Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Эпидемиология болезней растений - это изучение болезней в популяциях растений. Как и болезни человека и других животных, болезни растений возникают из-за патогенов, таких как бактерии , вирусы , грибы , оомицеты , нематоды , фитоплазмы , простейшие и паразитические растения . [1]Эпидемиологи болезней растений стремятся понять причины и последствия болезней и разработать стратегии вмешательства в ситуациях, когда может произойти потеря урожая. Деструктивные и неразрушающие методы используются для выявления болезней растений. Кроме того, понимание ответов иммунной системы растений принесет дополнительную пользу и ограничит потери урожая. Обычно успешное вмешательство приводит к достаточно низкому уровню заболеваемости, чтобы быть приемлемым, в зависимости от ценности урожая.

Эпидемиология болезней растений часто рассматривается с междисциплинарного подхода, требующего биологических , статистических , агрономических и экологических перспектив. Биология необходима для понимания возбудителя и его жизненного цикла. Это также необходимо для понимания физиологии урожая и того, как патоген отрицательно влияет на него. Агрономические практики часто влияют на заболеваемость в лучшую или в худшую сторону. Экологические влияния многочисленны. Аборигенные виды растений могут служить резервуаром для патогенов, вызывающих болезни сельскохозяйственных культур. Статистические моделичасто применяются для обобщения и описания сложности эпидемиологии болезней растений, чтобы можно было легче понять процессы болезни. [2] [3] Например, сравнение моделей развития болезни для различных болезней, сортов, стратегий управления или условий окружающей среды может помочь в определении того, как лучше всего управлять болезнями растений. Политика может влиять на возникновение заболеваний посредством таких действий, как ограничение импорта из источников, где возникает заболевание.

В 1963 году Дж. Э. ван дер Планк опубликовал «Болезни растений: эпидемии и борьба», основополагающий труд, который создал теоретическую основу для изучения эпидемиологии болезней растений. [4] Эта книга обеспечивает теоретическую основу, основанную на экспериментах с множеством различных систем патогенов-хозяев, и быстро продвинула вперед изучение эпидемиологии болезней растений, особенно грибковых патогенов на листьях. Используя эту структуру, мы теперь можем моделировать и определять пороговые значения для эпидемий, которые происходят в однородной среде, такой как поле монокультурных культур. [4]

Элементы эпидемии [ править ]

Эпидемии болезней растений могут привести к огромным потерям урожая сельскохозяйственных культур, а также угрожать уничтожением целого вида , как это было в случае с голландской болезнью вяза и могло 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 болезней»: восприимчивый хозяин, патоген и благоприятная среда. [1] Чтобы болезнь возникла, должны присутствовать все три из них. Ниже приведена иллюстрация этого момента. Там, где встречаются все три элемента, возникает болезнь. Четвертый элемент, отсутствующий в этой иллюстрации для возникновения эпидемии, - это время. Пока присутствуют все три этих элемента, болезнь может инициироваться, эпидемия будет развиваться только в том случае, если все три будут присутствовать. Однако любой из трех может быть исключен из уравнения. Хозяин может превзойти восприимчивость к высокотемпературным взрослым растениям, [6] окружающая среда меняется и не способствует тому, чтобы патоген мог вызвать заболевание, или патоген контролируется, например, с помощью фунгицида.

Иногда добавляется четвертый фактор времени, поскольку время, когда возникает конкретная инфекция, и продолжительность времени, в течение которого условия остаются жизнеспособными для этой инфекции, также могут играть важную роль в эпидемиях. [1] Возраст растений также может иметь значение, поскольку некоторые виды изменяют свой уровень устойчивости к болезням по мере взросления; в процессе, известном как онтогенная резистентность. [1]

Если не соблюдаются все критерии, например, присутствуют восприимчивый хозяин и патоген, но окружающая среда не способствует заражению патогеном и возникновению болезни, болезнь не может возникнуть. Например, кукурузу высаживают на поле с остатками кукурузы, на котором есть гриб Cercospora zea-maydis , возбудитель серой пятнистости листьев кукурузы, но если погода слишком сухая и нет влажности листьев, споры гриба в остатке не может прорасти и вызвать инфекцию.

Точно так же разумно, если хозяин восприимчив и окружающая среда благоприятствует развитию болезни, но патоген отсутствует, значит, нет болезни. В приведенном выше примере кукуруза высаживается на вспаханное поле, где нет остатков кукурузы с грибком Cercospora zea-maydis , возбудителем серой пятнистости листьев кукурузы, присутствует, но погода означает продолжительные периоды влажности листьев, есть инфекция не инициировалась.

Если для распространения возбудителя требуется переносчик, то для возникновения эпидемии переносчик должен быть многочисленным и активным.

