностей развития ризоктониоза картофеля от заселенности почвы патогеном проводили в многолетних полевых экспериментах на искусственном инфекционном фоне различной плотности гриба R.solani, созданного по оригинальной методике (Шалдяева, 1990). Установлено, что с увеличением содержания пропагул патогена в почве заболеваемость растений усиливается с пиком в фазы всходов - начала бутонизации: количество погибших от ризоктониоза ростков коррелировало с исходной нагрузкой R.solani в почве (r=0,81-0,82) и при максимальной численности гриба достигало 42,7-68,5% по годам исследований (таблица 4). Влияние погодных условий было существенным, но слабее фона в 5 раз.

Рост плотности патогена с 0,66 до 12 пропагул не приводил к пропорциональному росту заболевания, что отражает общие закономерности насыщения экологических ниш и наличия внутривидовой и внутриродовой конкуренции в популяции, характерной для К-стратегов.

Таблица 4. Влияние плотности инокулюма R.solani на пораженность картофеля ризоктониозом,% (1984, 1986-1987гг.)

Вследствие поражения подземных органов растений картофеля и действия токсинов гриба в вариантах с внесением инокулюма наступление фенологических фаз происходило на 1,5-2 недели позже. В конце вегетации на фоне высокой исходной нагрузки патогена в почве отмечалась стимуляция, как ростовых показателей (на 11%), так и надземной фитомассы (до 43%) растений картофеля с одновременным снижением массы клубней (на 48%). С увеличением заселенности почвы резко возрастает количество поврежденных (от 11 до 17%) и опавших (до 28%) столонов, прослеживается тенденция повышения содержания, как общего количества пораженных клубней, так и по формам проявления заболевания (склероциями на Ѕ и ј поверхности до 8,3 и 11,66% соответственно, углубленной пятнистости до 22,5%), достоверно повышается содержание аскорбиновой кислоты, отчетливо прослеживается тенденция к увеличению крахмала и растворимого белка, что очевидно, связано с ускорением процесса созревания клубней у растений, находящихся в стрессовых условиях.

Уровень заселенности почвы, определенный методом почвенных таблеток, изменялся в годы исследований в зависимости от исходной нагрузки патогена (рисунок 2).

Рисунок 2. Сезонная динамика численности популяции R.solani в зависимости от исходной инфекционной нагрузки в почве

Впервые показано, что интенсивное нарастание численности возбудителя ризоктониоза происходит в течение первого месяца (от посадки до появления всходов), после которого наблюдается стабилизация уровня заселенности почвы.

Изменение прироста популяции происходило обратно пропорционально увеличению плотности исходного инокулюма. Развитие ризоктониоза на стеблях коррелировало с численностью патогена в почве в этот же период динамики инфекционного и эпифитотического процессов (r=87-0,82). Подобная закономерность отмечена для возбудителей корневых гнилей зерновых (Тепляков, 1983; Торопова 2005, Ашмарина, 2005) и сои (Заостровных, 2006).

Методом дисперсионного анализа установлено, что статистически достоверное снижение урожая картофеля наблюдается при исходной численности гриба 0,33 пропагулы в 100 г почвы. На основании полученных данных был определен биологический порог плотности возбудителя по формуле (Якуткин и др., 1988), составляющий для чернозема выщелоченного 0,2 пропагулы на 100г почвы.

Анализ результатов полевых экспериментов показал, что уровень заселенности почвы существенно влияет на продуктивность картофеля. Недобор урожая при исходной нагрузке гриба R.solani 0,33-0,66 пропагулы гриба составляет 12-15%, при увеличении численности до 2 и более пропагул - 18-25% по сравнению с почвой, свободной от возбудителя. Определение частных коэффициентов корреляции между исходной численностью R.solani в почве (x), развитием болезни (y) и потерями урожая (z) показало высокую степень сопряженности указываемых признаков (r_xz.y=0.911). Уравнение линейной регрессии недобора урожая (z) по плотности патогена (x) описывается формулой: z = 11,58 + 1,23х.

Исследования 1990-1991 гг. в полевых опытах на естественном инфекционном фоне показали, что сезонная динамика ризоктониоза зависит от состава и количественных параметров факторов передачи (таблица 5).

Передача возбудителя инфекции с клубнями обеспечивает ему заполнение экологической ниши с первых этапов развития растений, что вызывает гибель ростков, изреживание всходов. Отрицательное действие почвенного инокулюма было более значительным по сравнению с клубневым, начиная с начальных фаз развития картофеля. Для вариантов с совместным механизмом передачи возбудителя инфекции характерны значительная интенсивность патологического процесса и отсутствие существенных различий по вариантам, что указывает на ведущую роль почвенного инокулюма по сравнению с клубневым.

