Фузариоз колоса (Fusarium head blight, FHB), вызываемый Fusarium graminearum, является серьезным грибным заболеванием, которое отрицательно влияет на производство пшеницы и продовольственную безопасность. В новом исследовании китайские ученые оценили фунгицидную эффективность сильных окислительных радикалов (strong oxidative radicals - SOR) против F. graminearum и их влияние на рост и урожайность пшеницы с помощью комбинации экспериментов in vitro и полевых экспериментов.
Пшеница, как одна из основных культур в мире, играет решающую роль в обеспечении продовольственной безопасности. Фузариозная гниль колоса – давняя проблема для культуры.
Исследования фузариоза колоса начались в начале 20-го века и активно продолжаются до сих пор. Сегодня эта болезнь широко распространена в Северной Америке, Европе и Азии, причем китайский регион пшеницы Хуан-Хуай является одним из наиболее пострадавших районов. В годы массовых вспышек фузариозной гнили колоса потери пшеницы в Китае могут достигать до 30-50%, а в некоторых сильно пострадавших районах наблюдается полная неурожайность.
Фузариоз колоса вызывается грибом F. graminearum, который накапливает значительные количества токсинов в зараженных зернах, что создает риски для здоровья человека и животных. Дезоксиниваленол (DON), также известный как вомитоксин, является основным микотоксином, обнаруженным в пшенице и ее продуктах.
Влияние изменения климата и методов ведения сельского хозяйства увеличило частоту и диапазон фузариоза колоса, что делает болезнь растущей угрозой для глобальной продовольственной безопасности.
Традиционные методы борьбы включают химическую обработку, выведение устойчивых сортов и агрономические приемы. Однако каждый из этих методов имеет ограничения в практическом применении.
Химический контроль, в первую очередь посредством применения фунгицидов, остается наиболее распространенным и прямым методом. Эти фунгициды работают путем ингибирования роста патогенов, их размножения или синтеза токсинов.
Основные химические методы борьбы с фузариозом колоса включают триазолы (например, тебуконазол, пропиконазол, флуконазол), бензимидазолы (например, карбендазим, тиофанат-метил) и новые фунгициды SDHI (например, флуопирам). Триазолы предпочтительны из-за их широкого спектра действия и системных свойств. Хотя химический контроль эффективен в краткосрочной перспективе, долгосрочная зависимость от этих методов может привести к устойчивости патогенов. Устойчивость F. graminearum к триазолам была зарегистрирована во всем мире. Кроме того, широкое использование пестицидов может привести к загрязнению окружающей среды и деградации почвы, что ставит под угрозу здоровье экосистемы.
Выведение устойчивых сортов считается экологически устойчивой и экономически эффективной стратегией контроля, однако факторы окружающей среды существенно влияют на уровни устойчивости, и устойчивые сорта показывают разные результаты в разных экологических зонах. Выведение устойчивых сортов - это долгосрочный процесс, и в настоящее время ни один сорт пшеницы не обладает полным иммунитетом к фузариозу колоса пшеницы.
Агрономические методы управления также играют важную роль в комплексном контроле, и было показано, что внедрение севооборота, точное управление плотностью посева и удобрениями, а также быстрое удаление инфицированных растительных остатков после сбора урожая значительно снижают риск повторного заражения патогенами на сельскохозяйственных полях.
Поэтому современное сельское хозяйство делает упор на стратегию комплексной борьбы с вредителями (IPM), которая сочетает в себе химическую обработку, устойчивые сорта и агрономическое управление для максимизации синергетического эффекта множественных методов.
В результате изучение новых технологий «зеленой борьбы» с вредителями стало критически важным направлением исследований в области управления фузариозом колоса пшеницы.
Быстрый рост индустрии зеленых пестицидов привел к широкому интересу к технологии использования растворов сильных окислительных радикалов для частичной замены традиционных химических пестицидов из-за ее значительного исследовательского потенциала и широких рыночных перспектив.
SOR, такие как O 2+ , O, (O 3 P), O 3 и O 2− , генерируются с помощью технологии разряда DBD. «Dielectric Barrier Discharge» называется также тихим электрическим разрядом. Это разряд, при котором один из электродов гальванически развязан и в процессе вырабатывается озон.
Эти радикалы подвергаются реакциям массопереноса газ-жидкость, создавая серию цепных реакций, которые в сочетании с технологиями микро-нано-газовых пузырьков эффективно синтезируют радикальные растворы, богатые радикалами ·OH, ·HO 2− и ·O 3− .
Этот подход привлек значительное внимание из-за его преимуществ, включая отсутствие остатка, сильное окисление, спектральную стерилизацию и повышенную урожайность и рентабельность.
SOR (сильные окислительные радикалы), с их чрезвычайно высоким окислительно-восстановительным потенциалом, могут реагировать с широким спектром органических молекул и нашли применение в таких областях, как очистка воды и воздуха. Исследования показали, что SOR разрушают клеточные мембраны патогенов посредством перекисного окисления липидов, вызывая утечку клеточного содержимого, тем самым подавляя рост патогена. Они напрямую нацелены на ДНК патогена, вызывая окисление оснований и разрывы цепей, что ухудшает репродуктивные способности патогенов, нарушает функции ферментов и мешает нормальным метаболическим процессам.