  • Иллюстрация треугольника болезни растений

Типы эпидемий [ править ]

Патогены вызывают моноциклические эпидемии с низким уровнем рождаемости и смертности , что означает, что у них бывает только один цикл заражения за сезон. Они являются типичными для почвенно-инфекционных заболеваний , таких как Fusarium увядания из льна . Полициклические эпидемии вызываются патогенами, способными к нескольким циклам заражения за сезон. Чаще всего они вызываются воздушно-капельным путем, например, мучнистой росой . Также могут возникать бимодальные полициклические эпидемии. Например, в бурой гнили из косточковых плодов в цвете и плоды заражаются в разное время.

При некоторых заболеваниях важно учитывать возникновение болезни в течение нескольких вегетационных сезонов, особенно при выращивании сельскохозяйственных культур в монокультуре из года в год или при выращивании многолетних растений . Такие условия могут означать, что посевной материал, полученный за один сезон, может быть перенесен в следующий, что приведет к накоплению посевного материала на протяжении многих лет. В тропиках нет четких перерывов между вегетационными сезонами, как в регионах с умеренным климатом, и это может привести к накоплению инокулята.

Эпидемии, возникающие в этих условиях, называются полиетическими эпидемиями и могут быть вызваны как моноциклическими, так и полициклическими патогенами. Мучнистая роса яблони является примером полиэтиологической эпидемии, вызванной полициклическим патогеном, а болезнь голландского вяза - полиэтиологической эпидемией, вызванной моноциклическим патогеном.

Выявление болезней [ править ]

Есть много разных способов определить болезнь как деструктивно, так и неразрушающим образом. Чтобы понять причину, влияние и вылечить болезнь, более предпочтителен неразрушающий метод. Это методы, при которых подготовка образцов и / или повторяющиеся процессы не являются необходимыми 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. Ценные данные извлекаются из этих изображений, а затем анализируются на предмет заболеваний. Но до того, как произойдет какой-либо анализ, получение изображения - это первый шаг. И в рамках этого шага есть три этапа. Во-первых, это энергия, которая является источником света, освещающего интересующий объект. [7] Во-вторых, это оптическая система, такая как камера, для фокусировки энергии. [7] В- третьих, это энергия, измеренная датчиком. [7] Чтобы продолжить обработку изображения, есть предварительный процесс, в котором можно убедиться, что нет таких факторов, как фон, размер, форма листа, свет и эффекты камеры при анализе. [7]После предварительной обработки используется сегментация изображения, чтобы разделить изображение между областями с заболеванием и без него. В этих изображениях есть особенности цвета, текстуры и формы, которые можно извлечь и использовать для анализа. [7] В совокупности эта информация может помочь классифицировать болезни.

Основанные на визуализации подходы к обнаружению включают два основных метода: флуоресцентную визуализацию и гиперспектральную визуализацию. Флуоресцентная визуализация помогает определить метаболические условия растения. Для этого используется инструмент, позволяющий осветить хлорофилловый комплекс растения. [7] Для получения отраженных изображений используется гиперспектральная визуализация. Такие методы включают расхождение спектральной информации (SID), где можно оценить спектральную отражательную способность, глядя на диапазоны длин волн. [7]

Другой неразрушающий подход - спектроскопия. Здесь задействованы электромагнитный спектр и материя. Различают видимую и инфракрасную спектроскопию, флуоресцентную спектроскопию и электроимпедансную спектроскопию. Каждая спектроскопия дает информацию, включая типы энергии излучения, типы материалов, характер взаимодействия и многое другое. [7]

Наконец, последний неразрушающий подход - это применение дистанционного зондирования при болезнях растений. Здесь данные получают без необходимости находиться рядом с растением во время наблюдения. Дистанционное зондирование бывает гиперспектральным и мультиспектральным. Гиперспектральный помогает обеспечить высокое спектральное и пространственное разрешение. [7] Мультиспектральное дистанционное зондирование позволяет определить степень тяжести заболевания. [7]

Иммунная система [ править ]

У растений может быть множество признаков или физических доказательств грибковых, вирусных или бактериальных инфекций. Это может быть как ржавчина или плесень, так и отсутствие каких-либо проявлений, когда патоген вторгается в растение (встречается при некоторых вирусных заболеваниях растений). [8] Симптомы, которые являются видимым воздействием болезней на растение, состоят в изменении цвета, формы или функции. [8] Эти изменения в растении координируются с их реакцией на патогены или чужеродные организмы, которые негативно влияют на их 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 врожденный иммунитет каждой клетки и системные сигналы и зависят от него. [9]

В ответ на инфекции растения имеют врожденную иммунную систему с двумя ветвями. Первая ветвь должна распознавать и реагировать на молекулы, которые похожи на классы микробов, включая непатогены. [10] С другой стороны, вторая ветвь напрямую или косвенно отвечает на факторы вирулентности патогенов хозяину. [10]

Рецепторы распознавания образов (PRR) активируются при распознавании патогенов или связанных с микробами молекулярных паттернов, известных как PAMP или MAMP. Это приводит к иммунитету, запускаемому PAMP, или иммунитету, запускаемому паттерном (PTI), где PRR вызывают внутриклеточную передачу сигналов, транскрипционное репрограммирование и биосинтез сложного выходного ответа, который снижает колонизацию. [10]

