Эпидемиология болезней растений

Эпидемиология болезней растений - это изучение болезней в популяциях растений. Подобно болезням человека и других животных, болезни растений возникают из-за таких патогенов, как бактерии , вирусы , грибы , оомицеты , нематоды , фитоплазмы , простейшие и растения-паразиты . ^[1] Эпидемиологи по болезням растений стремятся понять причины и последствия болезней и разработать стратегии вмешательства в ситуациях, когда могут возникнуть потери урожая. Для выявления болезней растений применяют деструктивные и неразрушающие методы. Кроме того, понимание реакций иммунной системы растений принесет дополнительную пользу и ограничит потери урожая. Обычно успешное вмешательство приводит к достаточно низкому уровню заболеваемости, чтобы его можно было считать приемлемым, в зависимости от ценности урожая.

Эпидемиология болезней растений часто рассматривается с точки зрения междисциплинарного подхода, требующего биологической , статистической , агрономической и экологической точек зрения. Биология необходима для понимания патогена и его жизненного цикла. Это также необходимо для понимания физиологии урожая и того, как на него отрицательно влияет возбудитель. Агрономические методы часто влияют на заболеваемость в лучшую или худшую сторону. Экологические влияния многочисленны. Аборигенные виды растений могут служить резервуарами для патогенов, вызывающих заболевания сельскохозяйственных культур. Статистические модели часто применяются для обобщения и описания сложности эпидемиологии болезней растений, чтобы облегчить понимание процессов заболевания. ^[2]^[3] Например, сравнение моделей развития различных болезней, сортов, стратегий управления или условий окружающей среды может помочь определить, как лучше всего бороться с болезнями растений. Политика может оказывать влияние на возникновение заболеваний посредством таких действий, как ограничение импорта из источников, где возникает заболевание.

В 1963 году Дж. Э. ван дер Планк опубликовал книгу «Болезни растений: эпидемии и борьба с ними», в которой изложены теоретические основы изучения эпидемиологии болезней растений. ^[4] Эта книга представляет собой теоретическую основу, основанную на экспериментах с множеством различных патогенных систем-хозяев, и быстро продвинула вперед изучение эпидемиологии болезней растений, особенно грибковых лиственных патогенов. Используя эту структуру, мы теперь можем моделировать и определять пороговые значения эпидемий, которые происходят в однородной среде, такой как монокультурное поле. ^[4]

Элементы эпидемии

Эпидемии болезней растений могут привести к огромным потерям урожая, а также поставить под угрозу уничтожение целого вида , как это произошло с болезнью голландского вяза и может произойти с внезапной смертью дуба . Эпидемия фитофтороза картофеля, вызванная Phytophthora infestans , привела к Великому ирландскому голоду и гибели многих людей. ^[5]

Обычно элементы эпидемии называют «треугольником болезни»: восприимчивый хозяин, возбудитель и благоприятная среда. ^[1]^{[ нужна страница ]} Для возникновения заболевания должны присутствовать все три из них. Ниже приведена иллюстрация этого момента. Там, где встречаются все три пункта, возникает болезнь. Четвертый элемент, отсутствующий в этой иллюстрации для возникновения эпидемии, — это время. Пока присутствуют все три элемента, может начаться болезнь, а эпидемия возникнет только в том случае, если все три элемента продолжат присутствовать. Однако любой из троих может быть исключен из уравнения. Хозяин может перерасти восприимчивость, как в случае с устойчивостью взрослых растений к высоким температурам. ^[6] окружающая среда меняется и не способствует развитию заболевания возбудителем, или возбудитель контролируется путем применения фунгицидов.

Иногда добавляется четвертый фактор времени , поскольку время возникновения конкретной инфекции и продолжительность времени, в течение которого условия остаются жизнеспособными для этой инфекции, также могут играть важную роль в эпидемиях. ^[1]^{[ нужна страница ]} Возраст видов растений также может играть роль, поскольку у некоторых видов уровень устойчивости к болезням меняется по мере взросления; в процессе, известном как онтогенная резистентность. ^[1]

