Определенные штаммы эндофитного гриба эпихлоя могут защищать зерновые культуры, такие как пшеница, рожь и ячмень, от насекомых вредителей и повышать устойчивость к засухе. Новая стратегия биозащиты, основанная на эпихлое, также поможет сократить использование агрохимических пестицидов.
Эндофитные микроорганизмы, или эндофиты, существуют в симбиозе с высшими растениями. Эти отношения могут варьироваться от мутуалистических до патогенных.
Эндофиты могут влиять на скорость роста хозяина, устойчивость к стрессу окружающей среды и усвоение питательных веществ. В семействе растений Poaceae (злаки) существует много видов, которые коэволюционировали с эндофитными грибами семейства Clavicipitaceae.
В этом семействе грибов виды рода Epichloë образуют специфичные для хозяина отношения со злаками из подсемейства Pooideae, группы, которая включает основные возделываемые злаки (пшеницу, ячмень, овес и рожь), а также виды пастбищных и газонных трав. Хотя известно, что грибы эпихлоя не ассоциируются с одомашненными видами зерновых культур, они присутствуют у многих их диких сородичей.
Виды грибов рода Epichloë связаны с положительными результатами для их хозяев, такими как повышение энергии и урожайности, посредством различных механизмов, таких как повышение абиотической и биотической устойчивости посредством производства метаболитов алкалоидов.
Алкалоиды представляют собой разнообразный класс соединений, некоторые из которых оказывают физиологическое воздействие на насекомых и животных. Однако было обнаружено, что некоторые алкалоиды, продуцируемые Epichloë в сочетании с пастбищными травами, вызывают проблемы со здоровьем животных в Новом Свете (США и Новая Зеландия), где производство таких соединений, как эрговалина и лолитрема, вызывало токсичность для скота.
Вместе с тем полное устранение эпихлои привело к ухудшению производительности пастбищ из-за давления насекомых-вредителей, поэтому необходимость снижения токсичности при сохранении сдерживания вредителей с помощью нетоксичных штаммов Epichloë стала началом внедрения технологии защиты растений, основанной на эпихлое.
Отдельные штаммы Epichloë в настоящее время широко используются в сельском хозяйстве Нового Света для снижения случаев токсичности, связанной с Epichloë, для скота, обеспечивая при этом сдерживание вредителей растений на пастбищах. Считается, что продуцирующие токсины позвоночных бесполые штаммы Epichloë «дикого типа», подходят для этой цели.
Epichloë spp. делятся на три основные группы в зависимости от их симбиоза с растениями-хозяевами: бесполые, половые и плейотропные.
Половые виды Epichloë spp. обосновываются в воздушных тканях злаков, особенно в листьях, влагалищах и соцветиях. Бесполые виды обитают в апикальной меристеме и мигрируют в воздушные ткани, где некоторые колонизируют листовое влагалище и даже листовую пластинку. Все виды Epichloë могут присутствовать в тканях в виде гиф в межклеточном пространстве, в то время как половые виды также могут образовывать строму вокруг побегов злаков.
Бесполые виды не способны производить гимений с половыми спорами и редко производят бесполые споры (конидии) в зависимости от вида. Они в основном распространяются посредством вертикальной передачи, заражая семена своего хозяина. Считается, что бесполые виды являются результатом гибридизации между двумя различными половыми видами эпихлои.
Только половые виды могут размножаться посредством горизонтальной передачи через аскоспоры. Эти половые виды производят строму вокруг побега и могут подавлять производство соцветия и семян, вызывая заболевание, известное как «удушье». Половые споры могут распространяться ветром и/или мухами в пределах рода Botanophila, которые распространяют споры через свои фекалии в качестве взрослых особей. Плейотропные виды способны как к половому, так и к бесполому размножению и могут делать это на разных побегах одного и того же растения.
Жизненный цикл Epichloë spp. на злаках из подсемейства Pooideae. Гриб обитает в меристеме многолетних злаков или зараженных семенах хозяина. Бесполые виды передаются вертикально, тогда как половые и плейотропные виды могут передаваться как вертикально, так и горизонтально. Источник: www.cabidigitallibrary.org/doi/10.1079/planthealthcases.2025.0002
Каждый вид эпихлои формирует специфические взаимодействия хозяин-партнер с одним или несколькими видами злаков в пределах Pooideae. Диапазон хозяев некоторых Epichloë может быть искусственно увеличен в лабораторных условиях, но маловероятно, что вид Epichloë может обосноваться в хозяине, которого он еще не населяет в природе.
Этот диапазон хозяев еще больше сокращается у бесполых видов, которые часто возникают в результате гибридизации, создавая штамм, коэволюционировавший в один или несколько видов злаков. Эти бесполые виды размещаются внутри своего конкретного хозяина злаков и повышают его приспособленность, создавая мутуалистические отношения, в которых оба организма получают выгоду.
Текущие усилия по изучению крупных хромосомных изменений, которые поддерживают симбиоз Epichloë в современных сортах пшеницы, являются многообещающими для создания новых совместимых инфекций эпихлои у злаков.
На данный момент в Великобритании на рынке нет линий семян, намеренно зараженных Epichloë, поскольку отсутствует нагрузка членистоногих вредителей на пастбища, обнаруженная во многих районах Нового Света, которая и потребовала разработки продукта Epichloë. Поэтому обоснование использования трав, зараженных Epichloë, на пастбищах Великобритании менее очевидно.
Тем не менее, биология Epichloë обеспечивает интересный спектр возможных применений для сельского хозяйства в Великобритании, включая производство зерновых. В частности, в определенных ситуациях Epichloë является убедительным кандидатом для использования в качестве биологического метода с низкими затратами на повышение урожайности за счет устойчивости к абиотическим и биотическим стрессам.
Ученые из Института Джеймса Хаттона рассматривают возможность использования технологии Epichloë в зерновых культурах. Зерновые культуры используются в широком спектре товаров, включая хлеб, корма для животных, пиво и шотландский виски. Борьба с вредителями представляет собой одну из самых высоких затрат для производителей зерновых, и поддержание землепользования и высоких урожаев зерновых культур имеет жизненно важное значение.
Разработка и внедрение экономичных комплексных стратегий борьбы с вредителями, включая варианты биологического контроля, такие как технология Epichloë, предлагает новый инструмент для поддержания прибыльности после тщательной оценки преимуществ и рисков.
Источник: Сabi Digital Library.
На фото - мицелий Epichloë sp. (окрашен в синий цвет) при 20-кратном увеличении, населяющий листовую ткань овсянницы красной (Festuca rubra), отобранную в Глазго, Великобритания. Автор фото: Г. Фределл.