Ассоциативные микроорганизмы тлей
Введение
Ассоциации растений с микроорганизмами, стимулирующими их развитие, привлекают внимание ученых не только с точки зрения исследования фундаментальных основ сосуществования и взаимодействия различных организмов, но и возможного использования таких ассоциаций в практике экологически ориентированного адаптивного растениеводства.
Микроорганизмы, существующие внутри растения, включая надземную, подземную части и семена, и благотворно влияющие на их развитие, не вызывая симптомов заболевания (эндофитные микроорганизмы), представляют как научный, так и практический интерес.
Они используют внутреннюю среду растения - эндосферу, в качестве уникальной экологической ниши, защищающей их от изменений окружающей растение внешней среды, которая возникла в результате сотен миллионов лет совместной эволюции растений и бактерий.
Эндофитные бактерии колонизируют те же экологические ниши в растении, что и болезнетворные микроорганизмы, и поэтому служат перспективным биологическим средством для борьбы с фитопатогенами, то есть выступают в роли так называемого «биоконтрольного» агента.
В природе встречается широкий спектр примеров взаимовыгодного симбиоза. От желудочных и кишечных бактерий, без которых было бы невозможно пищеварение, до растений. Такие отношения успешны всегда, когда они увеличивают шансы обоих партнёров на выживание. Осуществляемые в ходе симбиоза действия или производимые вещества являются для партнёров существенными и незаменимыми [1].
Открытие новых групп растительных симбиозов и расширение числа видов среди таксонов растений, участвующих в образовании ранее известных, позволяет предположить, что явление симбиоза - не исключение, а скорее правило, закономерность в природе, и симбиотические ассоциации представляют собой одну из основных форм существования жизни
Изучение межорганизменных отношений в настоящее время приобрело всеобъемлющий характер и оказывает все более заметное воздействие на развитие практически всех областей биологии. Доказано, что индуцируя крупные изменения, симбиоз определяет становление новых форм жизни, которые не могли бы возникнуть при эволюции свободноживущих организмов [2].
Каждый микроорганизм приспосабливается не только к неживым субстратам, но и к другим окружающим его организмам. Подобная адаптация иногда приводит к приобретению особых метаболических свойств, наделяющих обладателя способностью занимать специфические ниши. Значительная часть бактерий участвует в конкурентной борьбе, адаптируясь к сосуществованию с другими формами жизни [3].
В последнее десятилетие происходит смена парадигмы симбиоза. На смену представлениям о них как о двухкомпонентных системах в результате уточнения знаний об этом феномене приходит понимание симбиозов как многокомпонентных систем, в которых помимо доминантного микросимбионта, существуют и ассоциативные микросимбионты [4].
В силу того, что в последнее десятилетие для многих симбиозов открыты новые многочисленные сопутствующие микроорганизмы, назрела необходимость в выявлении и понимании роли таких ассоциативных микроорганизмов симбионтов в функционировании симбиоза в целом.
В последнее десятилетие интерес в
общей микробиологии переместился от изучения чистых культур микроорганизмов к
новому объекту - микробному сообществу. При этом дарвиновская теория эволюции
путем конкуренции видов сменилась новой «анти-рыночной» парадигмой - эволюцией
видов в составе сообществ.
1. Обзор литературы
1.1 Систематическое положение тлей
Отряд (Homoptera) включает в себя большое число представителей равнокрылых насекомых. В мировой фауне известно более 30000 видов равнокрылых, в фауне СНГ - более 4000 видов [6, 7].
На территории России наиболее важное значение имеют следующие виды тлей.
. Тля злаковая (Schizaphis graminum Rondani, 1852).
. Тля вишневая (Myzus cerasi Fabricius, 1775).
3. Тля вязово-грушевая (Eriosoma lanuginosum Hart, 1839).
4. Тля гелихризовая (Brachycaudus helichrysi Kalt, 1843).
5. Тля грушево-зонтичная бурая (Anuraphis руrilaseri Shap,1847).
6. Тля зеленая персиковая (Myzodes persicae Sulzer, 1776).
7. Тля кровяная (Eriosoma lanigerum Hausm, 1802).
8. Тля хмелевая (Phorodon humuli Schrk, 1853).
9. Тля чертополоховая (Brachycaudus cardui L., 1869).
10. Тля листокрутка грушевая (Yezabura reaumuri Mordv, 1859).