Если не соблюдены все критерии, например, присутствуют восприимчивый хозяин и патоген, но окружающая среда не способствует заражению патогена и возникновению заболевания, заболевание не может возникнуть. Например, кукурузу сажают на поле с кукурузными остатками, содержащими гриб Cercospora zea-maydis , возбудитель серой пятнистости листьев кукурузы, но если погода слишком сухая и нет влажности листьев, споры гриба в остатке не могут прорасти и инициировать инфекцию. ^{[ нужна ссылка ]}

Аналогично, если хозяин восприимчив и окружающая среда благоприятствует развитию заболевания, но возбудитель отсутствует, то заболевания нет. В приведенном выше примере кукурузу сажают на вспаханное поле, где нет кукурузных остатков с грибком Cercospora zea-maydis , возбудителем серой пятнистости листьев кукурузы, но погода означает длительные периоды влажности листьев, заражение не началось.

Когда для распространения патогена требуется переносчик, для возникновения эпидемии переносчик должен быть многочисленным и активным.

Иллюстрация треугольника болезней растений

Виды эпидемий

Возбудители вызывают моноциклические эпидемии с низким уровнем рождаемости и смертности , то есть имеют только один цикл заражения за сезон. Они типичны для почвенных болезней, таких как увядание льна фузариозное . Полициклические эпидемии вызываются возбудителями, способными совершать несколько циклов заражения за сезон. Чаще всего их вызывают заболевания, передающиеся воздушно-капельным путем, например, мучнистая роса . бимодальные Могут также возникать полициклические эпидемии. Например, при гнили косточковых плодов цветки и плоды бурой поражаются в разное время. ^{[ нужна ссылка ]}

Для некоторых заболеваний возникновение заболевания необходимо оценивать в течение нескольких вегетационных периодов, особенно при выращивании сельскохозяйственных культур в монокультуре год за годом или при выращивании многолетних растений . Такие условия могут означать, что инокулят, полученный в одном сезоне, может быть перенесен в следующий, что приведет к его накоплению с годами, особенно в тропиках , где нет четких перерывов между вегетационными периодами. ^{[ нужна ссылка ]}

Эпидемии в этих условиях называются полиэтическими ; они могут быть вызваны как моноциклическими, так и полициклическими возбудителями. Мучнистая роса яблони — пример полиэтической эпидемии, вызываемой полициклическим возбудителем; Болезнь голландского вяза — полиэтическая эпидемия, вызываемая моноциклическим возбудителем.

Обнаружение заболеваний

Существует множество различных способов обнаружить болезнь как деструктивно, так и недеструктивно. Для выяснения причины, последствий и лечения заболевания более выгоден неразрушающий метод. Это методы, при которых подготовка проб и/или повторяющиеся процессы не необходимы для измерения и наблюдения за состоянием здоровья растений. ^[7] Неразрушающие подходы могут включать обработку изображений, визуализацию, спектроскопию и дистанционное зондирование.

Фотография, цифровая обработка изображений и технологии анализа изображений — полезные инструменты для настройки обработки изображений. Из этих изображений извлекаются ценные данные, которые затем анализируются на наличие заболеваний. Но прежде чем проводить какой-либо анализ, первым шагом является получение изображения. И внутри этого шага содержится три этапа. Во-первых, это энергия, которая является источником света, освещающего интересующий объект. Во-вторых, это оптическая система, такая как камера, для фокусировки на энергии. В-третьих, это энергия, измеряемая датчиком. Чтобы продолжить обработку изображения, существует предварительная обработка, во время которой можно убедиться, что на анализ не влияют такие факторы, как фон, размер, форма листьев, свет и эффекты камеры. После предварительной обработки выполняется сегментация изображения. используется для разделения изображения между областями заболевания и отсутствия заболевания. В этих изображениях есть особенности цвета, текстуры и формы, которые можно извлечь и использовать для анализа. ^[7]

Подходы к обнаружению, основанные на визуализации, включают два основных метода: флуоресцентную визуализацию и гиперспектральную визуализацию. Флуоресцентная визуализация помогает определить метаболические условия растения. Для этого используется инструмент, направляющий свет на хлорофилловый комплекс растения. ^[7] Гиперспектральная визуализация используется для получения отраженных изображений. Такие методы включают в себя спектральную информационную дивергенцию (SID), при которой можно оценить спектральную отражательную способность, рассматривая диапазоны длин волн. ^[7]

