Центр паразитологии: Лаборатория фитопаразитологии: Основные направления

ЛАБОРАТОРИЯ ФИТОПАРАЗИТОЛОГИИ

Заведующий - Зиновьева Светлана Васильевна, д.б.н., с.н.с.

тел. (495)-954-50-34,
(495)-954-49-71

ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Профессор А.А. Парамонов

Изучение паразитов растений, в частности, фитонематод, в Центре паразитологии ИПЭЭ им. А.Н. Северцова РАН (( ранее Гельминтологической лаборатории АН СССР (ГЕЛАН), Институт паразитологии РАН)) началось в апреле 1952 года и связано с приходом в ГЕЛАН профессора А.А. Парамонова. В работе Лаборатории, проведенной за истекший период, выделяются три четко выраженных периода, преемственно связанных друг с другом.

Начало было положено фаунистическими исследованиями нематод сельскохозяйственных и дикорастущих растений в различных почвенно-климатических районах Европейской и Азиатской частей бывшего Советского Союза. Параллельно с изучением фауны и таксономии фитонематод были начаты исследования их экологии, биологии размножения и питания, морфологии и онтогенеза, взаимосвязи с другими членами биоценоза (грибами, бактериями), специфики вызываемых ими болезней растений-хозяев. Материалы, полученные в результате этих исследований первыми фитонематологами и аспирантами ГЕЛАН из различных регионов страны (Турлыгиной Е.С., Мюге С.А., Крыловым П.С., Барановской И.А., Судаковой И.М., Даманской Л.Ю. И.А., Покровской Т.В Элиавой И.Я., Шлепетене Ю.А., Балбаевой З., Скуодите З., Соловьевой Г.И. Ерошенко А.С. и др.), послужили фундаментом для разработки А.А. Парамоновым понятия о фитогельминтологии как о самостоятельной научной дисциплине, которая имеет своеобразные объекты исследования, методологию, задачи и пути развития. Завершением этого первого периода развития фитогельминтологии в Лаборатории ГЕЛАН явилась трехтомная монография А.А.Парамонова "Основы фитогельминтологии" (1962, 1964, 1970), в которой изложены основные концепции этой новой науки, которые не утратили своего значения и в наши дни. Таковыми являются: экологическая классификация почвообитающих нематод, основанная на формах их отношений с растениями; классификация жизненных циклов фитогельминтов, учитывающая степень связи различных этапов их развития как с растением, так и с почвой; микотрофная гипотеза происхождения фитопаразитизма тиленхид, опирающаяся на древнейшие связи нематод с грибами; представление о фитогельминтозах как о биоценотических процессах, в которых, помимо их возбудителей (фитогельминтов), участвуют также сапробиотические нематоды, грибы, бактерии; положение о защитных свойствах растений от нематод и терапии их при фитогельминтозах и ряд других. Монография была переведенная на английский язык и явилась основополагающей для развития фитогельминтологии не только у нас в стране, но и во всем мире.

Сотрудники Сектора фитогельминтологии. 1962 г.

В 1962 году было создано самостоятельное подразделение - Кабинет фитогельминтологии, который в 1965 году был преобразован в Сектор фитогельминтологии, возглавляемый А.А.Парамоновым. После кончины А.А.Парамонова в 1970 году Сектор фитогельминтологии возглавила Е.С. Турлыгина, которая оставалась его руководителем до 1986 года. На этом втором периоде продолжались исследования преимущественно в двух направлениях: 1/ изучение факторов формирования фаунистических комплексов фитонематод в естественных и агроценозах и 2/ изучение взаимоотношений фитопаразитических нематод с растениями-хозяевами. Ведущими специалистами по первому направлению исследований в этот период были И.А. Барановская, В.Г. Гагарин, В.Г. Губина, Л.В. Павлюк, Т.М. Покровская, Н.И. Суменкова, Л.В. Шубина. Методологически эти работы могут быть оценены как "экспериментальная фаунистика", поскольку большинство их проведено в условиях полевых опытов с использованием различных методов статистического анализа. Все эти работы нашли свое отражение в ряде монографий (три монографии в серии "Нематоды растений и почвы", посвященные Неотиленхоидеям (Суменкова,1975), Афеленхоидидам и Сейнуридам (Барановская, 1981), роду Дитиленхус (коллектив авторов, 1982)), а также монографии по нематодам хвойных пород (Губина, 1980) и по мелойдогинозу и борьбе с галловыми нематодами (Покровская, 1988). Многие из этих работ переведены на английский язык, изданы за рубежом и пользуются большим вниманием специалистов.

