3. Морфологические и биологические особенности Fusarium moniliforme и вызываемые им заболевания

Fusarium moniliforme J. Scheld. является основным представителем секции Liseola. Секция изначально рассматривалась В. Волленвебером как часть секции Elegans без хламидоспор. Д Щербаков в 1922 г. считал его возможным выделить гриб в отдельную секцию – Moniliform, в котором микроконидии образуются в цепочках. Он изложил следующие характеристики: макроконидии с очень тонкими стенками, в основном с тремя перегородками; микроконидии в цепочках, нет хламидоспор, цвет реверзума от бесцветного до фиолетового [17].

На конференции, посвященной фузариям, в Мэдисоне в 1924 г. было решено установить секцию Liseola на основе оригинального описания П.А. Саккардо, отметить образование перитециев типа Gibberella с 1 перегородкой в спорах. Характеристика секции выглядела следующим образом: микроконидии в цепочках, веретеновидно-яйцевидной формы; макроконидии тонкие с немного суженной верхней частью и клеткой-ножкой у основания. Форма и цвет похожи на представителей секции Lateritium, т.е. отдельные спородохии или пионноты культур от коричневато-белого до оранжево-коричневого цвета. Хламидоспоры отсутствуют, строма от белого до фиолетового цвета, иногда с голубыми склероциями. Цвет культур, как правило, бледно-персиковый до фиолетового с белым порошкообразным налетом на поверхности из-за образования микроконидий [17].

В 1931 г. В. Волленвебер включил следующие виды и разновидности: F. moniliforme Sheld., F. moniliforme var. majus Wr. & Rg., F. moniliforme var. erumpens Wr.& Rg., F. moniliforme var. minus Wr., F.moniliforme var. subglutinans Wr. & Rg., F. moniliforme var. anthophilum (A. Br.) Wr., F. neoceras Wr. & Rg., F. samoense Gehrmann. В 1935 г. вместе с Рейкингом он рассматривал F. samoense и F. moniliforme var. majus и vаr. erumpens как синонимы F. moniliforme [17].

Как впервые было отмечено В. Волленвебером, секция Liseola тесно связана с F. oxysporum и секцией Elegans. Пигментация и форма спор схожи, но F.oxysporum производит хламидоспоры; микроконидии образуются в простых фиалидах и они не образуются в цепочках. В.И. Билай в 1955 г. объединила Liseola с секцией Elegans. Она ввела F. neoceras как синоним F.moniliforme var. subglutinans и сделала F.lactis разновидностью F.moniliforme. Она также перенесла F.moniliforme var. anthophilum как и F.tricinctum в секцию Sporotrichiella [31].

Старые или аномальные культуры F.moniliforme могут перестать формировать цепочки конидий, но у F. moniliforme var. subglutinans микроконидии образуются не на простых фиалидах как у F. moniliforme, а на полифиалидах. У многих изолятов F. moniliforme var. subglutinans небольшой процент микроконидий (от 0,5 до 5%) имеют грушевидную форму. Если микроконидии формируются на простых фиалидах, зачастую в цепочках, то гриб F.moniliforme, а если микроконидии, образованы на полифиалидах и не в цепочках, то двойник – F.moniliforme var. subglutinans [17].

Рост изначально пленчатый, бесцветный и быстрый. Культуры, как правило, темно-фиолетового, но иногда бледнее, цвета сирени, или даже кремового. Воздушный мицелий, как правило, плотный и аккуратный, хлопьевидный или войлочный, часто белый войлочный с мучнистым внешним видом из-за формирования микроконидий. Микроконидиеносцы простые, боковые, шиловидные фиалиды, сформированные на воздушных гифах; редко они образованы на коротких боковых ветвях, 20-30 µm длинной, 2-3 µm шириной у основания и примерно 1-5 µm на вершине [17].

Микроконидии образуют цепочки при оптимальных условиях роста и легко наблюдаются под малым увеличением микроскопа. Микроконидии 5 – 12 µ х 1,5 - 2,5 µm, веретеновидно-булавовидные с уплощенным основанием; иногда они образуют 1 перегородку [17].

