Diagnostyka molekularna nicieni pasożytów roślin warzywnych

Gromada nicienie (Nematoda) obejmuje organizmy o stosunkowo prostej budowie i małych rozmiarach, jednakże stanowi jedną z najliczniejszych gromad zwierząt występujących na ziemi. Nicienie dzięki licznym sposobom odżywiania (saprofity, drapieżniki, pasożyty) zasiedlają wszystkie możliwe nisze ekologiczne. W rolnictwie największe znaczenie mają jednak nicienie będące pasożytami roślin. Pobierają one substancje odżywcze z żywych komórek roślin-gospodarzy. Nicienie, ze względu na prowadzony tryb życia, podzielono na migrujące i osiadłe. Migrujące (m. in. Pratylenchus, Helicotylenchus) to takie, których wszystkie stadia rozwojowe (z wyjątkiem jaj) mogą przemieszczać się w glebie. Osiadłe (rodzaje Heterodera, Globodera; mątwiki i Meloidogyne; guzaki) po znalezieniu odpowiedniego miejsca w korzeniu i wytworzeniu charakterystycznej dla siebie struktury odżywiającej, pozostają wewnątrz rośliny do końca cyklu życiowego niszcząc całe tkanki, a nawet organy roślin. Obie grupy wpływają na obniżenie plonów rolniczych, dlatego obecnie istnieje duże zainteresowanie rolników i współpracujących z nimi naukowców tymi czynniki patogenicznymi roślin. Fitopatologiczne laboratoria diagnostyczne stale poszerzają swoją ofertę identyfikacji patogenów roślin o gatunki nicieni pasożytujących na roślinach uprawnych bądź ozdobnych.

Znaczenie nicieni w rolnictwie

Pasożytnicze nicienie są bardzo szkodliwą grupą organizmów chorobotwórczych roślin. Wywołują poważne choroby roślin zwane nematozami. Objawami porażenia rośliny przez nicienie są: ogólne osłabienie rośliny (tj. zahamowany wzrost, więdnięcie, żółknięcie i opadanie liści, liczne nekrozy w korzeniach, anomalie w całym systemie korzeniowym, wczesne dojrzewanie), a nawet śmierć. Słaba kondycja roślin prowadzi do zwiększonej  podatności na inne  pasożyty. W przypadku ziemniaka, objawami nematozy mogą być p. ciemniejsze bulwy. Straty powodowane przez mątwiki w uprawie ziemniaka i buraków cukrowych mogą sięgać nawet 20-30%. Trudność dokładnego oszacowania strat wynika głównie z porażenia korzeni, co często nie powoduje objawów fenotypowych. Jednym wskaźnikiem porażenia rośliny przez np. nicienie cystowe może być obecność dojrzałych samic przyczepionych do korzeni rośliny – gospodarza. Wiadomo, że znaczne straty gospodarcze wywoływane przez nicienie występują wszędzie tam, gdzie rosną ich naturalni gospodarze tj.: pomidor, ziemniak, soja, pszenica, jęczmień, owies czy burak. Większość gatunków powoduje mechaniczne uszkodzenia korzeni prowadzące często do ogólnego niedorozwoju rośliny. Pośrednia szkodliwość nicieni wynika z tego, że są wektorami fitopatogennych wirusów, bakterii i grzybów. Wektorami wirusów roślin są nicienie długacze powodujące często straty w sadach i na plantacjach truskawek.

Z punku widzenia gospodarki największe zniszczenia powodują nicienie cystowe (rodzaje Heterodera, Globodera)i guzaki (Meloidogyne). Guzak amerykański i holenderski powoduje duże straty w uprawach ziemniaka, zbóż i kukurydzy. W Polsce największe szkody w uprawach szklarniowych wyrządza guzak północny. Szkodnik ten atakuje pomidora, ziemniaka, marchew i pietruszkę. Guzak arachinowy, guzak południowy i guzak jawajski to patogeny ogórka i pomidora.

Spośród nicieni cystowych największe znaczenie gospodarcze mają mątwiki atakujące różne uprawy. I tak, mątwik burakowy to znany pasożyt buraka cukrowego, mątwik ziemniaczany i mątwik agresywny to szkodniki upraw ziemniaka, mątwik sojowy pasożytuje na soi warzywnej a mątwik zbożowy to pasożyt zbóż. Mątwik ziemniaczany oprócz ziemniaka poraża także inne rośliny z rodziny psiankowatych, takie jak bakłażan czy pomidor. Nicienie pasożytujące na roślinach warzywnych przedstawiono  w Tabeli 1 i 2.

