Кэти Зип (Kathie Zipp)
Дэвид М. Гадури (David M. Gadoury) работает фитопатологом в Корнелльском университете с 1985 года. В 1990 году произошло нечто интересное, что вызвало исследования, которые он и его команда продолжают проводить по сей день на различных культурах.
Хотя возбудители оидиума совсем лишены защитной пигментации и растут в полностью открытой нише на эпидермисе растений, они чрезвычайно устойчивы к ультрафиолетовой составляющей естественного солнечного света (фото by Cornell University).
Однажды инженер на пенсии купил себе виноградник. Этот человек занимался промышленной фотокопировальной обработкой и задавался вопросом, могут ли бактерицидные ультрафиолетовые (УФ) лампы помочь подавить патогены винограда.
«Мне стало интересно, как патогены растений взаимодействуют со светом. И я приступил к работе», - говорит Гадури, старший научный сотрудник отдела фипатологии и биологии растений в Корнелл Агртитех (Cornell AgriTech). «Все растения используют свет по-разному, поэтому, когда к нам обратился инженер с интересными идеями, я подумал, что он подойдет для выполняемой нами работы по изучению биологического воздействия света».
Команда приступила к экспериментам по изучению влияния ультрафиолетового излучения на развитие возбудителя оидиума винограда. Хотя методы лечения были эффективными в борьбе с патогеном, они все же повредили и ягоды винограда, сделав их похожими на печеный красновато-коричневый картофель.
Их исследования продолжались в течение следующих двух десятилетий, пока Аруппиллаи Сутпаран (Aruppillai Suthparan), аспирант из Норвегии, решил вернуться к теме. Он обнаружил, что применение ультрафиолетового света ночью требует гораздо меньших доз для подавления возбудителя без повреждения самого растения.
«Это был действительно прорыв, в котором мы нуждались», - сказал Гадури. «Использование более низкой дозы ночью, чтобы избежать повреждения при усилении воздействия на фитопатоген, было ключом к успеху».
Таким образом исследовательская группа вернулась к этому вопросу.
Фитопатогены реагируют на свет
УФ-лампы, подвешенные над растениями в теплице, могут подавлять мучнистую росу на самых разных культурах.
Фитопатогены были возле растений на протяжении тысячелетий. Исследовательская группа стремилась воспользоваться тем, как фитопатогены интерпретируют свет через повторяющиеся циклы дня и ночи, чтобы направлять их развитие.
«У оидиума есть эволюционная биология, сформированная восходом и заходом солнца, а не электрическим освещением с временным и спектральным распределением, которое совершенно ему незнакомо», - сказал Гадури. «Воздействие бактерицидного ультрафиолетового излучения заставляет ДНК молекулы тимина связываться друг с другом, изменяя генетический код фитопатогена, превращая его в болванку, что влияет на способность к размножению».
В дневное время повреждение ДНК от природных источников ультрафиолета немедленно восстанавливается естественной биохимической системой самого возбудителя. Эта система заряжается синим спектром естественного солнечного света. Это означает, что механизм УФ-восстановления не работает ночью, поэтому УФ-процедуры оптимальны в эти темные часы.
Хотя существуют различные типы ультрафиолетовых ламп, Гадури и его команда обнаружили, что газоразрядные лампы низкого давления с более короткой длиной волны света обеспечивают лучший баланс между мощностью и стоимостью. «Это не повседневные ультрафиолетовые лучи», - сказал он. «Это специфические бактерицидные (UVC) лампы, которые также применяются для пищевой безопасности, в системах очистки воды или в медицине, например, в больницах».
Начало испытаний решено было провести на клубнике
После успешных полевых испытаний тепличных культур, таких как клубника, базилик, розмарин, огурцы и помидоры, исследовательская группа была готова перейти к полевым исследованиям. Однако вместо того, чтобы переходить сразу на исследования на винограднике, команда подумала, что клубника - более безопасная стартовая ставка.
«Клубника - отличный выбор для работы», - говорит Гадури. «Это высокоценная популярная ягода, имеющая очень большую проблему, связанную с заболеванием мучнистой росой, которую нелегко контролировать с помощью фунгицидов из-за большого срока ожидания. Это послужило мотивацией выбора экспериментальной культуры. Клубника также очень устойчива к ультрафиолету. Чувствительность винограда к ультрафиолету находится где-то между клубникой и помидорами. С помощью экспериментов можно подобрать правильную дозу ультрафиолетового излучения для большинства людей, но первоначальные тесты являются, как правило, методом проб и ошибок».
Частью проблемы полевых испытаний было выяснение метода применения. В то время как лампы света могут быть легко установлены над растениями в теплице, использование в полевых условиях требует равномерного применения света над геометрически сложной целью, такой как клубника или куст винограда. Кроме того, в то время как мобильные светильники в теплицах движутся со скоростью около 50 см в минуту, полевое решение должно быть достаточно мощным, чтобы двигаться гораздо быстрее - до 3-3,5 км/ч (обычной скорости для тракторов).