Отличительными признаками подотряда
Aphidinae являются: голова трапециевидная, имеются усики, расположенные на лбу
или на антеннальных буграх, и состоящие, из 5-6 члеников. Дистальные сегменты
антенн разделены на две части: основание и шпиц. Тли имеют много фасеточных
глаз бурого, красного или черного цвета [7]. У насекомых, не обладающих
крыльями, органы зрения редуцированы, а голова дополнительно оборудована тремя
простыми глазками. Ротовой аппарат сосущего типа, представлен в виде
4-членикового хоботка. На груди расположены две пары перепончатых прозрачных
крыльев, вторая пара которых всегда меньше первой. Ноги ходильного типа,
передняя пара может быть прыгательной, конечности тонкие и довольно длинные.
Брюшко включает 9 сегментов, последний не развит. Личинка появляется путем
живорождения, у личинок первого возраста хоботок обычно длиннее по отношению к
телу [8].
1.2 Биологические
особенности тлей
Тли отличаются своей необычной биологией. В борьбе за существование они приобрели удивительные приспособления к условиям жизни [9 - 11].
Тлям среди немногих насекомых свойственно живорождение. Крылатые и бескрылые живородящие самки рождают без оплодотворения детенышей (личинок). При таком размножении численность тлей колоссально увеличивается с наступлением благоприятных условий температуры и влажности [12]. В короткий срок растения покрываются многочисленными колониями тлей. Когда наступает ухудшение условий питания, ткани растений грубеют, подсыхают, концентрация клеточного сока повышается, у бескрылых тлей наступает голодание и вид может вымирать. Чтобы этого не произошло, в колонии бескрылых тлей появляются крылатые особи, или расселительницы, они поднимаются в воздух в поисках молодых и сочных растений. Поселившись на кормовых растениях, самки - расселительницы продолжают размножаться живорождением.
Максимальное размножение тлей происходит в июне - июле. В это время колонии тлей держатся на верхних, более нежных листьях. Ко времени созревания зерновых культур численность тлей резко сокращается.
Таков общий годовой цикл развития тлей. Мигрирующие злаковые тли летом размножаются на злаках, а осенью расселительницы перелетают на древесные растения, где откладываются яйца. У однодомных тлей все развитие проходит на злаковых растениях.
Весной из перезимовавшего яйца выходит личинка, которая развивается в бескрылую живородящую самку-основательницу. Процесс живорождения идет в течение вегетационного периода [13, 14].
В жаркую и сухую погоду много тлей погибает. Препятствует размножению их также понижение температуры (ниже 15°С). Ливневые дожди смывают тлей с растений [15].
В значительной степени снижают численность тлей хищные и паразитические насекомые, птицы. Божьи коровки (Coccinellidae) и их личинки уничтожают тлей в огромном количестве. О. С. Морошкиной установлено, что за сутки жук поедает 68 взрослых тлей или 175 личинок, а личинка божьей коровки соответственно 90 и 270. Наиболее многочисленна семиточечная божья коровка [16].
Тли разделяют на две биологические группы - мигрирующие и немигрирующие (однодомные). Среди мигрирующих наиболее распространены черемухово-злаковая тля, вязово-злаковая тля. Из однодомных не мигрирующих тлей наиболее вредоносны: большая злаковая, ячменная, обыкновенная злаковая [7].
Черемухово-злаковая тля (Rhopalosiphum padi L.) - темно-зеленая, соковые трубочки слегка вздуты посредине; усики сидят прямо на лбу, без выростов. Весной тли мигрируют на листья хлебных и диких злаков. Наибольший вред наносит ранним посевам озимых колосовых культур. Кроме колосовых, сильный вред причиняет кукурузе.
Вязово-злаковая тля (Tetraneura ulmi L.) - тело вздутое, почти шаровидное, покрыто восковым налетом. Ноги короткие. На листьях вяза образует гладкие толстостенные галлы. Мигрирует на злаки и развивается на корнях яровых и озимых хлебов, на кукурузе, рисе.
Ячменная тля (Brachycolus noxius Mordv.): тело длинное, узкое, желтовато-зеленого цвета; соковые трубочки очень мелкие; усики короче половины длины тела. Вредит ячменю, пшенице, реже встречается на ржи и овсе. Колонии тлей живут в верхних свернутых листьях. Массовое размножение происходит на орошаемых участках.