Второе направление, осуществляемое, Е.С.Турлыгиной, ее диссертантки С.В. Зиновьевой и Н.А. Костюк предусматривало преимущественно экспериментальные исследования онтогенеза нематод, биологии их размножения и критериев устойчивости растений к фитогельминтам. Результаты этих работ нашли свое отражение в докторской диссертации Н.А .Костюк, в которой впервые освещены проблемы эмбрионального и постэмбрионального развития широкого спектра таксонов фитонематод; в монографической сводке Е.С. Турлыгиной и В.Н. Чижова, 1991, посвященной обобщению многолетних исследований морфологии, биологии размножения и эволюции половой системы фитонематод, а также в работах С.В. Зиновьевой, которые были направлены на разработку совершенно нового направления фитогельминтологии - иммунитета растений к фитогельминтам. На основе этих данных разработана гипотеза становления иммунитета растений к паразитическим нематодам, связанного с эволюцией паразитизма у фитонематод.

В последние 15-20 лет (3-й период развития) традиционные таксономические и экологические исследования фитонематод, вследствие внедрения биохимических и молекулярных методов, вышли на субвидовой (популяционный) и субпопуляционный уровни. Получило развитие такое направление исследований, как лесная нематология ( д.б.н. О.А. Кулинич, к.б.н. В.Н. Чижов). Возобновились фаунистические исследования фитонематод различных ресурсных видов растений ( к.б.н. В.Н. Чижов). Биоценотические исследования вылились в отдельное направление - ценологию фитопаразитов. В настоящее время функционирует самостоятельная группа ценологии фитопаразитов в составе Лаборатории фитопаразитологии ( руководитель д.б.н. , г.н.с. Н.Д. Романенко).

С 1989 года по 1995 гг. руководителе сектора был ученик А.А. Парамонова, д.б.н. Н.Д. Романенко, приглашенный из Института садоводства Нечерноземной полосы РСФСР, а с 1995 года руководство осуществлял директор института, чл.- корр. РАН М.Д. Сонин. После ухода М.Д. Сонина на пенсию, в 2001 году фитопаразитологические исследования в институте возглавила ученица Е.С. Турлыгиной, д.б.н. С.В. Зиновьева.

В последнее десятилетие начали развиваться два новых направления исследований: 1/ разработка прогностических моделей динамики численности, вредоносности и хозяйственного ущерба, причиняемого популяциями фитопаразитических нематод ( д.б.н., г.н.с. К.А. Перевертин) и 2/ создание компьютерных баз данных по фитонематодам, зарегистрированным в коллекции Лаборатории.

Для хранения и удобного пользования накопленной информации по фитонематодам были созданы: 1/ атлас - справочное пособие по таксономии фитонематод, включающее в настоящее время данные о 7 тысячах видов почвообитающих и фитопаразитических нематод, относящихся к 682 родам; 2/ библиотека ксероксов работ по фитогельминтологии, насчитываеющая около 40 тысяч статей и 3/ коллекция постоянных препаратов фитонематод, которая содержит 3,5 тысячи зарегистрированных предметных стекол, включающих более 10 тысяч особей, идентифицированных до видового уровня (500 видов, 144 из которых представлены типовыми экземплярами) или до таксонов более высокого ранга (род, семейство). Коллекция препаратов зарегистрирована как Национальная коллекция, принимающая на хранение типовые экземпляры.

Международные связи лаборатории были достаточно широкими на протяжении всей ее истории. Сотрудники Лаборатории имели тесные контакты со специалистами в Германии, Венгрии, работали на Кубе, принимали у себя аспирантов и стажеров из Болгарии, Чехословакии, Венгрии, Индии, Вьетнама, Кубы, Иордании, Съерра-Леоне, из всех республик бывшего Советского Союза. В последние годы эти связи стали расширяться и укрепляться преимущественно за счет международных грантов с Великобританией, Бельгией, Германией, Китаем.

Научная продукция лаборатории включает: 13 монографических томов; 8 - тематических сборников; 3 - научно-популярные брошюры; 2 web-сайта и более 1000 научных статей в трудах института и других отечественных и зарубежных изданиях, а также ряд патентов и рекомендаций для практических работников.

СОВРЕМЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Основные направления

Зав. Лаб., д.б.н. С.В.Зиновьева

Лаборатория фитопаразитологии работала по 3 основным направлениям:

Наиболее важные достижения

1. Впервые на основе молекулярно-генетических исследований различных участков генов рибосомальной РНК (28S , 18S и внутренний траскрибируемый спайсер) проведен филогенетический анализ нематод отряда Tylenchida - основного отряда фито- и энтомопаразитических нематод. Реконструированы филогенетические взаимоотношения между видами и родами семейств Criconematidae, Heteroderidae, Pratylenchidae, Hoplolaimidae, Anguinidae, и между популяциями и видами родов Ditylenchus, Aphelenchoides, Bursaphelenchus, Radopholus, Meloidoderita, Zeldia. Разработаны методы экспресс диагностики фитопаразитических нематод на основе технологии ПЦР (ПЦР со специфическими праймерами, ПЦР в реальном времени, ПЦР с полиморфизмом рестрикционных фрагментов) включая следующие хозяйственно значимые виды: Heterodera glycines, H. schachtii, Ditylenchus dipsaci, Globodera rostochiensis, G. pallida и Bursaphelenchus xilophilus. Проанализированы коэволюционные взаимоотношения между паразитическими нематодами и их растениями-хозяевами. На основе морфологических и молекулярно-биологических исследований описано 16 видов и один род нематод. Передано в международный Генбанк более 600 секвинсов рибосомальных и других генов нематод и бактерий ассоциированных с нематодами. Создана база данных по вторичной структуре рибосомальных генов для фитонематод.

2. Проведена ревизия патогенных нематод п/отр Hexatylina (Tylenchida) . На основе морфологических критериев и особенностей жизненных циклов обосновано 4 новых п/сем и предложен ключ для определения семейств (подсемейств) и родов.

3. Завершен анализ распространенности опасных паразитов хвойных лесонасаждений - древесных нематод рода Bursaphelenchus (Aphelenchida) в 20 регионах России. Проведена ревизия нематод этого рода, включающего 71 вид. Карантинный вид - сосновая древесная нематода B. xylophilus, с которым связан экспорт леса, на территории РФ не выявлен. На основании данных по биологии паразита (наличие растений-хозяев, жуков-переносчиков, суммы необходимых температур для развития и пр.) определены регионы возможного заражения хвойных пород этим паразитом в случае его инвазии на территорию России. Установлено, что гибель хвойных пород на территории РФ может быть вызвана B. mucronatus. Создана дендрограмма фенетического сходства видов рода, включающая связи нематод с растениями-хозяевами и насекомыми-переносчиками, а также интерактивный электронной ключ нематод рода Bursaphelenchus, включающий описания видов, их растения-хозяева, насекомых-переносчиков и регион распространения (работа выполнена совместно с Институтом зоологии РАН).

4. Впервые изучены взаимоотношения нематод-микофагов с фитопатогенными и сапрофитными грибами. Установлены различия в видовом составе и плотности популяций нематод на сапрофитных (промышленно-культивируемый шампиньон) и фитопатогенных грибах (виды родов Verticillium и Fusarium). Установлено, что взаимоотношения микофаговых нематод и мицелия грибов развиваются по типу паразито-хозяинных связей. Впервые установлено, что численность, возрастно-половой состав, морфометрические особенности, поведение в процессе питания и продолжительность отдельных его фаз являются отражением разной степени специализации микофагов, как паразитов мицелия.

5. Изучены взаимосвязи паразитических нематод, грибов, вирусов в фитоценозах. Выявлены закономерности распространения нематод семейств Longidoridae и Trichodoridae - переносчиков непо- и тобра- групп вирусов на территории РФ. Установлен видовой состав и распределение в пространстве непо- и тобра- вирусов и нематод их переносчиков на плодово-ягодных, зерновых, картофеле, декоративных и бобовых культурах , дана оценка их вредоносности. Установлена роль нематод в развитии вирусных эпифитотий. Проанализированы коэволюционные взаимоотношения нематод и паразитических бактерий рода Pasteuria. Описано несколько видов и родов бактерий, ассоциированных с нематодами.

д.б.н., г.н.с. Н.Д. Романенко,
м.н.с. Н.Н. Козырева

6. Выявлены механизмы формирования популяций фитопаразитических нематод в биоценозе. Оригинальные исследования, проведенные на популяциях 15 видов паразитических нематод- представителей отрядов Dorylaimida, Rhabditida, Aphelenchida, Tylenchida, показали, что основными факторами, определяющими популяционные параметры ( плотность (относительную численность), возрастно-половой состав, размерную характеристика особей), являются : видоспецифические свойства паразитов ((биология размножения, плодовитость, продолжительность и особенности онтогенеза (наличие облигатной или факультативной диапаузы) и т.п.)); особенности паразито-хозяинных отношений (облигатный или факультативный паразитизм, экто- или эндопаразитизм, седентарные или эррантные виды); влияние почвенно-климатических и гидрометеорологических условий, растений-хозяев, их физиологическое состояние, фаза развития, иммунный статус. На основе данных о механизмах формирования структуры популяций фитонематод предложены, разработаны и апробированы биологически обоснованные методы и подходы для управления популяциями паразитов в конкретных паразито-хозяинных системах и фитоценозах, в число которых входят: индуцирование устойчивости растений биогенными элиситорами и адаптогенами, использование биопрепаратов, созданных на основе бактерий и грибов, агротехнические приемы и технологии выращивания культур и пр.

