Ученые шлифуют методы защиты растений от патогенов
Аспирант Мария Гомжина и кандидат биологических наук Ольга Гаврилова
Первая любовь не ржавеет. Микроскопическими грибами, вызывающими болезни растений, Филипп ГАННИБАЛ начал заниматься еще на втором курсе Санкт-Петербургского аграрного университета. В магистратуре сосредоточил внимание на грибах рода Alternaria, с которыми не может расстаться и ныне, уже пребывая в статусе директора Всероссийского института защиты растений (ВИЗР), что считает вполне нормальным: большинство систематиков — однолюбы. И это отнюдь не свидетельство узости выбранной тематики. Дело в том, что Alternaria — род микромицетов (микроскопических грибов), представителей которого можно встретить почти везде: на листьях картофеля, на яблоне, в домашней пыли и морской воде.
Не менее половины из примерно 350 видов Alternaria — патогены растений, остальные — сапротрофы, обитающие на поврежденных и отмерших тканях растений. Около 20 видов имеют для России экономическое значение, поскольку связаны с болезнями сельскохозяйственных культур, ведущими к недобору урожая, снижению качества продукции. Некоторые представители Alternaria вызывают кожные болезни человека и животных, другие, встречающиеся в воздухе квартиры или офиса, — аллергены. Словом, от этого малыша можно ждать больших неприятностей. Но недаром говорится, что настоящий ученый неравнодушен к объекту своих исследований.
— Работа с Alternaria, востребованная как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения, доставляет еще и эстетическое удовольствие, — признается Филипп Борисович. — Споры (многоклеточные, окрашенные в разные оттенки желтого, коричневого, оливкового), различимые только под микроскопом, напоминают сказочных зверушек, а иногда человечков. Сетую, что административная нагрузка уже почти не позволяет подходить к микроскопу, но о сделанном в студенческие годы выборе не жалею. Безусловно, зацикливаться на одном биологическом объекте нельзя: их много, и каждый по-своему замечателен. Но есть же ученики, которые не должны копировать учителя. Вместе мы занимаемся и совершенно другими фитопатогенными грибами.
Признаться, из дальнейшего разговора я узнал много новых названий грибов, о которых и не подозревал. Так, в рамках гранта РНФ в лаборатории выполнена комплексная работа по определению видового состава грибов рода Microdochium, вызывающих болезни пшеницы. Выявлены три новых вида, в том числе в Западной Сибири, например, M.seminicola, который никто в России прежде не обнаруживал. Разработан относительно простой алгоритм их идентификации с помощью метода LAMP — перспективной альтернативы известной всем ПЦР. Теперь будет легче определять эти виды, понятнее, какую угрозу они несут и что делать для ее предотвращения. Подобный же «разбор полетов» проведен и для штаммов Diaporthe, выделенных из подсолнечника. Среди этих грибов есть опасный карантинный вид, за которым необходим особо пристальный контроль.
Лаборатория микологии и фитопатологии, которой мой собеседник заведует с 2014 года, не ограничивается исследованиями патогенных грибов — она захватывает смежные, безвредные для культурных растений виды, а иногда грибы-патогены сорных растений, потенциальные биогербициды. Результаты этих исследований, проводимых на современном оборудовании, публикуются в солидных международных журналах, обсуждаются с коллегами в стране и за рубежом. Но, учитывая их направленность на обеспечение продовольст-венного благополучия страны, сотрудники считают долгом излагать свои достижения и в научно-производственных журналах на русском языке, не имеющих высоких рейтингов цитирования, но доступных специалистам АПК.
Доктор биологических наук Елена Гультяева и соискатель Екатерина Шайдаюк.
Похоже, эта универсальность и помогла коллективу Ф.Ганнибала выиграть грант РНФ на конкурсе 2019 года «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации». Заявленный проект «Модернизация методов мониторинга и контроля болезней полевых культур в России» сочетает традиционные фундаментальные проблемы (биоразнообразие, география, экология и популяционная биология фитопатогенов) и актуальные прикладные задачи.
