Україна

You are here

Share page with AddThis

Філософія превентивної діагностики фітопатогенів

Новини компанії
09.10.2019

ЮЛІЯ ШЕВЧЕНКО,
к. б. н., керівник діагностичних центрів компанії «Сингента»

ЮЛІЯ ШИЛІНА,
к. б. н., с. н. с., завідувачка лабораторії імунітету рослин,
Інститут клітинної біології та генетичної інженерії НАН України


Превентивна медицина — це ідеологія і методологія персоніфікованого управління станом здоров’я і резервами організму. Філософія превентивної медицини принципово відрізняється від традиційної. Превентивність активно впроваджується в медицині як підхід, який дозволяє перенести фокус із лікування на своєчасну діагностику та профілактику.

Не зовсім звичний початок, як для статті в агрономічному виданні? Тож спробуємо переконати вас у тому, що діагностика в медицині й у сільському господарстві принципово не відрізняються.

Передусім в обох випадках маємо цілісний організм, до якого за різних причин потрапляє чужорідний агент і диктує свої умови. У відповідь на проникнення організм і людини, і рослини реагує, іноді навіть можемо це побачити неозброєним оком. Так, збудники різні, але принцип захисту подібний.

Завдяки молекулярним дослідженням стало зрозуміло, що в процесах, які забезпечують життєдіяльність клітини та її взаємодію з навколишнім середовищем, між рослинами і людиною значно більше спільного, ніж специфічного. Тому не є дивиною наявність загальних механізмів у захисті від інфекційних хвороб. У рослин кожна клітина здатна до синтезу молекул, які розпізнають чужорідне. Сигнальні молекули передають інформацію між клітинами, що забезпечує посилення сигналу і його системне поширення. Цей механізм зумовив виникнення родини сигнальних молекул — цитокінів (інтерлейкінів, фактора некрозу пухлин й ін.) та їх рецепторів на поверхні імунних клітин. Поглиблене дослідження механізмів природного (вродженого) імунітету людини і рослин дозволило встановити, що певні імунні функції притаманні тією чи іншою мірою всім клітинам організму.

Можна представити імунну відповідь у вигляді загальної схеми, що включає три основні блоки: розпізнавання патогену (рецепцію), передачу сигналу до клітин та активацію захисних реакцій.

Захисні реакції природного імунітету у людини і тварин включають реакцію запалення, синтез сигнальних молекул цитокінів (інтерлейкінів, фактора некрозу пухлин, інтерферонів тощо) та захисних сполук (білків дефензинів та ін.). У рослин це реакція надчутливості (аналог реакції запалення) і синтез сполук із захисними властивостями — фітоалексинів, патоген‑залежних білків (PR‑білків), білків — інгібіторів ферментів, глікопротеїнів, збагачених проліном, антивірусних білків, активних форм кисню (пероксиду водню, кисневих радикалів), а також створення додаткових механічних бар’єрів (зміцнення клітинних стінок рослинних клітин, лігніфікація, калусоутворення).

Відомо, що у людини й у рослин є спільні патогени. Патогенні мікроорганізми утворюють велику групу видів, представники яких можуть інфікувати організми як тварин і людини, так і рослин, тобто є полібіотрофами (зокрема це бактерії Pseudomonas aeruginosa, Erwinia carotovora та ін.). Патогени рослин Agrobacterium radiobacter (Rhizobiaceae) можуть викликати інфекції у пацієнтів з імунодефіцитами. Метилобактерії Methylobacterium еxtorquens і M. mesophilicum, які зазвичай присутні в ризосфері та спроможні колонізувати листкову поверхню, здатні викликати бактеріємію, діалізний перитоніт.

Збудники захворювань людини і тварин Yersinia, Listeria, Salmonella широко розповсюджені в навколишньому середовищі й часто виявляються на рослинних субстратах. Вони можуть розмножуватися на овочах і коренеплодах, у плодових соках при зниженій температурі. Yersinia і Listeria проникають у вегетативну частину й проростки рослин через кореневу систему і розмножуються в них. Ці мікроорганізми спроможні проявляти свої патогенні властивості при взаємодії з рослинами.

Опортуністичні гриби можуть бути причиною так званих вторинних мікозів, які, як правило, уражають пацієнтів з різними формами імунодефіциту. Частіше збудниками вторинних мікозів є дріжджові гриби (переважно роду Candida), проте останнім часом стало відомо, що причиною таких захворювань можуть слугувати і міцеліальні гриби (близько 300 видів), відомі як грунтові сапрофіти та фітопатогени (Absidia corymbifera, Absidia corymbifera, Aspergillus flavus, A. fumigatus,, F. oxysporum, F. solani та ін.).

