В настоящее время основным методом учета степени пораженности растений возбудителями заболеваний является метод визуального определения, основанный на глазомерной оценке симптомов заражения по разным шкалам. Показано, что для своевременного обнаружения и доказательства участия возбудителей в патогенезе заболеваний возможно использование различных вариаций энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDRS). Проведенные с использованием этого метода предварительные исследования в ФГБНУ Сибирском НИИ кормов на кормовых культурах подтвердили эту возможность. Показано, что для исследований, возможно, использовать гербарные образцы больных и для сравнения здоровых растений. Выявлены количественные и качественные различия в составе элементов, так, величина калия и кальция в участках предположительно зараженной ткани значительно выше, чем в участках здоровой ткани листьев кормовых культур.
Ключевые слова: защита растений, фитопатоген, кормовые культуры, энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия, зараженность.
Abstract. Currently, the main method of determining the degree of the infestation by plant pathogens is the method of visual control, based on the visual estimation of the symptoms of infection based on a different scales. It is shown that this is possible to use different variations of the energy dispersive X-ray spectroscopy (EDRS) for the early detection of pathogens and evidence of their involvement in the disease pathogenesis. The preliminary researches carried out using this method on the base of FGBNU Siberian Research Institute of fodder crops confirmed this possibility. It is shown that for this research is possible to use the herbarium specimens of infected and healthy plants for the comparison. The quantitative and qualitative differences in the composition elements were shown: for example, the quantity of calcium and potassium in the parts of suspected infected tissue was significantly higher than in healthy tissue sections of the leaves of fodder crops.
Keywords: plant protection, phytopathogen, fodder crops, energy diseprsive X-ray spectroscopy, infestation
Обнаружение фитопатогена на ранней стадии патологического процесса является одним из необходимых условий для эффективного применения средств защиты растений [1]. Метод визуального определения, бывший до недавнего времени наиболее распространенным методом определения зараженности растения, имеет существенные недостатки. Так, он не позволяет определить факт заражения растения патогеном на ранних стадиях заражения, а также в нем присутствует большая доля субъективности и неточности, связанных с несовершенством человеческого восприятия [2].
Среди современных инструментальных средств, используемых для определения симптомов вирусных бактериальных и грибных болезней растений известны разичные вариации энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDRS) [3]. В основе EDRS лежит способность химических элементов к испусканию спектра рентгеновского излучения под воздействием направленного пучка электронов. Полученный спектр возможно проанализировать с помощью детекторов на основе кристаллов кремния с примесью лития, охлаждаемых жидким азотом либо охлаждающей системой Пелтье, входящих в состав энергодисперсионного спектрометра [4]. Таким образом, посредством EDRS возможно определить количественное содержание определенных химических элементов в исследуемом образце.
В условиях Западной Сибири на посевах кормовых культур распространен комплекс фитопатогенных организмов, существенно снижающих урожайность и качество продукции [5]. Однако, этиология и патогенез заболеваний изучены недостаточно. В связи с этим, использование перспективных инструментальных средств для определения зараженности растения на ранних стадиях патологического процесса является актуальной задачей.
Известно, что проникновение фитопатогена в растение запускает ряд биохимических процессов. Так, содержание кальция в тканях растения является одним из факторов пассивного иммунитета. Кальций входит в состав клеточных стенок, и, кроме того, является регулятором закрытия устьиц [6]. Целью исследования было изучение возможности применения метода EDRS для определения количественных и качественных различий в составе клеток пораженной и здоровой ткани листьев кормовых культур.
Исследования проводили на базе Сибирского научно-исследовательского института кормов. Использовались образцы тканей различных кормовых культур, пораженных болезнями грибной и бактериальной природы, из гербарного материала, заготовленного в период вегетации. Полученные образцы пораженных тканей растений исследовались на сканирующем электронном микроскопе с энергодисперсионным спектрометром и пакетом прикладного программного обеспечения INCAEnergy. Результаты проведенных исследований представлены на рис. 1
При анализе рентгеновского спектра из разных проб образца выявлено повышенное содержание калия и кальция в пробах пораженной ткани в сочетании с отсутствием спектра излучения данных элементов в пробах здоровой ткани, что может являться признаком наличия инфекционного начала в пробах пораженной ткани, а также подтверждением роли калия и кальция как факторов пассивного иммунитета, и соотносится с данными, полученными зарубежными исследователями [7, 8, 9].
Таким образом, можно сделать предварительный вывод об эффективности метода рентгеновского микроанализа в определении зараженности растений на ранних стадиях патологического процесса.
|
|
Рис. 1 Спектры излучения химических элементов в образцах ткани листа
Литература:
1. Ашмарина Л. Ф. Совершенствование защиты зерновых культур от болезней и вредителей в Западной Сибири: автореф. дис. … д-ра с.-х. наук. – Новосибирск, 2005. – 42 с.
2. Contreras-Medina L. M. Smart Sensor for Real-Time Quantification of Common Symptoms Present in Unhealthy Plants / L. M. Contreras-Medina, R. A. Osornio-Rios, I. Torres-Pacheco, R. de J. Romero-Troncoso, R. G. Guevara-González, J. R. Millan-Almaraz // Sensors, №12, 2012 - p. 784-805.
3. Reed S. J. B. Electron microprobe analysis // Cambridge University Press, 1997. – 326 p.
4. Goldstein J. Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis: Third Edition / J. Goldstein, Dale E. Newbury, David C. Joy, Charles E. Lyman, P. Echlin, E. Lifshin, L. C. Sawyer, J. R. Michael // Springer US, 2003 – p. 689;
5. Ашмарина Л. Ф. Атлас болезней кормовых культур в Западной Сибири / Л. Ф. Ашмарина, И. М. Горобей, Н. М. Коняева, З. В. Агаркова // Новосибирск, 2010. – 180 с.
6. Gilroy S. Role of Calcium in Signal Transduction of Commelina Guard cells / S. Gilroy, M. D. Fricker, N. D. Read, A. J. Trewavas // Plant Cell, №3, 1991 - p. 333-334;
7. Lott J. N. Spitzer E. X-ray Analysis Studies of Elements Stored in Protein Body Globoid Crystals of Triticum Grains // Plant Physiology. – 1980. – Vol. 66 (3). – P. 4940-4990.
8. Musettia R., Favalli M. A. Cytochemical localization of calcium and X-ray microanalysis of Catharanthus roseus L. infected with phytoplasmas // Micron, – Vol. 34 (8), - 2003, - P. 387-393;
9. Kaur K. Peak energy shift with fertilization in mint plants: EDXRF measurements with synchrotron photon source / K. Kaur, K. Deep, M. Bansal et al // Applied Science Research. – 2012. – Vol. 4 (5). – P. 2152-2160.