— Одна из таких задач — создание диагностикума для выявления и идентификации болезней растений с использованием ДНК-аптамеров (одноцепочечных мо-
лекул), — комментирует заведующий лабораторией. — Данная технология, известная в биологии и медицине, для целей сельского хозяйства почти не применялась, а использовать ее очень заманчиво, прежде всего в интересах фитосанитарной диагностики. Для этого необходимо отобрать молекулы, способные обнаружить вредоносную мишень (например, возбудителя пыльной головни пшеницы) в сложных смесях, включающих помимо компонентов самого растения множество разнообразных микроорганизмов как родственных, так и не сходных с искомым объектом. Коллеги из Красноярского научного центра СО РАН выполнили селекцию аптамеров, теперь мы проверяем их специфичность. Но это лишь часть пути. Когда научимся делать практичные тест-системы для проверки растительной продукции в рутинном режиме, сможем распространить этот опыт и на оценку качества продуктов питания. Потребность в недорогих, но надежных методах выявления в пище различных контаминантов (микотоксинов, пестицидов, патогенных для человека микроорганизмов и т. п.) сейчас очень высока.
Ф.Ганнибал вполне мог бы вслед за одним из нобелевских лауреатов сказать, что стоит на плечах гигантов. Лаборатория микологии и фитопатологии более чем на 20 лет старше самого ВИЗР. Официально она была основана в 1907 году по предложению Артура Артуровича Ячевского, впоследствии — профессора и члена-корреспондента АН СССР. Ячевский — знаковая фигура для отечественной и мировой микологии. Во многом под влиянием его трудов академик АН СССР и ВАСХНИЛ Николай Иванович Вавилов взялся за обоснование учения об иммунитете растений, а в 1929 году инициировал создание ВИЗР. Лабораторией в составе института руководили замечательные ученые, в том числе член-корреспондент РАН Н.А.Наумов и ныне здравствующий академик РАН М.М.Левитин.
Предшественники внесли огромный вклад в создание второго по величине в России микологического гербария ВИЗР, насчитывающего порядка 150 тысяч единиц хранения. Около 1000 из них, включая несколько любимых Ф.Ганнибалом образцов Alternaria, — типовые, они использовались при описании новых видов и служат номенклатурными эталонами. Это самая ценная часть коллекции. До середины ХХ века гербарий был основой работы миколога. Все собранные в поле части растений с симптомами грибных болезней высушивали, пакетики с гербарными образцами помещали в картонные коробки и убирали в дубовые шкафы — я насчитал их без малого сотню. В дальнейшем микологи стали работать с чистыми культурами грибов, живыми штаммами. Но в последние два десятилетия благодаря активному внедрению молекулярно-генетических методов гербарий обрел новую жизнь, ведь он хранит информацию о микобиоте прошлого, которую уже не соберешь в экспедиции. Теперь можно из старых образцов выделять ДНК для работ по филогении, систематике, микогеографии.
Сегодня на средства гранта РНФ проводится ревизия уникальной коллекции, сотрудники присваивают образцам индивидуальные номера и заводят этикеточные данные в электронную картотеку. До этого детальной картотеки не было вовсе! Предстоит сформировать подборки по наиболее хорошо представленным в гербарии родам грибов и опубликовать их в Глобальной информационной системе по биоразнообразию — GBIF. Она даст возможность провести микогеографические исследования, уточнить микобиоту и границы ареалов фитопатогенных грибов в России. Это не только органичная часть текущего проекта, но и фундамент будущих исследований, в том числе с коллегами из-за рубежа.
— Нынешний грант РНФ для лаборатории уже третий по счету, — рассказывает Ф.Ганнибал. — Благодаря поддержанным им проектам лаборатория стала едва ли не самым продвинутым подразделением института. Создан приборный парк для микроскопии, традиционных микробиологических и передовых молекулярно-биологических исследований, для культивирования растений. Мы освоили и поставили на поток такие важные для современных микологических исследований методы, как молекулярная филогения, микросателлитный анализ, молекулярная диагностика болезней. Новое климатическое оборудование позволяет проводить тонкие опыты по искусственному заражению растений в строго контролируемых условиях. Теперь лаборатория смогла взяться за масштабное изучение некоторых «капризных» объектов, например, возбудителя желтой ржавчины пшеницы. Наконец, высокие требования, предъявляемые РНФ к публикационной активности, вкупе с прочной материальной базой и финансовым стимулированием привели к заметному росту количества и качества статей.
Естественно, оптимальные условия для творчества способствуют формированию и раскрытию кадрового потенциала лаборатории. В этом году в проекте участвуют 22 человека, больше половины — молодежь, причем всех «фракций»: студенты, аспиранты, кандидаты наук. Грант РНФ позволил принять на работу нескольких магистрантов, выпускников вузов и опытных ученых. Кто-то благодаря проекту даже вернулся в лабораторию! Не остался в стороне и индустриальный партнер ООО «Агробиотехнология», с которым институт давно сотрудничает. Фирма занимается производством биопрепаратов для растениеводства, в первую очередь биопестицидов.