Рослинний організм може бути і носієм вірусів людини, тварин. Наприклад, при поливі рослин томатів стічними водами ентеровіруси з ґрунту через кореневу систему за 5–6 днів можуть досягати плодів.

У патогенів є особливі метаболіти — індуктори або еліситори, які рослини розпізнають. Унаслідок активації фітоімунітету за допомогою таких еліситорів підвищується неспецифічна стійкість рослин до різних типів стресів.

     

Біотичні еліситори, які надзвичайно активні в малих дозах, виділяють з патогенів або середовища їх культивування. Обробка ними не викликає у рослин видимих симптомів ушкодження та накопичення токсичних стресових метаболітів, але сенсибілізує рослинну тканину, підвищує її стійкість до наступного ураження. В якості еліситорів використовують різні речовини (олігосахариди, глікопротеїни, жирні кислоти). Пошук нових еліситорів стає актуальним напрямом у фітоімунології та біотехнології. У низці досліджень встановлено, що індукторами захисних реакцій рослин можуть виступати і бактеріальні ліпополісахариди (ЛПС). Виявилось, що вони здатні підвищувати хворобостійкість рослин у різних системах патоген‑рослина. ЛПС індукували системну стійкість рослин за участі сигнальних шляхів, що залежать від жасмонової або саліцилової кислот.

Мобілізація захисних сил рослини для швидкого реагування на атаку патогену отримала назву сенсибілізації або праймування. Праймування рослини непатогенними бактеріями, як і природними або синтетичними хімічними речовинами, пришвидшує реакцію клітини й рослини в цілому на бактеріальну, грибну та вірусну інфекції, а також на інші стреси.

Основними чинниками патогенності мікроорганізмів є ферменти та токсини. Дія цих сполук на рослини спричиняє порушення функціонування і загибель клітин. Візуально це проявляється як симптоми захворювання — хлороз, некрози, в’янення тощо. За цими симптомами можна провести діагностику захворювання, проте для більш точної діагностики та встановлення збудника потрібне застосовування молекулярно‑генетичних методів. Деякі патогени можуть існувати в організмах тривалий час у латентній формі, не викликаючи симптомів хвороби, і їхню присутність можна встановити тільки за допомогою молекулярної діагностики.

Останні 10–15 років з розвитком технологій діагностика перейшла на якісно новий рівень специфічності й точності, що дозволило вченим/дослідникам/лаборантам брати на себе сміливість і говорити про прогноз розвитку захворювання, моделювати його перебіг та, відповідно, пропонувати профілактику або лікування.

В медицині діагностика насамперед орієнтується на імунні реакції, а вже потім на пошук самого збудника. У той час як у фітопатології діагностика збудника є основним підходом, і в цьому найкраще себе зарекомендувала ДНК‑діагностика. Ще у 90‑х роках минулого століття Кері Малліс винайшов метод накопичення будь‑якої ділянки ДНК, який згодом отримав офіційну назву «Полімеразна ланцюгова реакція» (ПЛР).

На нашу думку, сам автор пропонує найкраще тлумачення свого винаходу: «Починаючи з єдиної молекули ДНК, носія генетичної інформації, ПЛР може надати 100 мільярдів подібних молекул за кілька годин. Реакцію дуже легко провести, для цього достатньо однієї пробірки, незначної кількості реагентів та джерела тепла».

Сьогодні на базі Білоцерківського діагностичного центру активно використовується метод ПЛР для діагностики фітопатогенів як польових культур, так і овочів та спецкультур. З кожним роком ми розширюємо базу збудників, враховуючи їх шкодочинність та складність ідентифікації класичними методами.

Отже, загалом превентивна діагностика на основі ПЛР дає інформацію — не прогноз, а факт наявності/відсутності збудника. І на цьому варто наголосити, тому що:

  • жоден прогноз (програми, мобільні додатки, метеопрогноз тощо) не дає 100 % точності;
  • жодна камера/супутник не має роздільності, достатньої для ідентифікації специфічних інфекцій;
  • жоден експерт‑фітопатолог не зможе діагностувати інфекцію до появи її симптомів, а вони можуть бути і нетиповими.

Так само як і окремо взята ДНК, діагностика фітопатогенів не дасть повноти картини стану поля. Лише комплексний підхід і розуміння специфіки окремих методів діагностики дозволять отримати максимально повну, специфічну і достовірну інформацію та прийняти виважене рішення щодо подальших дій.