7. Получены новые данные об иммунобиологических механизмах коадаптации в системах растения-паразитические нематоды. Установлена регуляторная роль изопреноидного метаболизма в формировании и динамике паразито-хозяинных отношений в системах растения-паразитические нематоды. Исследована роль элиситоров и сигнальных молекул в инициации иммунных реакций в растениях в ответ на нематодную инвазию. Выявлен механизм индуцирования устойчивости растений к седентарным нематодам с помощью биогенных элиситоров (хитозанов, полиненасыщенных жирных кислот -арахидоновой, эйкозопентаеновой) ), а также механизм супрессии неспецифических иммунных ответов. Показано, что в процессе формирования устойчивости растений к фитонематодам принимает активное участие сигнальные молекулы -метиловый эфир жасмоновой кислоты и салициловая кислота- и ферменты антиоксидантного комплекса. Снижение активности последних в результате ингибирования салициловой кислотой приводит к окислительному взрыву и экспрессии защитных генов. Проанализировано состояние популяции нематод в иммунизированных растениях. Выявлена роль фитоиммунитета в модификационной изменчивости нематод.

Корни томатов, инвазированные галловой нематодой (слева - контроль, справа - обработка хитозаном).

8. Выявлен механизм действия фуростаноловых гликозидов (ФГ) - природных растительных адаптогенов, выделенных из культуры клеток Dioscorea deltoidea - на иммунный потенциал растений, инвазированные фитогельминтами. Установлено, что действие ФГ связано с влиянием на внутриклеточные мембраны, в состав которых входят стерины (в цитоплазме) или изопреноидные пигменты (в пластидах). Характер изменений в составе хлоропластных пигментов растений при инвазии нематодами показывает, что ФГ поддерживают гомеостаз растительной клетки, тем самым стимулируя фитоиммунитет. Препарат ФГ апробирован в производственных условиях в качестве средства защиты растений от фитонематод. (Работа выполнена совместно с Институтом биохимии им. А.Н. Баха РАН).

к.б.н., с.н.с. Ж.В. Удалова

9. Разработана система прогностических моделей динамики численности и вредоносности для наиболее патогенных видов нематод - картофельной цистообразующей, свекловичной, галловой и стеблевой. Модели динамики численности устанавливают функциональную связь плотности популяции гельминтов в конце вегетации с допосевной плотностью. Для растений-хозяев зависимость имеет полиномиальный вид с расположением выше линии равновесной плотности, для непоражаемых культур - зависимость линейна с расположением ниже линии равновесной плотности. Имитационный блок позволяет моделировать варианты развития зараженности агробиоценоза при любом наборе культур на любое количество лет. Модели вредоносности связывают выход урожая и допосевную плотность нематод. Определение параметров для конкретных агробиоценозов проведено в условиях Нечерноземья (Владимирское Ополье) и начато для черноземов (Воронежская область). Эти работы нашли отражение в методических рекомендациях и в специальной монографической сводке.

Поддержка исследований подразделения международными и российскими грантами

Р (LST.CLG.978881) NATO Pinewood nematode, Bursaphelenchus xylophilus, a threat to European forestry. Участники: Португалия (университет Ивора), Россия, Турция. 2003-2005

Программа Президиума РАН - 'Биоразнообразие'
Тема - 'Инвентаризация разнообразия фитонематод и разработка базы данных как единого комплексного подхода к систематизации и катологизации коллекционных материалов паразитических червей'. 2006-2008.

Программа Отделения общей биологии 'Биоресурсы'
1. Тема: 'Разработка фундаментальных основ управления популяциями фитогельминтов в различных типах растительных сообществ'. 2003-2005.
2. Тема: 'Оценка регуляторного биопотенциала нематод - паразитов культурных растений'. 2006-2008.

Программа 'Фитобиотехнология',
Министерство промышленности науки и технологий РФ, ? 43.073.1.1.2504, 2002-2004. 'Разработка биотехнологических приемов повышения устойчивости растений к патогенам на основе исследования молекулярных механизмов взаимодействия растений и патогенов'.