Команда придумала арочный массив с серией источников света и изогнутыми отражателями, чтобы обеспечить равномерное освещение вокруг всего опытного участка. Массив можно растягивать с помощью сельскохозяйственной техники.
«Свет внутри подобен бильярдному столу, в котором шары не перестают подпрыгивать», - сказал Гадури. «Степень отражения обеспечивает доступ к внутреннему куполу, а также к верхней и нижней поверхностям листа, что позволяет нам использовать минимально возможную дозу».
Тем не менее, время также вызывает беспокойство, потому что применение УФ должно быть завершено не позднее, чем за четыре часа до восхода солнца, чтобы свет был губительным для фитопатогенов. В умеренных широтах продолжительность ночи около летнего солнцестояния может составлять менее восьми часов, в результате чего остается только четыре часа для применения УФ-процедур с оптимальным эффектом. В этих случаях лучшим решением могут быть роботы. «Роботы дают много преимуществ», - сказал Гадури. «Они не против работать всю ночь и семь ночей в неделю. Они также очень точные и работают на аккумуляторах, поэтому нет затрат на топливо. Роботы также могут включать датчики для мониторинга потребления воды, здоровья и роста растений в реальном времени».
Массив дал положительные результаты на клубнике в течение нескольких сезонов испытаний. Команда была готова пройти полный круг и возобновить УФ-тестирование уже на винограде.
Возвращение к винограду
Будучи в восторге от результатов тестирования метода на клубнике, команда начала совместные демонстрационные испытания на коммерческом винограднике в Нью-Йорке, в Университете штата Вашингтон (WSU), и в Центре USDA-ARS в Корваллисе, штат Орегон. Команда использовала УФ-матрицы на тракторной тяге для еженедельных обработок винограда сорта Шардоне.
«Шардоне – отличный выбор для старта исследований, потому что этот сорт выращивают все», - говорит Гадури. «Это один из наиболее широко используемых для виноделия сортов в мире. Белый виноград также позволяет нам легко увидеть эффекты фототоксичности или обесцвечивания. Если мы сможем контролировать оидиум на Шардоне, мы вполне уверены, что сможем контролировать ее на любом сорте винограда».
В 2019 году развитие оидиума было средне тяжелым, а развитие милдью - одним из худших сезонов за последнее время. Тем не менее, предварительные испытания показали эффективное подавление оидиума, милдью, а также клещей. Гадури говорит, что, хотя клещи многоклеточные, подвижные и, как правило, более устойчивы к ультрафиолетовому излучению, УФ-лампы снижают репродуктивную способность взрослых клещей и полностью убивают яйца.
Он также был рад подтвердить, что ультрафиолетовое лечение не повлияло на силу роста побегов и урожай винограда.
Гадури и его команда считают, что технология УФ-облучения может предоставить производителям эффективную альтернативу для некоторых сроков применения фунгицидов, замедляя развитие устойчивости патогенов к химпрепаратам, повышая эффективность оставшихся опрыскиваний и обеспечивая дополнительное подавление милдью, оидиума и некоторых клещей. Кроме того, ультрафиолетовое излучение может быть отличным вариантом для органических производителей.
Однако Гадури советует производителям действовать осторожно. В то время как производители изготавливают различные каретки для массивов, УФ-массив не является самостоятельным проектом. Кроме того, он сказал, что при работе с бактерицидными УФ-лампами обязательно для всех иметь защитную экипировку, особенно беречь глаза, и также необходимо проводить обучение тому, как безопасно работать с УФ – это так же важно, как и обучение для безопасного использования пестицидов.
«Это не те лампы, которые вы найдете в солярии или в доме», - сказал он. «Это не тот тип лампы, с которым вы можете работать, не имея для этого специальных технических знаний».
Ожидания в будущем
Исследовательская группа планирует продолжить испытания винограда, некоторые из которых будут включать УФ-автономных роботов в вегетационный период 2020 года. Они также продолжат отрабатывать дозировки и частоту применения.
«Кажется, что дозы различаются от патогена к патогену и от сельхозкультуры к сельхозкультуре», - говорит Гадури. «Вы не можете взять дозу для тепличного базилика и применить ее к винограду в полевых условиях. Если это станет стандартной практикой в сельском хозяйстве, нам придется пересмотреть существующую на настоящий момент систему использования фунгицидов и удобрений».
Гадури говорит, что имеет смысл начать с оидиума, потому что возбудители мучнистой росы поражают различные культуры по всему миру, но он с нетерпением ожидает продолжения анализа воздействия ультрафиолетовых ламп и на другие фитопатогены. «Это будет интересное продолжение проекта, потому что сначала мы думали, что УФ будет работать только на оидиуме, а не на чем-либо еще», - говорит он. «Хотя я не думаю, что это волшебная пилюля «от всего», но больше мы проводим испытаний, тем шире оказывается применимость их результатов».
Еще на эту тему: Контроль за развитием серой гнили с помощью гамма-лучей