Таблица 5. Динамика ризоктониоза картофеля при передаче возбудителя через клубни и почву (1990-1991гг.),%

Полученные нами результаты подтверждены Ю.В. Пилиповой (1996) и А.В. Петуховым (2002).

Корреляционный анализ показал тесную связь между значениями склероциального индекса как обобщенного показателя инфекции на клубнях и развитием болезни на стеблях картофеля на протяжении всего вегетационного периода при передаче через клубни (r=0,93-0,95) и при обоих факторах передачи (r=0,92-0,64).

Поражение столонов находилось в зависимости от степени инфицирования клубней, а также от сопряженности факторов передачи возбудителя. При наличии одного только почвенного инокулюма количество пораженных столонов по сравнению с контролем возрастало в 2-4,5 раза, а опавших - в 2,4-13. В то же время при совместном действии почвенного и семенного инокулюмов не обнаруживали различий по вариантам между рассматриваемыми показателями.

Факторы передачи возбудителя определяли динамику численности гриба R.solani в почве (рисунок 3).

а)

 б)

Рисунок 3. Сезонная динамика численности популяции R.solani при передаче возбудителя через клубни (а), почву и клубни (б)

На делянках с исходной численностью ниже ПВ среднесезонные значения заселенности почвы составляли 16,8 пропагулы /100 г почвы, достигая 42-60 пропагул по вариантам опыта с клубневой инфекцией в форме склероциев. При исходном уровне заселенности почвы выше порога вредоносности численность гриба не превышала 26 пропагул/100г почвы в отдельных пробах, составляя в среднем за вегетацию 5,3-8,2 пропагулы на 100г почвы. Объяснением полученных результатов может служить отбор наиболее патогенных штаммов R.solani, относящихся к AG3, в то же время значительному увеличению популяции патогена в таких почвах препятствуют специализированные антагонисты.

Регулирование численности R.solani осуществляется изменениями в сезонной динамике почвенной микробиоты при передаче возбудителя через клубни и почву. В вариантах с заселенностью почвы ниже ПВ максимальное количество микроорганизмов (58,7х10⁴) отмечено уже на стадии всходов, что позволяло контролировать заселенность почвы возбудителем ризоктониоза на уровне 1-5 пропагул. После фазы цветения происходило увеличение почвенной популяции гриба R.solani на фоне снижения микробиологической активности почвы.

В вариантах с заселенностью почвы выше ПВ наблюдалась более длительная активность почвенных микроорганизмов с двумя пиками численности - в период всходов и начала созревания, что ограничивало численность возбудителя ризоктониоза в среднем по вариантам на уровне не выше 8 пропагул/100г почвы. Существенное значение в регуляции численности возбудителя ризоктониоза имели актиномицеты: их популяция в 1,4-2,6 раза различалась по фактору А с повышением при совместной передаче возбудителя.

Наличие существенной зависимости между уровнем заселенности почвы возбудителем ризоктониоза и урожайностью картофеля вызывает необходимость мониторинга заселенности почв грибом R. solani и составления фитопатологических почвенных картограмм (ФПК). Проверка методики в производственных условиях по результатам обследования более 5 тыс. га подтвердила возможность использования исходной численности патогена в почве для прогнозирования развития ризоктониоза картофеля (таблица 6).

Таблица 6. Развитие ризоктониоза в зависимости от фитосанитарного состояния почвы агроэкосистем картофеля в лесостепи Западной Сибири (результаты обследования более 5 тыс. га)

Таким образом, предлагаемая система мониторинга возбудителя ризоктониоза строится с учетом эволюционно-экологических признаков его жизненного цикла и включает современные усовершенствованные методы контроля генетического состава популяции, фитосанитарного состояния почвы, клубней и посадок картофеля (таблица 7).

Таблица 7. Система мониторинга и прогноза возбудителя ризоктониоза картофеля на основе эволюционно-экологических тактик жизненного цикла гриба R. solani

Глава 6. Разработка экологически безопасной системы защиты картофеля от ризоктониоза

Современная концепция совершенствования защиты сельскохозяйственных культур направлена на максимальную экологизацию, предусматривающую резкое снижение объемов применения дорогостоящих пестицидов, конструирование высокопродуктивных агроэкосистем, при одновременном повышении механизмов саморегуляции и обогащения полевых агроценозов полезными компонентами биоты, а также максимальное использование агротехнических приемов, ограничивающих развитие вредных организмов (Фадеев, 1979, Новожилов, 1997, Степановских, 2000, Зазимко, Долженко, Чулкина, Захаренко, 2005, Чулкина, Соколов, 2006).