Другой неразрушающий подход — спектроскопия. Здесь в дело вступают электромагнитный спектр и материя. Различают видимую и инфракрасную спектроскопию, флуоресцентную спектроскопию и электроимпедансную спектроскопию. Каждая спектроскопия дает информацию, включая типы энергии излучения, типы материалов, природу взаимодействия и многое другое. ^[7]

Наконец, последний неразрушающий подход – это применение дистанционного зондирования при заболеваниях растений. Здесь данные получаются без необходимости находиться рядом с установкой во время наблюдения. В дистанционном зондировании различают гиперспектральное и мультиспектральное. Гиперспектральный режим помогает обеспечить высокое спектральное и пространственное разрешение. Мультиспектральное дистанционное зондирование позволяет оценить тяжесть заболевания. ^[7]

По состоянию на 2015 год ^[update] существует необходимость в дальнейшей разработке тестов на антитела и молекулярные маркеры для выявления новых патогенов и выявления известных патогенов у новых хозяев, а также необходимость дальнейшей глобальной интеграции карантина и надзора . ^[8]

Иммунная система

Растения могут проявлять множество признаков или физических признаков грибковых, вирусных или бактериальных инфекций. Это может варьироваться от ржавчины или плесени до полного отсутствия проявления при проникновении патогена в растение (происходит при некоторых вирусных заболеваниях растений). ^[9] Симптомы видимого воздействия болезней на растение состоят из изменений цвета, формы или функции. ^[9] Эти изменения в растении согласуются с его реакцией на патогены или чужеродные организмы, которые негативно влияют на его систему. Несмотря на то, что у растений нет клеток, которые могут двигаться и бороться с чужеродными организмами, и у них нет соматической адаптивной иммунной системы, они имеют и зависят от врожденного иммунитета каждой клетки и системных сигналов. ^[10]

В ответ на инфекции растения имеют двухветвевую врожденную иммунную систему. Первая ветвь должна распознавать молекулы, схожие с классами микробов, и реагировать на них, включая непатогенные. ^[11] С другой стороны, вторая ветвь реагирует на факторы вирулентности патогена прямо или косвенно по отношению к хозяину. ^[11]

Рецепторы распознавания образов (PRR) активируются путем распознавания патогенных или связанных с микробами молекулярных структур, известных как PAMP или MAMP. Это приводит к PAMP-триггерному иммунитету или паттерн-триггерному иммунитету (PTI), при котором PRR вызывают внутриклеточную передачу сигналов, транскрипционное перепрограммирование и биосинтез сложного выходного ответа, который уменьшает колонизацию. ^[11]

Кроме того, R-гены, также известные как эффекторно-триггерный иммунитет, активируются специфическими «эффекторами» патогенов, которые могут вызвать сильный антимикробный ответ. ^[11] И PTI, и ETI помогают защитить растения посредством активации DAMP, который представляет собой соединение, вызывающее повреждение. ^[11] Клеточные изменения или изменения в экспрессии генов активируются посредством открытия ионных каналов, окислительного взрыва, клеточных окислительно-восстановительных изменений или каскадов протеинкиназ через рецепторы PTI и ETI. ^[11]

Влияние

За 2013 год от инвазивных болезней деревьев погибло около 100 миллионов вязов в Великобритании и США , а также 3,5 миллиарда американских каштанов . ^[12]