В последние годы SOR широко использовались в различных аспектах контроля заболеваний, а также для сохранения фруктов, овощей и морепродуктов из-за его высокоэффективных антимикробных и экологически чистых свойств. Например, озон, как в газообразной, так и в водной форме, значительно снижал количество бактерий (КОЕ/мл) Staphylococcus aureus и Enterococcus faecalis при всех протестированных концентрациях и продолжительностях. Концентрации 40 мкг/мл и 60 мкг/мл были заметно более эффективными, чем 20 мкг/мл для обоих штаммов бактерий.
Исследования по детоксикации афлатоксинов в арахисе с использованием озона показали, что в условиях влажности 5% ( w / w, вес к весу) и обработки озоном 6,0 мг/л в течение 30 мин при комнатной температуре, показатели детоксикации для общего количества афлатоксинов и афлатоксина B1 (AFB1) составили 65,8% и 65,9% соответственно, что демонстрирует эффективное разложение афлатоксинов.
Обработка озонированной водой клубники в течение 5 мин задержала начало заражения серой гнилью на 4 дня и значительно снизила заболеваемость во время хранения (примерно на 17% ниже, чем в контрольной группе на 8-й день), тем самым продлевая срок хранения при 5 °C.
Обработка озоном зерна пшеницы, загрязненного F. graminearum и загрязненные DON, продемонстрировали значительный эффект на ингибирование грибов и деградацию DON, особенно при 120-минутном воздействии и концентрации 60 ммоль/моль.
Кроме того, из-за их быстрых скоростей биохимических реакций SOR могут разрушать микробные клетки посредством электрофильного присоединения, дегидрирования и переноса электронов, в конечном итоге разлагая их на H2O, CO2 и следы неорганических солей без токсичных побочных продуктов. Поэтому SOR привлекли значительное внимание исследователей окружающей среды и сельского хозяйства и показывают большие перспективы в борьбе с сельскохозяйственными патогенами.
В свете вышеупомянутого, целью данного исследования коллектива ученых из Университет Цзянсу стало изучение фунгицидного механизма SOR против F. graminearum и их воздействие на фузариоз колоса пшеницы.
Оптимизируя параметры стерилизации SOR, они исследовали ингибирующее воздействие на F. graminearum, механизмы действия и практическую осуществимость полевого применения. Результаты данного исследования предлагают новый подход к зеленому контролю FHB и предоставляют ценные предпосылки для комплексного управления другими болезнями сельскохозяйственных культур.
Возбудитель F. graminearum (лабораторный изолят) штамм F. graminearum Fg-01, используемый в этом исследовании, был получен из инфицированных растений пшеницы, собранных в провинции Цзянсу, Китай.
Система генерации SOR сконструирована исследовательской группой. Высокоионизирующее разрядное устройство было спроектировано с разрядным зазором 0,5 мм. Пластины разрядных электродов были изготовлены из спеченных металлических материалов с серебряным покрытием, а керамические листы служили в качестве диэлектрического слоя. Общая мощность системы генерации газообразных радикалов составляла 600 Вт, в то время как блок смешивания газа и жидкости работал на уровне 0,75 кВт. Скорость поступления озона составляла 3,0 л/мин, а pH системы поддерживался на уровне 5,2.
В качестве экспериментального материала в данном исследовании использовался сорт пшеницы «Цзи Май 23», который очень восприимчив к фузариозу колоса и предложен Институтом исследований сельскохозяйственных культур Шаньдунской академии сельскохозяйственных наук.
В этом исследовании систематически оценивалась фунгицидная эффективность сильных окислительных радикалов (SOR) против F. graminearum и их влияние на рост и урожайность пшеницы с помощью комбинации экспериментов in vitro и полевых экспериментов.
Эксперименты in vitro показали, что растворы, содержащие различные концентрации радикалов, эффективно подавляют патогенный гриб. Результаты свидетельствуют о том, что растворы SOR проявляют мощную фунгицидную активность против F. graminearum.
При концентрации 4,0 мг/л смертность спор составила 96,8%, а при 5,0 мг/л эта скорость достигла 99,4%. Оптимальная концентрация для устранения спор F. graminearum была определена как 2,5 × 10 5 КОЕ/мл. Оптимальная продолжительность обработки для SOR составила 10 мин. К
роме того, полевые испытания исследовали влияние SOR на рост пшеницы, и были оценены агрономические признаки, а также их эффективность в борьбе с FHB в полевых испытаниях, как в качестве самостоятельной обработки, так и в сочетании с коммерческими пестицидами.
Результаты показали, что применение только SOR достигло 87,9% эффективности контроля, продемонстрировав значительный потенциал для контроля заболеваний. Кроме того, SOR положительно повлияли на агрономические признаки пшеницы, такие как высота растения, длина колоса, вес зерна на растение, количество зерен на растение и урожайность зерна, предоставив многообещающий новый подход к зеленому контролю FHB.
По статье группы авторов (Хуанхуан Чжан, Бо Чжан, Хуаган Хэ, Лулу Чжан, Синькан Ху, Чунду Ву), опубликованной в журнале Agriculture 2025 на портале www.mdpi.com).
Заглавное фото: Лукьянов Дмитрий, AgroXXI.ru.