Кроме того, гены R, также известные как иммунитет , запускаемый эффектором, активируются специфическими «эффекторами» патогенов, которые могут вызывать сильный антимикробный ответ. [10] И PTI, и ETI способствуют защите растений за счет активации DAMP, который представляет собой соединения, связанные с повреждениями. [10] Клеточные изменения или изменения в экспрессии генов активируются посредством стробирования ионных каналов, окислительного взрыва, клеточных окислительно-восстановительных изменений или каскадов протеинкиназы через рецепторы PTI и ETI. [10]

См. Также [ править ]

  • Дистанционная диагностика с помощью цифровых изображений (DDDI)
  • Пейзажная эпидемиология
  • Прогнозирование болезней растений
  • Роберт Хартиг
  • Лесная патология
  • Фитопатология с историческими вехами в патологии растений

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б в г Агриос, Джордж (2005). Патология растений . Академическая пресса. ISBN 978-0-12-044565-3.
  2. ^ Arneson, PA (2001). «Эпидемиология болезней растений: временные аспекты» . Инструктор по охране здоровья растений . Американское фитопатологическое общество. DOI : 10,1094 / PHI-А-2001-0524-01 . Архивировано из оригинала на 2008-02-23.
  3. ^ Мэдден, Лоуренс; Гарет Хьюз; Франк Ван ден Бош (2007). Изучение эпидемий болезней растений . Американское фитопатологическое общество. ISBN 978-0-89054-354-2.
  4. ^ a b Дрент, A (2004). «Грибковые эпидемии - имеет ли значение пространственная структура?» . Новый фитолог . Блэквеллс. 163 (1): 4–7. DOI : 10.1111 / j.1469-8137.2004.01116.x .
  5. ^ Кормак Ó Града, Великий голод в Ирландии, Университетский колледж Дублина, 2006, ISBN 978-1-9045-5858-3 , стр. 7 
  6. ^ Шульц, TR; Линия, РФ (1992). «Высокотемпературная устойчивость взрослых растений к полосовой ржавчине пшеницы и влияние на компоненты урожая» . Агрономический журнал . Американское агрономическое общество. 84 (2): 170–175. DOI : 10,2134 / agronj1992.00021962008400020009x .[ постоянная мертвая ссылка ]
  7. ^ Б с д е е г ч я J K Ali, Maimunah Мохда; Бачик, Нур Азиза; Мухади, Нур Атира; Туан Юсоф, Туан Норизан; Гомес, Чандима (декабрь 2019 г.). «Неразрушающие методы обнаружения болезней растений: обзор». Физиологическая и молекулярная патология растений . 108 : 101426. дои : 10.1016 / j.pmpp.2019.101426 . ISSN 0885-5765 . 
  8. ^ a b «Признаки и симптомы заболевания растений: грибковое, вирусное или бактериальное?» . Расширение МГУ . Проверено 10 июня 2020 .
  9. ^ «Болезни растений: патогены и циклы» . CropWatch . 2016-12-19 . Проверено 10 июня 2020 .
  10. ^ a b c d e е Джонс, Джонатан Д. Г .; Дангл, Джеффри Л. (16 ноября 2006 г.). «Иммунная система растений» . Природа . 444 (7117): 323–329. DOI : 10,1038 / природа05286 . ISSN 1476-4687 . PMID 17108957 .  

Дальнейшее чтение [ править ]

Эпидемиология болезней сельскохозяйственных культур [ править ]

  • Carvajal-Yepes, M .; Cardwell, K .; Nelson, A .; Garrett, KA; Giovani, B .; Сондерс, DGO; Kamoun, S .; Legg, JP; Verdier, V .; Lessel, J .; Neher, RA; День, р .; Pardey, P .; Гуллино, МЛ; Рекорды, AR; Bextine, B .; Leach, JE; Staiger, S .; Томе, Дж. (27.06.2019). «Глобальная система эпиднадзора за болезнями сельскохозяйственных культур» (PDF) . Наука . Американская ассоциация развития науки (AAAS). 364 (6447): 1237–1239. DOI : 10.1126 / science.aaw1572 . ISSN  0036-8075 . PMID  31249049 . S2CID  195750384 .
  • «Глобальная система надзора за посевами, оплот против болезней» . Институт новых патогенов . Университет Флориды . 2019-07-11 . Проверено 12 февраля 2021 .
  • «Мероприятия по надзору за болезнями сельскохозяйственных культур» . Сельское хозяйство и пищевая промышленность . Департамент первичной промышленности и регионального развития сельского хозяйства и продовольствия Западной Австралии . 2020-05-07 . Проверено 12 февраля 2021 .
  • Флетчер, Жаклин; Стек, Джеймс П. "Стратегии наблюдения§БИОБЕЗОПАСНОСТЬ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА: УГРОЗЫ И ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ЗАБОЛЕВАНИЙ РАСТЕНИЙ" . Книжная полка NCBI ( Национальный центр биотехнологической информации ) . National Academies Press ( Национальная академия наук ) . Проверено 12 февраля 2021 .

Внешние ссылки [ править ]

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