Zwalczanie nicieni jest ekonomicznie opłacalne jedynie przy pomocy toksycznych, nieselektywnych i biologicznie trwałych środków ochrony roślin – nematocydów. Jednak na terenie UE stosowanie tych pestycydów jest stopniowo zakazywane z powodu możliwego skażenia gleby, a tym samym rosnącego oporu aktywistów i opinii publicznej. Tradycyjne sposoby walki z nicieniami (płodozmian i inne zabiegi agrotechniczne, a także uprawa roślin „pułapkowych”) bądź metody walki biologicznej (grzyby lub pasożytnicze bakterie) są trudne, czasochłonne i najczęściej całkowicie nieskuteczne lub mało efektywne. Poszukuje się też genetycznych źródeł odporności na choroby wywoływane przez nicienie u gatunków dzikich i bada się metody ich wprowadzania do odmian uprawnych.

Badania molekularne

Identyfikacja choroby tylko na podstawie analiz morfologicznych lub/i anatomicznych porażonych roślin jest niewystarczająca. W ciągu ostatnich kilkunastu lat, z wykorzystaniem technik biologii molekularnej, zaczęto opracowywać strategie konstruowania roślin transgenicznych, które będą odporne na nicienie. Jest to przykład innowacyjnego i bardzo obiecującego podejścia do ochrony roślin przed tymi szkodnikami. Niebagatelnym problemem jest prawidłowa identyfikacja gatunku pasożytniczego nicienia. Jest to spowodowane dużym podobieństwem objawów chorobowych wywołanych przez różne gatunki. Mogą pojawiać się również zakażenia mieszane, wywołane jednocześnie przez blisko i daleko spokrewnione gatunki.

Do dokładnej identyfikacji patogenów i szkodników roślin, w tym pasożytniczych nicieni, wykorzystywane są techniki badań molekularnych. W przypadku roślin uprawnych istotne jest szybkie działanie, a także jednoznaczna identyfikacja patogen bądź szkodnika. Dużą zaletą technik biologii molekularnej jest wczesna diagnostyka, często jeszcze przed zaobserwowaniem objawów chorobowych. Takie działanie zapobiega wystąpieniu dużych strat w uprawach, a tym samym zmniejsza koszty związane z walką z patogenem. Dokładna i jednoznaczna identyfikacja gatunku szkodnika daje możliwość odpowiedniego postępowania w odpowiedzi na wystąpienie choroby (np. poprzez dobór odpowiedniego środka ochrony roślin). W tym celu należy zebrać fitopatologicznie zmienione fragmenty (korzenie, łodygi, liście, kwiaty, kwiatostany, owoce) lub całe rośliny i dostarczyć je do laboratorium analiz molekularnych chorób roślin, np. Instytutu Agronomicznego Fertico (IAF).

Na wstępnym etapie diagnostyki należy ocenić co może być powodem zmian patologicznych w otrzymanym przez laboratorium materiale roślinnym. Innymi słowy z jakim patogenem możemy mieć do czynienia (wirus, bakteria, grzyb, nicień). Zdarza się również, że cała grupa patogenów należących np. do jednego rodzaju (np. w przypadku nicieni z rodzaju Heterodera) powoduje podobne zmiany fitopatologiczne. Często objawy choroby nie są jednoznaczne i trudno jest wskazać konkretny patogen odpowiedzialny za dane zmiany patologiczne. Zdarza się także, że podobne objawy wywoływane są przez stres abiotyczny (uszkodzenia mechaniczne, warunki środowiska, środki ochrony roślin itd.). W takich przypadkach Klient może poprosić o diagnostykę jednego patogenu bądź kilku prawdopodobnych, wytypowanych przez pracownika laboratorium lub doświadczonego fitopatologa zatrudnionego w IAF. Analiza kilku potencjalnych sprawców choroby daje jednoznaczną odpowiedź jak należy postępować w pracach polowych lub jaki dobrać środek ochrony roślin. IAF wykonuje analizy z wykorzystaniem technik PCR. Techniki te polegają na namnażaniu materiału genetycznego patogenu i sklasyfikowanie go do konkretnego rodzaju, a nawet gatunku szkodnika. Klasyfikacja opiera się na doborze konkretnych starterów (sekwencji nukleotydów z materiału genetycznego patogenu). Startery są specyficzne dla danego gatunku patogenu więc otrzymany wynik jest jednoznaczny i wiarygodny. Istotną zaletą analiz molekularnych jest czas. Przy zastosowaniu odpowiedniej procedury odpowiedź można otrzymać nawet tego samego dnia. Interpretacja wyniku jest bardzo prosta. W zmienionym patologicznie materiale roślinnym występuje poszukiwany patogen albo nie.

Obecnie diagnostyka fitopatologiczna z wykorzystaniem technik biologii molekularnej to ważne narzędzie w takich dziedzinach rolnictwa jak warzywnictwo, sadownictwo, czy uprawa roślin ozdobnych.

Tabela 1. Nicienie atakujące warzywa w uprawach pod osłonami

Tabela 2. Nicienie atakujące warzywa w uprawach polowych

Autor:
Karolina Felczak-Konarska