В Белгородской области ею помимо производства создан полевой стационар, где проводятся опыты и заложены демонстрационные посевы. Фирме необходимо образцово-показательное поле с четкой диагностикой появляющихся на нем болезней. Лаборатория же кроме софинансирования получает от сотрудников стационара фитопатологические образцы растений и полезную информацию о текущем состоянии полей.
Сотрудничеству способствует тот факт, что микология в лаборатории преимущественно прикладная. Накопленный ею опыт весóм: определение ареалов видов грибов, отслеживание частоты встречаемости фитопатогенных и токсигенных видов в разные годы и в разных районах, изучение болезней зерновых культур, картофеля, рапса, подсолнечника… Другой вопрос, достаточно ли он обширен для трансляции на всю Россию? Методических проблем тут нет, отметил Ф.Ганнибал. Конечно, чтобы охватить исследованиями все полевые культуры во всех агроклиматических зонах России, нужна более мощная команда. Но поскольку проект нацелен не на мониторинг, а на модернизацию его научно-методической базы, можно обойтись сборами из нескольких регионов. Сейчас получатели гранта работают с образцами и штаммами преимущественно из Европейской части России, есть материалы с Урала, юга Сибири и Дальнего Востока. Но главное, что разрабатываемые методы и методики будут применимы повсеместно.
Модернизировать фитосанитарный мониторинг можно по-разному: с помощью дистанционного зондирования посевов, с применением космических спутников и дронов. Проект ВИЗР носит в буквальном смысле земной характер: создаются и шлифуются методики лабораторного анализа образцов, взятых с поля. Ежегодно разрабатывается по несколько молекулярных методик или их гибридов для выявления и идентификации трудно определяемых фитопатогенов. В качестве первых пилотных объектов выбраны возбудители пыльной головни и септориоза пшеницы, которые трудно определить традиционными методами, но можно привлечь для их опознания упомянутые ДНК-аптамеры. Предстоят селекция аптамеров, «неравнодушных» к клеткам еще нескольких фитопатогенных грибов, разработка сенсора, который сигнализировал бы о связывании аптамеров с мишенями.
Контроль болезней растений тоже можно совершенствовать разными способами и до бесконечности. В лаборатории принята понятная тактика: провести скрининг по возможности большего числа штаммов (в институтской коллекции их около 5 тысяч, что вполне компенсирует нехватку свежих экспедиционных материалов в условиях пандемии), чтобы с помощью ДНК-маркеров найти наличие у них мутаций, определяющих устойчивость к нескольким фунгицидам (химические вещества для борьбы с болезнями растений). Если таковые будут обнаружены, то это позволит скорректировать ассортимент противогрибных препаратов. Наряду с этим ведется поиск антимикробных пептидов с целью создания новых пестицидов.
В рамках проекта планируется выпуск справочных изданий по болезням растений, а по его завершении — создание информационно-справочного интернет-ресурса по болезням полевых культур с актуальной и достоверной информацией об основных грибных болезнях, возбудителях, их распространении и вредоносности.
Читатель наверняка ждет, когда автор вспомнит еще об одном «растении», генеалогическом древе славного рода Ганнибалов. Наверняка же носитель знаменитой фамилии имеет к нему отношение.
— История моей фамилии любопытная. Она, бесспорно, связана с Абрамом Ганнибалом, крестником и соратником Петра Великого, хотя претендовать на родство не приходится. Мои предки по линии Ганнибалов происходят из Эстонии, из местечка, что недалеко от Таллина (ранее — Ревеля), где комендантом служил А.П.Ганнибал. Почему они решили и осмелились через некоторое время после его смерти взять фамилию именитого соседа, пока что установить не удалось, — поведал Филипп Борисович.
И все же ботанические пересечения у двух Ганнибалов налицо. В Суйде, недалеко от Пушкина, где расположен ВИЗР, есть одно из имений Абрама Ганнибала. Во второй половине XVIII века он, купив у графа П.Апраксина усадьбу, вспомнил о начинании покойного на тот момент царя и, будучи военным инженером, неожиданно увлекся сельским хозяйством. Создал там передовое хозяйство, проводил опыты по выращиванию и хранению картофеля. Во многом благодаря этому уже к концу века картофель стал широко известен в России. Ф.Ганнибал занимается исследованиями картофеля и его болезней, так что мог бы «по-родственному» помочь хозяйству в Суйде.
Но у него сейчас иная, куда более масштабная повестка.
Аркадий СОСНОВ
Фото из архива ВИЗР
Нет комментариев