Макроконидии образуются редко, развиваются из конидиеносцев образовавшихся на боковых ветвях гиф. Конидиеносец может состоять из одной базовой клетки, несущей 2 - 3 апикальные фиалиды, или может образовывать 2 - 3 метулы. Макроконидии тонкостенные, с удлиненной, часто резко изогнутой верхней клеткой и ножкой. Они могут иметь 3 - 7 перегородок и размеры 3-4 септы 25 – 36 х 2,5 – 3,5 µm, 5 – 6 септ 30 – 50 х 2,5 – 4 µm, 7 септ 40 – 60 х 3 – 4 µm [17].

Сумчатая стадия – Gibberella fujikuroi (Saw.) Wr. Перитеции обычно образуются только на мертвых растительных отстатках. Они образуются поверхностно, темно-синие, шаровидные, конические, 250-350 µm от 220-300 µm диаметром и с грубой внешней стенкой. Парафизы многоклеточные, булавовидные. Аски эллипсоидальные, булавовидные с 4-8 аскоспорами. Аскоспоры гиалиновые, с одной перегородкой; описание перитециев в культуре и эксперименты показали, что вид гетероталличный [17].

F. moniliforme широко распространен в влажных зонах умеренного пояса, а также в субтропических и тропических зонах по всему миру, редко в холодных зонах, кроме теплиц [17].

F. moniliforme является основным паразитом нескольких злаков, таких как рис, сахарный тростник, кукуруза и сорго. Он также паразитирует на очень широком спектре других растений, представленных следующими семьями, в которых он может вызвать болезни, такие как увядание, корневые гнили, задержка в росте и гипертрофию: Amarantaceae, Amaryllidance, Asclepidaceae, Betulaceac, Bromeliaceac, Buxaceae, Caryophyllaceae, Iridaceae, Lauraceae, Leguminosae, Liliaceae, Linaceae, Malvaceae, Tiliaceae [17].

F. moniliforme вызывает увядание, корневую гниль и гипертрофию побегов риса. Корневые гнили вызывают до 70% потерь урожая раннеспелых сортов. На самом деле, «bakanae» (название заболевания на территории Австралии) является одним из самых серьезных заболеваний риса в Азии. Заболеванию благоприятствуют высокие температуры (30 – 35 ^oC) и характерный симптом – гипертрофия побегов. Это является результатом стимулирования растения веществами, известными как гиббереллин, выделяемый F. moniliforme [17].

Фузариозная розовая гниль початков (Fusarium pink ear rot) является одним из самых разрушительных заболеваний кукурузы. Тяжелые эпифитоиии наблюдаются во всем мире, изменяя урожайность и качество зерна, влияя на их массу, состав углеводов и белков и присутствие примеси грибковых токсинов. Доминирующей грибной агент, связанный с этим заболеванием на кукурузе – Fusarium moniliforme Sheld., анаморфа гриба Gibberella fujikuroi. Распределение и распространенность этого патогена в значительной степени определяется погодными условиями, такими как температура и влажность. При анализе различных территорий было показано, что размер ущерба варьирует в зависимости от географических и климатических условий [32; 25].

Возбудитель Fusarium moniliforme обитает сапротрофно в растительных остатках после смерти растения. Перитеции с аскоспорами и конидии развиваются на поверхности пораженных растений или растительных остатков, гарантируя распространение спор. Аскоспоры освобождаются от перитециев по крайней мере 18 ч при благоприятных условиях температуры, от 12 до 34°С (желательно 25°С) и влажности более 80% и может преодолевать сотни километров по ветру. Конидии образуются в вязких массах в спородохиях. Если аскоспоры или конидии контактируют с растением посредством ветра или дождя, гриб начинает патогенную фазу [32; 49].

Как эндофит кукурузы, F. moniliforme остается бессимптомно биотрофным паразитом в течении всего вегетационного периода. Некоторые изоляты усиливают рост всходов кукурузы. Гриб существует в межклеточном пространстве в растении, хотя при определенных обстоятельствах он может существовать и внутриклеточно. Гриб системно эндофитно заражает проростки в том числе и семена. Инфекция семян кукурузы переносится вертикально, от поколения к поколению. Эндофитный гриб распространятся по всему растению: листьях, стеблях и корнях [32; 49; 19].