Большая злаковая тля (Sitobion avenae F.): тело зеленоватое, 2,5 - 3,2 мм; усики длинные сидят на особых выступах на лбу; соковые трубочки черные и длинные. Живет на всех зерновых культурах, заселяя листья, стебли и колосья; густых колоний не образует. Наибольший ущерб приносит озимой и яровой пшенице, озимому и яровому ячменю, ржи, овсу, кукурузе, сорго. Распространена повсеместно [11].
Обыкновенная злаковая тля (Schizafis
graminum). Крылатая живородящая самка длиной 1,6 мм, имеет зеленое брюшко,
голова и грудь бурые. Бескрылая живородящая самка зеленая длиной 2,7 - 2,9 мм,
характеризуется светло-зеленой окраской и продольной серединной полосой на
спинной поверхности. Усики достигают половины длины тела. Трубочки длинные,
цилиндрические, невздутые, светлые, только перед крышечкой буроватые, в 1,7 - 2
раза длиннее пальцевидного хвостика. Медиальная жилка на передних крыльях
ветвится один раз. Яйцекладущая самка не имеет крыльев, отличается от бескрылой
живородящей веретеновидиой формой тела и утолщенными голенями задних ног; длина
тела 2,2 мм. Яйца черного цвета, удлиненно-овальной формы. Жизненный цикл
однодомный. Зимует в стадии яйца на посевах озимых культур, а также на падалице
и диких злаках. В жизненном цикле происходит чередование полового и бесполых
поколений. В зоне наибольшей вредоносности массовое отрождение личинок
бескрылых партеногенетических самок из яиц обычно наблюдается в конце апреля -
начале мая. Продолжительность личиночного возраста составляет 8 - 15 дней.
Бескрылая партеногенетическая самка живет до 35 дней, отрождает до 80 личинок.
Вредитель питается сначала на озимых, а затем и на яровых культурах, в связи с
чем самки-расселительницы появляются в конце мая. Крылатая партеногенетическая
самка живет 17 - 20 дней и отрождает до 42 личинок. Насекомые живут большими
колониями как на верхней, так и нижней стороне листьев. К моменту выхода злаков
в трубку плотность тлей быстро увеличивается, так что огромные колонии могут
полностью покрывать листья. В сентябре при появлении всходов озимых культур
происходит лёт тлей на эти поля из мест летних резерваций. В конце
сентября-октябре появляются полоноски, которые рождают самцов и самок. Откладка
зимующих яиц происходит в октябре и продолжается до наступления морозов.
Плодовитость самок составляет 10 - 12 яиц, а продолжительность жизни - 38 - 40
дней. Яйца откладываются небольшими группами по 2 - 4 за влагалище листа [13,
14].
1.3 Эпифитная микрофлора
растений
Микроорганизмы, развивающиеся на поверхности растений, получили название «эпифитов». Микробы-эпифиты не паразитируют на растении, а растут за счет нормальных выделений его тканей и имеющихся на поверхности растений небольших количеств органических загрязнении (пыль и т. д.). Довольствоваться столь скудным питанием могут далеко не все микроорганизмы, и поэтому состав эпифитной микрофлоры довольно специфичен. Воздействие эпифитных микроорганизмов на растительный организм может быть очень разнообразным в зависимости от окружающих условий. В первые этапы прорастания зерна эпифитные микроорганизмы начинают размножаться и переходят на корни и проросток. При пониженной температуре интенсивнее развиваются более холодоустойчивые микроскопические грибы, среди которых имеются факультативные и облигатные паразиты, в результате чего резко понижается полевая всхожесть зерна.
Эпифитные микроорганизмы, размножаясь на поверхности растений, создают биологический барьер, препятствующий проникновению паразитов в растительные ткани. Усиливая размножение эпифитной микрофлоры опрыскиванием растений питательными для них растворами, удавалось увеличить антагонистическое действие эпифитов к фитопатогенным микроорганизмам. В принципе с некоторыми болезнями растений можно бороться, воздействуя на их эпифитную микрофлору.
Большую роль эпифитные микроорганизмы играют при хранении зерна и семян. При созревании зерна влажность сильно снижается и достигает уровня, когда размножение микроорганизмов становится невозможным. В спелом зерне вся влага находится в связанном состоянии и недоступна микроорганизмам.