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Агриос, Джордж (2005). Патология растений . Академическая пресса. ISBN 978-0-12-044565-3 .
^ Арнесон, Пенсильвания (2001). «Эпидемиология болезней растений: временные аспекты» . Инструктор по здоровью растений . Американское фитопатологическое общество. doi : 10.1094/PHI-A-2001-0524-01 (неактивен 8 апреля 2024 г.). Архивировано из оригинала 23 февраля 2008 г. {{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на апрель 2024 г. ( ссылка )
^ Мэдден, Лоуренс; Гарет Хьюз; Фрэнк Ван Ден Бош (2007). Изучение эпидемий болезней растений . Американское фитопатологическое общество. ISBN 978-0-89054-354-2 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Дрент, А. (2004). «Грибковые эпидемии – имеет ли значение пространственная структура?» . Новый фитолог . 163 (1). Блэквеллс: 4–7. дои : 10.1111/j.1469-8137.2004.01116.x . ПМИД 33873785 .
^ Ó Града, Кормак (2006) Великий голод в Ирландии , Университетский колледж Дублина, ISBN 978-1-9045-5858-3 , с. 7
^ Шульц, ТР; Линия, РФ (1992). «Высокотемпературная устойчивость взрослых растений к полосатой ржавчине пшеницы и влияние на компоненты урожая». Агрономический журнал . 84 (2). Американское общество агрономии : 170–175. Бибкод : 1992AgrJ...84..170S . дои : 10.2134/agronj1992.00021962008400020009x . S2CID 84879649 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Али, Маймуна Мохд; Бачик, Нур Азиза; Мухади, Нур Атира; г-н Юсоф, г-н Норизан; Гомес, Чандима (декабрь 2019 г.). «Неразрушающие методы выявления болезней растений: обзор». Физиологическая и молекулярная патология растений . 108 : 101426. дои : 10.1016/j.pmpp.2019.101426 . S2CID 199635227 .
^ Беббер, Дэниел П.; Гурр, Сара Дж. (2015). «Разрушающие урожай грибковые и оомицетовые патогены ставят под угрозу продовольственную безопасность». Грибковая генетика и биология . 74 . Академическая пресса : 62–64. дои : 10.1016/j.fgb.2014.10.012 . ISSN 1087-1845 . ПМИД 25459533 .
^ Перейти обратно: ^а ^б «Признаки и симптомы болезней растений: грибковые, вирусные или бактериальные?» . Расширение МГУ . 19 декабря 2012 года . Проверено 10 июня 2020 г.
^ «Болезни растений: патогены и циклы» . КропВотч . 19 декабря 2016 г. Проверено 10 июня 2020 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Джонс, Джонатан Д.Г.; Дангл, Джеффри Л. (16 ноября 2006 г.). «Имунная система растений» . Природа . 444 (7117): 323–329. Бибкод : 2006Natur.444..323J . дои : 10.1038/nature05286 . ПМИД 17108957 .
^ Фишер, Мэтью С.; Хенк, Дэниел. А.; Бриггс, Шерил Дж.; Браунштейн, Джон С.; Мэдофф, Лоуренс К.; МакКроу, Сара Л.; Гурр, Сара Дж. (2012). «Новые грибковые угрозы здоровью животных, растений и экосистем» . Природа . 484 (7393). Портфолио природы : 186–194. Бибкод : 2012Natur.484..186F . дои : 10.1038/nature10947 . ISSN 0028-0836 . ПМК 3821985 . ПМИД 22498624 . S2CID 4379694 . (MCF ORCID 0000-0002-1862-6402 RID B-9094-2011 ). (DAH GS AbPV6MYAAAAJ ORCID 0000-0002-1142-3143 Publons 4361029 ). (CJB RID F-7456-2013 ). (SJG ORCID 0000-0002-4821-0635 ) . НИХМСИД 514851.

Дальнейшее чтение

Эпидемиология болезней сельскохозяйственных культур

Карвахаль-Йепес, М.; Кардвелл, К.; Нельсон, А.; Гарретт, Калифорния; Джовани, Б.; Сондерс, DGO; Камун, С.; Легг, JP; Вердье, В.; Лессель, Дж.; Неер, РА; Дэй, Р.; Парди, П.; Гуллино, МЛ; Отчеты, Арканзас; Бекстин, Б.; Лич, Дж. Э.; Штайгер, С.; Томе, Дж. (27 июня 2019 г.). «Глобальная система надзора за болезнями сельскохозяйственных культур» . Наука . 364 (6447). Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS): 1237–1239. Бибкод : 2019Sci...364.1237C . дои : 10.1126/science.aaw1572 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 31249049 . S2CID 195750384 .

«Глобальная система надзора за посевами – защита от болезней» . Институт новых патогенов . Университет Флориды . 11 июля 2019 г. Проверено 12 февраля 2021 г.

«Деятельность по надзору за болезнями сельскохозяйственных культур» . Сельское хозяйство и продовольствие . Западной Австралии, Департамент первичной промышленности и регионального развития сельское хозяйство и продовольствие . 07.05.2020 . Проверено 12 февраля 2021 г.
Флетчер, Жаклин; Стек, Джеймс П. «Стратегии надзора § Сельскохозяйственная биобезопасность: угрозы и последствия для патогенов растений» . Книжная полка NCBI ( Национальный центр биотехнологической информации ) . National Academies Press ( Национальная академия наук ) . Проверено 12 февраля 2021 г.