Сосудистые увядания являются наиболее распространенным заболеванием, вызванным Fusarium moniliforme. Сосудистые заболевания имеют определенные общие характеристики: инфицированные части растений теряют тургор, становятся вялыми и меняют цвет от зеленого до зеленовато-желтого, и наконец, желтеют, затем коричневеют и умирают. Увядшие листья могут быть плоскими или скрученными. Молодые побеги также увядают и умирают. Сосуды забиты мицелием, спорами и полисахаридами гриба. Поток воды через такие ткани ниже, чем через здоровые ткани. По сосудам в листья растения разносятся токсины, которые вызывают снижение синтеза хлорофилла и негативно влияют на фотосинтез. Сниженная способность контролировать потерю воды через транспирацию и нарушение обмена веществ приводит к увяданию, межжилковому некрозу и затем гибели растения [32; 49; 19].

При гнили стеблей зерновых, междоузлия становятся мягкими и на них появляются темные коричневые пятна снаружи, и розовые или красноватые внутри. Сердцевина распадается, оставляя нетронутыми только сосудистые пучки [49].

При гнилях початков кукурузы, на них образуется розоватый или красноватый мицелий гриба, который часто начинает развитие с кончика початка. Если заражение происходит рано, розовый мицелий Fusarium moniliforme растет между зернами початков и початки могут сгнить полностью [49].

Микотоксины являются вторичными метаболитами гриба Fusarium moniliforme, которые вредны для людей и животных. Микотоксикозы это заболевания, вызванные потреблением в пищу продуктов с этими токсическими грибными метаболитами. Уже на протяжении многих лет известно, что микотоксины опасны для здоровья человека и животных, и эта угроза с годами становится ничуть не менее важной [13; 42].

В настоящее время F. moniliforme привлек большое внимание исследователей, изучающих микотоксины. В начале 1990-х годов, в США наблюдалось массовое заболевание животных, обусловленное питанием зерном кукурузы с плесенью. Сообщается, что копыта крупного рогатого скота и лошадей отшелушивались, куры теряли свои перья, у некоторых животных отмечались судороги. Большой процент пострадавших животные погиб [9].

F. moniliforme – гриб, наиболее часто вызывающий плесневение кукурузы, считается причиной так называемого "кукурузного токсикоза". В некоторых странах F. moniliforme связан с высокими темпами развития рака пищевода у человека [43; 13; 42].

Экологическая роль микотоксинов была предметом многочисленных спекуляций, в частности, их роли в паразитизме на растении. Уже имеются некоторые доказательства роли фумонизинов в процессе инфекции F. verticillioides [38; 31].

Фумонизины – токсичные метаболиты гриба Fusarium moniliforme, который считается опаснейшим контаминантом кукурузы во всем мире. Фумонизины являются канцерогенами у лабораторных крыс и вызывают острый токсикоз домашних животных, связанный с загрязнением корма. К ним относятся как лошади с лейцефаломалацией и свиньи с отеком легких. Пораженную Fusarium moniliforme кукурузу потребляют люди в определенных частях мира, что приводит к более высокой заболеваемости раком пищевода. Фумонизины структурно похожи на сфингозин и могут проявлять свою биологическую активность благодаря их способности блокировать ферменты (сфинганин- и сфингозин-N-ацилтрансферазы), участвующие в сфинголипидном биосинтезе [44; 37; 40].

Фумонизины начинают накапливаться в кукурузе еще в поле, но особо много их становится при полном несоблюдения условий хранения зерна – тогда их концентрация многократно увеличивается. Наиболее распространенный представитель фумонизинов – фумонизин В1, был выделен и охарактеризован совсем недавно – в 1988 г., несмотря на то что сам гриб F. moniliforme паразитирующий на кукурузе признан токсигенным ещё с начала ХХ в. [33; 37; 24; 22].

Фумонизин В1 – мощный конкурентный ингибитор ферментов, который связывает сфинганин с длинноцепочечными жирными кислотами с образованием церамида, который сам по себе вовлечен в биосинтез сложных сфинголипидов. В результате токсин нарушает функции мембран. Воздействие фумонизина таким образом, имеет два последствия: (1) блокировать биосинтез таких важных молекул как сфингомиелин, который может образовывать 18-19% плазматических мембран в печени, а также нейтральный гликолипид и ганглиозид, которые важны для передачи рецепторами сигналов между клетками, и (2) накопление сфингаина, который сам по себе играет роль важной сигнальной молекулы [44; 45].

