Познакомьтесь с бактериями, уничтожающими оливковые рощи и виноградники

Резюме

Xylella fastidiosa — бактерия, вызывающая заболевания растений, включая синдром быстрого упадка оливок (OQDS), с годовым экономическим ущербом более €5.5 млрд. Бактерия может распространяться по растениям через ксилему, что приводит к водному стрессу и дефициту элементов, вызывая симптомы заболеваний, и усилия по борьбе с ней сосредоточены на профилактике, сдерживании и исследовании методов лечения.

Один из европейских союзов top 20 приоритетные вредители растений, Ксилелла фастидиоза бактерия, вызывающая ряд заболеваний растений. 

Он вызывает смертельно опасный синдром быстрого ухудшения состояния оливок (СБУС), который за последние 15 лет привел к массовым вспышкам заболевания в Европе и, по оценкам, наносит ежегодный экономический ущерб в размере более 5.5 млрд евро.

Происхождение бактерии в Европе и во всем мире

Xylella fastidiosa — один из двух известных видов Xylella; другой — Xylella taiwanensis, вызывающий ожог листьев груш у азиатских груш на острове Тайвань.

X. fastidiosa — аэробная грамотрицательная бактерия, которая растет в тканях растений, транспортирующих воду (ксилеме). Известно, что она вызывает многочисленные заболевания растений по всему миру. 

Бактерии могут свободно перемещаться по растениям через ксилему, постоянно размножаясь при этом. 

Как только их численность достигает критического уровня, образующаяся биопленка блокирует ксилему, что приводит к водному стрессу и дефициту таких элементов, как цинк и железо, которые вызывают многие симптомы, связанные с заболеваниями, с которыми связан этот патоген.

Первые сообщения о таком заболевании появились в 1892 году, когда неизвестная чума уничтожила около 14,000 34,600 гектаров (- - акров) виноградников Калифорнии. 

Этот «Болезнь Анахайма» позже была названа болезнью Пирса в честь Ньютона Пирса, бактериолога, приглашенного для изучения вспышки. 

Пирс правильно предположил, что причиной заболевания является микроскопический инфекционный агент, хотя ему не удалось выделить или идентифицировать конкретный возбудитель.

Предполагается, что это вирус для большинства из 20^th века, только в 1973 году X. Fastidiosa была признана бактерией. Только в 1987 году бактерия была официально описана и названа Xylella fastidiosa Уэллсом и др. 

С тех пор в качестве подходящих хозяев для патогена были идентифицированы 696 видов растений из 88 ботанических семейств.

Среди болезней, которые, как известно, вызывает Xylella, есть несколько, имеющих важное сельскохозяйственное и экономическое значение. К ним относятся вышеупомянутая болезнь Пирса, которая в настоящее время наносит калифорнийской винодельческой промышленности ежегодные убытки в размере 104 млн долларов (92 млн евро), ожог листьев оливы и OQDS.

OQDS вызывает увядание и высыхание листьев, веток и ветвей оливок, что препятствует плодоношению деревьев и в конечном итоге приводит к падению и гибели дерева.

Прогнозные модели наихудшего сценария показывают, что к 5.6 году общие экономические потери только в Италии составят до 2070 млрд евро, а из-за вспышек заболеваний в стране уже потеряно около 100,000 - рабочих мест.

Из-за своих разрушительных эффектов и способности быстро адаптироваться к новым условиям и хозяевам, Xylella fastidiosa регулируется в ЕС как карантинный организм. Его ввоз на территорию союза и перемещение по ней запрещено законом.

Как распространяется ксилелла и где она в настоящее время встречается

Xylella fastidiosa, родом из Центральной Америки, передается между растениями-хозяевами питающимися ксилемой насекомыми из семейств Cicadellidae (цикадовые) и Cercopidae (цикадовые). 

Такие насекомые способны только к элементарному полету на короткие расстояния (около 100 метров), но были зарегистрированы путешествия на гораздо большие расстояния, когда их переносил ветер. Также было показано, что передача бактерий происходит под землей через корневые прививки.