Существование эпифитных микроорганизмов на здоровом растении в значительной степени связано с климатическими условиями. При благоприятных условиях, например, во влажную погоду, количество эпифитных микроорганизмов значительно возрастает, а в сухую, наоборот, уменьшается. У тех растений, которые интенсивнее выделяют продукты обмена клеток, микрофлора богаче и разнообразнее.
Кроме стебля, листьев и других надземных органов растений, микроорганизмы живут и на семенах. Исключение составляют семена, плотно закрытые плодовыми или семенными оболочками, например, стручки бобовых. В таких случаях до момента раскрытия оболочек семена практически лишены микрофлоры.
Таким образом, в процессе развития растения происходит накопление микрофлоры на поверхности всех его частей. В данном случае отмечается значительное увеличение количества микробов к периоду полной зрелости растения. На растении, как и в ризосфере, главным образом размножаются неспороносные бактерии, а бациллы составляют лишь небольшой процент бактериального эпифитного населения.
При уборке и обмолоте зерно сильно загрязняется микроорганизмами. Большое значение при этом имеет пыль. Как известно, в почве содержится огромное количество микроорганизмов, которые сохраняются в пыли в жизнеспособном состоянии. Пыль, неизбежно поднимающаяся при уборке и обмолоте зерна, попадает на его поверхность. Большая степень запыленности приводит к более сильному обогащению зерна микробами.
Количество пыли и микробов, задерживающихся на зерне, зависит отчасти от условий обмолота и запыленности среды, но в значительной мере и от морфологических признаков зерна. Бороздка, шероховатая поверхность эпидермиса или цветочные пленки способствуют скоплению на поверхности зерна большего количества пыли и микроорганизмов. Поэтому зерно злаковых в большей степени населено микроорганизмами, чем семена некоторых масличных и бобовых, имеющих ровную, гладкую поверхность.
Во время многофазной уборки, когда между косьбой и обмолотом зерно находится в колосе, иногда бурно развиваются микроорганизмы на всей растительной массе, и в частности, на зерне. Это происходит при неблагоприятных климатических условиях (дождливой погоде, высокой относительной влажности воздуха и т. д.), а также значительной влажности зерна. Особенно энергично микроорганизмы размножаются на зародыше, влажность которого более высока, чем у остальных частей зерна. Если зерно при этом не будет быстро обмолочено, убрано и высушено, то его частичная или полная порча неизбежна.
Воздействие эпифитных микроорганизмов на растительный организм может быть очень разнообразным в зависимости от окружающих условий. В первые этапы прорастания зерна эпифитные микроорганизмы начинают размножаться и переходят на корни и проросток. При пониженной температуре интенсивнее развиваются более холодоустойчивые микроскопические грибы, среди которых имеются факультативные и облигатные паразиты, в результате чего резко понижается полевая всхожесть зерна.
Большой интерес представляют данные, показывающие, что протравливание семян кукурузы дает наибольшую эффективность в условиях холодного климата. Это вполне понятно, так как при низкой температуре почвы грибы более агрессивны, а иммунитет растений снижен.
Микроорганизмы накапливаются в зерновой массе во время перевозки ее к зернохранилищу. При этом загрязненные транспортные средства могут быть не только источниками безвредных сапрофитных микробов, но и некоторых видов патогенных микроорганизмов. В некоторых случаях зерно загрязняется клещами. Недопустимо использовать для транспортировки зерна, грязные машины, загрязненную тару и т. д. Поэтому зерно, взятое для анализа с заготовительных пунктов или торговой сети, всегда более богато микроорганизмами, чем то, которое получено непосредственно из колоса.
В отдельных случаях зерно может быть в различной степени обсеменено микроорганизмами. Поэтому общая численность микрофлоры зерна не может служить единственным критерием при оценке его качества. В этом отношении значительно более характерен видовой состав микроорганизмов зерна, Поэтому видовой состав микроорганизмов может быть использован как показатель качества хранящегося зерна.
Грамм доброкачественного зерна может содержать несколько миллионов зародышей микробов.
Однако резкое увеличение численности микробов наблюдается лишь при различного рода порче (подмочка зерна, начавшийся процесс самосогревания и т. д.). Семена пленчатых культур, а также кукурузы (початки которой закрыты обертками) и бобовых (созревающие в стручках) после обмолота оказываются более бедными микрофлорой, чем семена пшеницы и ржи. У растений первой группы основная масса микроскопических существ развивается на тех частях, которые прикрывают созревающее семя.