Изучение биологии возбудителя фитофтороза картофеля. А. Н. Смирнов, С. А. Кузнецов, С. Н. Еланский

К началу 20-го века довольно подробно был описан цикл развития гриба. Установили, что бесполое размножение осуществлялось посредством конидий (зооспорангиев) и зооспор. Половой процесс происходит следующим образом. Одна из гиф мицелия прободает другую. После этого на первой гифе формируется оогоний, а вторая в месте контакта расширяется в виде воротничка. Это амфигинный антеридий. В оогонии образуется единственная яйцеклетка, оплодотворяемая непосредственно антеридием. В результате образуется зигота – ооспора. Такой тип полового процесса называют оогамией. Хотя его можно трактовать и как промежуточный вариант между оогамией водорослей и гаметангиогамией аскомицетов. В конце 1930-ых годов М. В. Бордукова экспериментальным путем доказала возможность образования у P. infestans партеногенетических ооспор [1]. Значительно позже эта исследовательница продемонстрировала, что партеногенетические ооспоры образуются в монокультуре при неблагоприятных условиях и некоторые из них способны сохранять свою жизнеспособность в течение нескольких лет [2].

На протяжении почти всего 20-го века главенствовала точка зрения, что мицелий P. infestans гаплоиден. Она приводилась во многих учебных пособиях по ботанике, микологии и фитопатологии [10]. Однако в 1970-1990-ые годы она была опровергнута целым рядом генетических [5] и цитогенетических [17] исследований, доказавших, что мицелий P. infestans диплоиден, реже триплоиден или анеуплоиден. При культивировании на агаризованных средах плоидность мицелия гриба может увеличиваться.

Чрезвычайно важным было открытие Ивана (Джона) Нидерхаузера. Он окончил два курса ТСХА, позже уехал в США, где окончил Корнельский университет. Работая в 1940-ые годы в Мексике, этот исследователь обнаружил, что у P. infestans имеется 2 типа мицелиев (типы спаривания А1 и А2). При нормальных условиях мицелии А1-А1 и А2-А2 не способны к половому процессу. При встрече мицелиев А1 и А2 половой процесс происходит и образуются ооспоры. Так был открыт биполярный гетероталлизм P. infestans. Через несколько лет американские фитопатологи Галегли и Галиндо [14] развили это направление. Они показали, что потенциально любой мицелий P. infestans способен образовывать ооспоры в монокультуре. Однако обычно этого не происходит. Ооспоры образуются лишь при контакте А1 и А2. Это позволило утверждать что типы спаривания функционируют как типы половой совместимости. Половая совместимость P. infestans достигается посредством выделения и узнавания половых гормонов липидной природы мицелиями А1 и А2 [15].

Исследование образования ооспор – одно из перспективных направлений в исследовании биологии P. infestans. Анализ литературных и наших экспериментальных данных показал, что для P. infestans характерно 3 типа образования ооспор – при перекрестном оплодотворении (при встрече А1 и А2), самооплодотворении и партеногенезе [12, 6]. Варианты апомиктического (помимо партеногенеза) происхождения ооспор, описанные Диком [10] для оомицетов, едва ли встречаются у P. infestans. В большинстве экспериментов было показано, что на искусственных средах и отделенных листьях картофеля при скрещивании А1 и А2 большинство ооспор имеет гибридное происхождение. Эти ооспоры образуются в основном в районе скрещивания – на средней линии между мицелиями А1 и А2. Данных по происхождению природных ооспор почти нет. Для Мексики (высокогорная долина Толука, штат Мехико) было показано, что природные ооспоры имеют, скорее всего, гибридное происхождение [18]. Для Московской области России, напротив, были получены свидетельства, что большинство природных ооспор образуется при самооплодотворении и партеногенезе. Причины этого нам пока не ясны. Известно, что ооспоры образуются в Европе (Польша, Голландия, Германия) [11]. На наш взгляд, вопрос об их генетическом происхождении пока остается открытым.