Распространение на большие расстояния чаще всего происходит через перемещение зараженных растений. Считается, что именно так патоген был представлен в Италии и другие европейские народы.

В октябре 2013 года Xylella fastidiosa была обнаружены заражающие оливковые деревья в регионе Апулия на юге Италии. 

Это был первый случай, когда бактерия была зарегистрирована в Европейском Союзе. Болезнь вызвала быстрое снижение урожайности оливковых рощ, и к апрелю 2015 года она охватила всю провинцию Лечче и другие зоны Апулии.

Подвид, вовлеченный в ситуацию в Италии, был идентифицирован как X. fastidiosa subsp. pauca, штамм, который демонстрирует выраженное предпочтение оливковым деревьям и теплому климату. Этот подвид с тех пор был включен в Закон о защите от сельскохозяйственного биотерроризма в Соединенных Штатах из-за его разрушительного потенциала.

В ответ на вспышки заболевания в Италии Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов (EFSA) созвало в ноябре 2015 года чрезвычайный научный семинар. 

В мероприятии приняли участие более 100 ученых со всего мира, чтобы выявить основные пробелы в знаниях и обсудить приоритеты исследований в отношении патогена. 

В том же месяце EFSA на основании продолжающихся экспериментов в Апулии пришло к выводу, что виноградные лозы являются возможным резервуаром ксилеллы в регионе.

К октябрю 2015 года патоген достиг региона Прованс-Альпы-Лазурный берег на материковой части Франции, где было обнаружено, что подвид X. fastidiosa subsp. multiplex заразил молочай миртолистный — вид растения, завезенный из Южной Африки. 

В следующем году бактерия была обнаружена в Корсика и Германии. В 2017 году он был обнаружен на испанских островах Майорка и Ибица, а впоследствии и материковая часть Испании.

С тех пор ксилелла была обнаружена на оливковых деревьях и других растениях-хозяевах по всему Пиренейскому полуострову, а также в Ливане и Израиль на среднем Западе.

Роль изменения климата в распространении ксилеллы

Значительные исследования показывают, что изменение климата увеличивает риск вспышек заболеваний растений, основными факторами которых являются изменения температуры и влажности.

По мере повышения глобальной температуры расширяется ареал распространения многих патогенов, в результате чего новые регионы и виды растений подвергаются воздействию болезней, ранее ограничивавшихся более теплым климатом. 

Более высокие температуры, как правило, способствуют размножению и распространению грибков и бактерий, особенно в сочетании с повышенной влажностью. 

Кроме того, более высокие минимальные температуры продлевают сезонно-активный период организмов и повышают их способность переживать зиму и сохраняться в окружающей среде. Это касается не только патогенов, но и их переносчиков.

Помимо благоприятных условий для многих патогенов, более высокие температуры могут ослабить естественные защитные механизмы растений из-за таких процессов, как тепловой и водный стресс, делая их более уязвимыми для инфекций и повышая вероятность получения более серьезных повреждений и более высоких показателей смертности.

В частности, в отношении Xylella fastidiosa недавняя климатически обусловленная эпидемиологическая модель проанализировала уязвимость европейских земель к этой болезни при различных сценариях изменения климата, оценив климатические условия, благоприятные как для патогена, так и для его основного переносчика, Philaenus spumarius, также известного как луговой лягушачий червец или луговой мокреец. Это насекомое ранее было идентифицировано как переносчик, ответственный за распространение бактерии в итальянских оливковых рощах.

Исследование показало, что повышение средней глобальной температуры на 1.5 °C увеличивает долю общей площади земель, находящихся под угрозой в Европе, до 0.32 процента, тогда как повышение на 4 °C увеличивает эту площадь до 1.87 процента. 

В диапазоне проанализированных повышений температуры была выявлена ​​точка невозврата в 3 °C. За пределами этого порога исследователи обнаружили, что риск распространения патогена к северу от Средиземноморского региона становится значительно выше, что позволяет ему быстро распространяться в ранее не затронутых районах.