Внешние ссылки

Экология и эпидемиология в среде программирования R — модули открытого доступа, опубликованные в The Plant Health Instructor.

[Agrios-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Агриос, Джордж (2005). Патология растений . Академическая пресса. ISBN 978-0-12-044565-3 .

[Arneson-2] Арнесон, Пенсильвания (2001). «Эпидемиология болезней растений: временные аспекты» . Инструктор по здоровью растений . Американское фитопатологическое общество. doi : 10.1094/PHI-A-2001-0524-01 (неактивен 8 апреля 2024 г.). Архивировано из оригинала 23 февраля 2008 г. {{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на апрель 2024 г. ( ссылка )

[Madden-3] Мэдден, Лоуренс; Гарет Хьюз; Фрэнк Ван Ден Бош (2007). Изучение эпидемий болезней растений . Американское фитопатологическое общество. ISBN 978-0-89054-354-2 .

[Drenth-4] Перейти обратно: ^а ^б Дрент, А. (2004). «Грибковые эпидемии – имеет ли значение пространственная структура?» . Новый фитолог . 163 (1). Блэквеллс: 4–7. дои : 10.1111/j.1469-8137.2004.01116.x . ПМИД 33873785 .

[5] Ó Града, Кормак (2006) Великий голод в Ирландии , Университетский колледж Дублина, ISBN 978-1-9045-5858-3 , с. 7

[6] Шульц, ТР; Линия, РФ (1992). «Высокотемпературная устойчивость взрослых растений к полосатой ржавчине пшеницы и влияние на компоненты урожая». Агрономический журнал . 84 (2). Американское общество агрономии : 170–175. Бибкод : 1992AgrJ...84..170S . дои : 10.2134/agronj1992.00021962008400020009x . S2CID 84879649 .

[:0-7] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Али, Маймуна Мохд; Бачик, Нур Азиза; Мухади, Нур Атира; г-н Юсоф, г-н Норизан; Гомес, Чандима (декабрь 2019 г.). «Неразрушающие методы выявления болезней растений: обзор». Физиологическая и молекулярная патология растений . 108 : 101426. дои : 10.1016/j.pmpp.2019.101426 . S2CID 199635227 .

[Bebber-Gurr-2015-8] Беббер, Дэниел П.; Гурр, Сара Дж. (2015). «Разрушающие урожай грибковые и оомицетовые патогены ставят под угрозу продовольственную безопасность». Грибковая генетика и биология . 74 . Академическая пресса : 62–64. дои : 10.1016/j.fgb.2014.10.012 . ISSN 1087-1845 . ПМИД 25459533 .

[:1-9] Перейти обратно: ^а ^б «Признаки и симптомы болезней растений: грибковые, вирусные или бактериальные?» . Расширение МГУ . 19 декабря 2012 года . Проверено 10 июня 2020 г.

[10] «Болезни растений: патогены и циклы» . КропВотч . 19 декабря 2016 г. Проверено 10 июня 2020 г.

[:2-11] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Джонс, Джонатан Д.Г.; Дангл, Джеффри Л. (16 ноября 2006 г.). «Имунная система растений» . Природа . 444 (7117): 323–329. Бибкод : 2006Natur.444..323J . дои : 10.1038/nature05286 . ПМИД 17108957 .

[Fisher-et-al-2012-12] Фишер, Мэтью С.; Хенк, Дэниел. А.; Бриггс, Шерил Дж.; Браунштейн, Джон С.; Мэдофф, Лоуренс К.; МакКроу, Сара Л.; Гурр, Сара Дж. (2012). «Новые грибковые угрозы здоровью животных, растений и экосистем» . Природа . 484 (7393). Портфолио природы : 186–194. Бибкод : 2012Natur.484..186F . дои : 10.1038/nature10947 . ISSN 0028-0836 . ПМК 3821985 . ПМИД 22498624 . S2CID 4379694 . (MCF ORCID 0000-0002-1862-6402 RID B-9094-2011 ). (DAH GS AbPV6MYAAAAJ ORCID 0000-0002-1142-3143 Publons 4361029 ). (CJB RID F-7456-2013 ). (SJG ORCID 0000-0002-4821-0635 ) . НИХМСИД 514851.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]