Функции большинства генов в биосинтезе фумонизина грибом F. moniliforme были определены с помощью метода генной инактивации. В кластере ген FUM1 кодирует поликетидную синтазу, которая катализирует синтез линейных поликетидов, формирующих основную структуру фумонизинов. Кроме того, ген FUM8 кодирует α-оксоамин синтазу, которая участвует в производстве фумонизинов B и С [45].

Фумонизины также формируется в растениях, инфицированных грибами F. verticillioides и F. proliferatum на пораженных початках кукурузы. В Италии высокие уровни фумонизинов были найдены (250 мг/кг, в 6 из 6 выбранных образцов) с признаками розовой гнили початков. Тем не менее, даже в более северных странах Европы при благоприятных погодных условиях содержание фумонизина может достигать значительных уровней. Растения зараженные F.moniliforme в большинстве случаев загрязнены фумонизином B1 одновременно с BEA и монилиформин. Вероятность нахождения этих канцерогенных токсинов в кукурузе выше в южной, чем в центральной или Северной Европе [14; 40; 18].

В большинстве своем Fusarium moniliforme является слабым продуцентом или вовсе не образует монилиформин, и только небольшой процент изолятов производит небольшое количество этого токсина. Монилиформин является высокотоксичным соединением, связанным со вспышками лейкоенцефаломалации лошадей. Монилиформин также приводит к снижению фертильности, гематологическим расстройствам, гипертрофия миокарда и высокой смертности у грызунов, цыплят, утят, и свиней [34; 21].

Монилиформин образуется в культуре гриба в количестве от 60 до 2100 мг / кг, средний выход составляет 441,8 мг / кг у 22% токсигенных штаммов F. moniliforme. Следует отметить, что подавляющее число штаммов F. moniliforme из кукурузы в Кении и ЮАР не производят химически определяемые уровни монилиформина в культуре [34; 21].

Гиббериллины являются специфическими стимуляторами роста растений, которые образуются F. moniliforme и другими грибами, но обнаружены также в растительных и животных организмах. Гиббериллины были выявлены в 1935 г. при изучении распространенного тогда в Японии вредоносного заболевания риса, вызываемого F. moniliforme. Заболевание проявляется в том, что у многих растений наряду с нормальными появляются удлиненные побеги с более узкими листьями и удлиненными междоузлиями. Они имеют укороченные колосья, которые раньше выбрасываются и зацветают, что приводит к резкому снижению урожая риса [33].

Гиббериллины относятся к ациклическим соединениям флуоренового ряда, основной их структуры есть гиббан, которые является тетрациклическим ненасыщенным кольцом Различные гиббериллины отличаются наличием и положением двойной связи в кольце А, количеством и расположением гидроксилов. Различные гибберилины обозначаются буквой А и цифрой, например А₁,А₂,А₃. Гибберилленовая кислота А₃ – один из наиболее физиологически активных гиббериллинов. Одним из характерных признаков физиологического действия гибберилинов является их способность вызывать удлинение стеблей без увеличения числа междоузлий. Это свойство наиболее четко проявляется у карликовых сортов растений, которые в большинстве случаев используются в качестве тестов на гиббериллины, например карликовые сорта кукурузы и т.д. [19].

Удлинение междоузлий в опытах с обработкой растений гиббериллинами сопровождается уменьшением диаметра стебля и числа сосудисто-волокнистых пучков. В ряде случаев в зависимости от концентрации наблюдаются усиление вращательного движения стеблей, изменение форм листьев, стимуляция роста усиков, задержка формирования листьев и другие изменения. В зависимости от биологических особенностей растений, фаз его роста, концентрации и времени воздействия гиббериллины вызывают значительные изменения в морфогенезе растений. У одних растений гиббериллины могут вызывать сокращение количества боковых побегов и удлинение главного побега, у других, наоборот, увеличение количества боковых побегов и междоузлий на них, удлинение побегов, увеличение размеров листовой пластинки [14].