Возможная роль природных ооспор сводится к перенесению неблагоприятных условий. В этом случае перезимовавшие ооспоры смогут заразить картофель и томаты. Кроме того ооспоры, образовавшиеся при половом процессе, могут способствовать увеличению генетического разнообразия в полевых популяциях P. infestans и возникновению там новых генотипов паразита, в том числе и высокопатогенных [6]. Это еще предстоит уточнить. Экспериментальным путем было показано, что в Голландии, Уэльсе и Канаде искусственно полученные ооспоры могут перезимовывать и сохраняться длительное время, не теряя при этом жизнеспособность [12]. Для Мексики есть косвенные доказательства того, что ооспоры выполняют все три функции, описанные выше. Но для Израиля получить какие либо свидетельства о сохранении жизнеспособности и прорастаемости ооспор пока не удалось [9]. Возможно, роль ооспор в цикле развития и при инфекции будет зависеть от их генетического происхождения. В целом данных о распространении и роли ооспор P. infestans как в научной, справочно-фитопатологической и учебной литературе пока очень мало [6].

В 1980-ые и 1990-ые годы к исследованиям P. infestans были привлечены белковые (изоферменты фосфоглюкоизомераза и пептидаза) и ДНК-овые маркеры (митохондриальная и фрагменты ядерной ДНК). Это позволило изучить структуру популяций паразита и отслеживать в них микроэволюционные процессы. На основе полученных данных профессор Билл Фрай из Корнельского университета США с сотрудниками разработали красивую гипотезу о всемирной системе популяций P. infestans [13]. Согласно ей, долгие годы до 1970-ых годов во всем мире преобладал единственный клон (А1, US-1), умеренно патогенный и возобновлявшийся преимущественно бесполым путем. Этот клон всемирно распространился еще в прошлом веке и вызвал известные поражения картофеля, в том числе и в Ирландии. Лишь в Мексике присутствовало много генетически различных штаммов гриба обоих типов спаривания, размножавшихся как бесполым, так и половым путем. Многие из этих штаммов были высокопатогенны и отлично приспособлены к сезонным изменениям микроклимата [18]. В 1980-ые и 1990-ые годы произошло проникновение в Европу новых штаммов P. infestans, в том числе мексиканского происхождения. Они вытеснили клон US-1, который по сравнению с ними оказался менее приспособленным. Преобладание штаммов «нового типа» в популяциях гриба, а также обнаружение ооспор осложнили ситуацию с защитой картофеля и томатов, ориентированной в основном против клона «старого типа».

В некоторых европейских странах (Голландия, Польша) разнообразие P. infestans стало сравнимо с мексиканским [12]. В России изучены пока лишь отдельные регионы. Так, в Московской области было обнаружено как минимум 20 генотипов P. infestans, в то время как на территории Сибири и Дальнего Востока – только три [11]. Интересно, что биологические свойства и патогенность штаммов, выделенных с картофеля, отличались от таковых у штаммов с томатов. Были отмечены и штаммы с картофеля и томатов со сходными характеристиками [3, 4]. На томатах отмечено большее число пораженных образцов с ооспорами [8]. Это свидетельствует в пользу того, что в условиях Московской области на томатах существует собственная субпопуляция P. infestans, обособленная от картофельной и имеющая собственные источники возобновления. Кроме того, на томатах в значительной степени осуществляется создание, накопление и сохранение всей популяционной системы гриба.

Наши исследования направлены на создание научно обоснованного прогноза, позволяющего фермерам определить, когда и какой интенсивности начнется фитофтороз на его делянках картофеля и томатов, какие сорта высаживать, и какие средства защиты применить. Такой подход позволит свести к минимуму потери урожая этих важных культур. Кроме исследований паразита, должны быть учтены и данные по изучению большого и малого жизненных циклов картофеля и, возможно, других травянистых поликарпических растений.

В завершение следует отметить, что многие российские ученые (М. В. Бордукова, К. В. Попкова, Ю. Т. Дьяков), связанные с Тимирязевской академией, внесли большой вклад в изучение биологии возбудителя фитофтороза картофеля. Очень весом вклад Ивана (Джона) Нидерхаузера – одного из учеников Н. И. Вавилова. За свои заслуги этот ученый, именем которого называют библиотеки и научные центры, заслуживает присвоения ему почетного звания в Московской сельскохозяйственной академии.