Авторы также утверждают, что до середины 1990-х годов климатические условия Европы, за исключением средиземноморских островов, скорее всего, не позволяли бактерии закрепиться на континенте.

Усилия по борьбе с Xylella fastidiosa

Поскольку известных методов лечения больных растений не существует, текущие меры контроля направлены на профилактику и сдерживание распространения заболевания. 

Наиболее эффективная стратегия, применяемая повсеместно, требует как полного удаления зараженного растительного материала, который может служить резервуаром для бактерий, так и контроля популяций насекомых-переносчиков.

Помимо полного удаления зараженных растительных материалов, EFSA рекомендует создать «буферная зона» шириной не менее 100 метров, из которой также удаляются и уничтожаются все восприимчивые виды растений.

В связи с вирулентностью возбудителя специалисты рекомендуют использовать защитные меры при удалении и транспортировке всех органических материалов в ходе этого процесса.

Аналогичным образом осуществляется борьба с насекомыми-переносчиками, требующая не только уничтожения самих организмов, но и мест их обитания. 

Это необходимо из-за полифагии и многостадийного жизненного цикла таких насекомых. Например, известно, что Philaenus spumarius питается по меньшей мере 170 растениями-хозяевами и развивается через пять отдельных стадий после вылупления.

Лечение и исследования Xylella fastidiosa

Комбинации изменений в методах возделывания культур, бактерицидных обработок и вмешательств, направленных на улучшение физиологического состояния хозяина, показали свою эффективность в воздействии на развитие болезни вплоть до возобновления сбора урожая. Однако на сегодняшний день ни один из них не доказал свою эффективность в искоренении патогена в зараженном растении.

Исследования методов лечения серьезно ограничены карантинным статусом Xylella, особенно в пределах ЕС. Другие ограничения ЕС включают запрет на использование антибиотиков для защиты растений. Поэтому области исследований различаются в зависимости от географического региона.

В Соединенных Штатах, где использование антибиотиков для лечения растений разрешено, имеются данные испытаний антибиотиков, таких как окситетрациклин, тетрациклин и стрептомицин, при обработке листьев болезни Пирса, а также микроинъекции окситетрациклина при лечении ожога листьев американского вяза, вызванного ксилеллой. 

Хотя такие испытания продемонстрировали ремиссию симптомов, ни одно из них не привело к полному устранению инфекции, и симптомы возвращались после прекращения лечения.

Крупной инициативой в Европе является Проект Биовексо, инновационная программа Совместного предприятия в области биотехнологий (BBI-JU), запущенная в 2020 году в рамках исследовательской и инновационной программы Европейского союза «Горизонт 2020».

Специально для борьбы с ксилеллезом при выращивании оливок компания BIOVEXO разрабатывает два основных класса экологически чистых биопестицидов: «X-биопестициды», которые воздействуют непосредственно на патоген, и V-биопестициды», которые воздействуют на мокрецов, являющихся основными переносчиками патогена. 

Испытываемыми компонентами являются штаммы бактерий, микробный метаболит, растительные экстракты и энтомопатогенный гриб.

В недавнем исследовании в Бразилии был использован новый подход, включающий N-ацетилцистеин — распространенный муколитический препарат, используемый для лечения передозировки парацетамола и для разжижения густой мокроты при таких заболеваниях у людей, как пневмония и бронхит. 

Хотя механизмы, лежащие в основе этого явления, еще не полностью изучены, предварительные результаты показали эффективность препарата в разрушении бактериальных биопленок при применении его путем орошения гидропонных или полевых культур.

Учитывая роль, которую биопленки играют в защите бактерий от антимикробной терапии и, в конечном итоге, приводят к развитию резистентности бактерий, эта область исследований может развиваться, поскольку разрушение защитной матрицы биопленки может значительно повысить эффективность лечения, направленного непосредственно на бактерию Xylella.

Пока не будут найдены средства для точного и систематического уничтожения патогена на всем протяжении его хозяина, что, как показывают результаты данного исследования, может стать возможным в будущем, карантин и уничтожение зараженных растений, скорее всего, останутся единственным наиболее эффективным методом борьбы.