При определенных условиях мицелий гриба F. moniliforme по сосудистым пучкам корня кукурузы растет до 15-25 см от корневой шейки. При этом видимые признаки заболевания растения не проявляются. Культуральные фильтраты, выделенные из грибов, которые растут в тканях стебля растений, стимулирует рост проростков кукурузы, вызывая удлинение их междоузлий. У многих выделенных штаммов образуются гиббериллины, что свидетельствует о возможном их проникновении в сосудистую систему растения и в его ткани [19].

Фузариевая кислота, образуеммая патогенными штаммами F. moniliforme, способна проникать через корневую систему в сосудистую и быть одним из факторов, вызывающих токсическое увядание растений. Показано, что многие штаммы F. moniliforme, выделенные из сосудистых пучков нижней части стебля здоровых растений кукурузы, в ранние фазы роста образовывали гиббериллины и в связи с этим высказано предположение о микогенном происхождении последних в высших растениях. В результате многих исследований было установлено, что большинство испытуемых культур F. moniliforme угнетает рост проростков кукурузы как воздействие метаболитов (действие фильтратов), так и мицелием гриба [19; 33].

Фитопатогенные Fusarium spp. не имеют специализированных структур проникновения, таких как аппресории или гаустории для попадания в клетку-хозяина. Cкорее всего, гриб заражает растения через естественные отверстия или проникает в клетки эпидермиса непосредственно короткими инфекционными гифами [39; 49; 38].

Созревание и прорастание спор имеет решающее значение для колонизации растения. Сигнальные пути циклического аденозин-3'5'-монофосфата (цАМФ) и митоген-активируемуемой протеинкиназы (MAP-киназы) имеют общую роль в регулировании морфогенеза во время прорастания спор. Прорастание должно проходить в нужное время и в соответствующем месте для успешного прохождения инфекции. Грибы рода Fusarium образуют многоклеточные макро- или микроконидии, которые имеют важное значение в распространение заболевания. Ростовые трубки появляются преимущественно из апикальной клетки. В конидиях происходит расщепление хитина в верхних клетках спор и макроконидий, которые впоследствии производят ростовые трубки [32; 49; 39].

При прорастании споры и последующем проникании гриба в растение, гриб выделяет ферменты, гидролизирующие полимеры клеточных оболочек растений. Более значительное изменение структуры клеточной оболочки растений происходит при действии на нее ферментов, разрывающих полимерные цепи в любом месте, а не только на концах. Деградация клеточной оболочки растений может происходить в непосредственной близости от конца гиф или в результате мацерации тканей [1; 23].

Пектины – метоксилированные полимеры галактуроновой кислоты – широко распространены в плодах, фруктах, овощах. Разрушение в растительных тканях межклеточного вещества, основой которого являются пектиновые вещества, представляет одно из условий, благоприятствующих внедрению фитопатогенных грибов ткани растения, а также процессов разложения грибами растительных остатков. Пектолитические ферменты мацерируют паренхимные ткани растений, разрушая срединную пластинку, состоящую из пектинов. Упаковка и строение пектинов у разных растений неодинаковы и в неодинаковой мере подвержены ферментативной деградации, что, вероятно, может быть также связано с наличием ингибиторов пектиназ в устойчивых сортах растений. Некоторые штаммы F. moniliforme более активно гидролизуют пектин, что сопровождается накоплением только галактуроновой кислоты в более раннем возрасте культур и использованием ее с увеличением биомассы в 6-дневных культурах [1; 23].

Целлюлоза – наиболее распространённое в природе высокомолекулярное органическое соединение. Предполагают, что целлюлоза является одним из наиболее благоприятных источников питания для роста гриба из клеточных оболочек растения хозяина. Целлюлазы гриба вызывают потерю тургора и полное, почти не обратимое увядание растения. У грибов присутствуют и другие ферменты, такие как пероксидаза, декарбоксилазы глутаминовой кислоты и каталаза [1; 23].

Грибы рода Fusarium способны распространятся системно. Удлиненные гифы возбудителя межклеточно и внутриклеточно распространяются по всей паренхимной и сосудистой тканях, вызывая серьезные повреждения тканей хозяина. Распространение гриба из семян кукурузы в початок могут быть разделены на четыре этапа: передача из семян на проросток, движение в стебле, движение в початок, распространение по початку [49].