Таксономические трансформации патогенов «Мокрой древесины»

УДК 632.3

ТАКСОНОМИЧЕСКИЕ ТРАНСФОРМАЦИИ ПАТОГЕНОВ

«МОКРОЙ ДРЕВЕСИНЫ»

TAXONOMICAL TRANSFORMATIONS OF PATHOGENS OF "WET WOOD"

Черпаков В.В.

Рассмотрены новые подходы к таксономии патогенов «мокрой древесины» и соответствие факторов вирулентности симптоматике бактериоза.

New approaches to taxonomy of pathogens of ""wet wood" and compliance of factors of virulence to a bacteriosis symptomatology are considered.

Ключевые слова: возбудитель, «мокрая древесина», «бактериальная водянка», древесные растения.

Key words: pathogenic agent, "wet wood", «bacterial dropsy», woody plants.

Наиболее вредоносный бактериоз в лесах России - бактериальная водянка (БВ) и её возбудитель (Erwinia multivora Scz.-Parf.) , впервые описаны в СССР А.Л. Щербин-Парфененко на основных видах хвойных и лиственных пород [9]. За рубежом J.C. Carter описал этот бактериоз и возбудителя (Erwinia nimipressuralis Carter) на ильмовых породах под названием «Wetwood» - «мокрая древесина» (МД) [12]. С тех пор возникла проблема утверждения истинного патогена БВ-МД. Бактериоз, получивший за рубежом также клише «Slime flux» (слизевый поток) и «Alcoholic flux» (алкогольный поток), впоследствии был описан разными авторами на десятках других древесных растений.

Бактерия E. nimipressuralis была включена в определитель Elliott C. Manual... [13], а также в издания Bergey's Manual ... [10, 11]. В последних, однако, не была представлена в линейке самостоятельных видов, но упоминалась в составе рода как «вид с сомнительными патогенными свойствами». Ситуация неопределенности, как вида, так и его патогенных свойств, относительно истинного патогена МД продолжается уже около 70 лет. Показательно, что никто из западных исследователей до сих пор не задался вопросом, - а каким образом возникает разжижение срединной пластинки и мацерация тканей древесины и луба, если у E. nimipressuralis отсутствует способность продуцировать пектолитические ферменты? Исследования и публикации по МД на 90% осуществляются в США. Идентификации возбудителя и проверке его патогенных свойств в публикациях по МД в течение многих десятилетий особого внимание никто не уделял и по умолчанию, каждый раз указывается E. nimipressuralis. Штаммы вида представлены в международных генбанках: коллекции - ATCC 9912; ICMP 1577; LMG 10245; NCPPB 2045. Несмотря на сомнительные вирулентность и систематическое положение, никто не пытался провести эти штаммы через Коховскую триаду и подтвердить вирулентность и симптоматику МД - мокрая древесина, трещины и потёки слизи, некрозы коры с мацерацией. Публикации на этот счёт нам неизвестны.

В СССР, при изучении БВ лиственных на Украине и хвойных пород в Средней Сибири авторами был выделен возбудитель идентифицированный

как E. nimipressuralis [1, 2, 4]. Физиолого-биохимические свойства E. nimipressuralis не в полной мере могут объяснить наличие многих специфических симптомов БВ. Если кислотообразование и газообразование, при сбраживании углеводов, может подтверждать наличие мокрой древесины с кислым запахом брожения и разрыв ксилемной ткани, вплоть до образования трещин стволов, то отсутствие у бактерии пектолитических ферментов свидетельствует о её неспособности разжижать срединную пластинку, а, следовательно, разрушать паренхимные ткани и вызывать мацерацию тканей заболони и луба, сопровождающуюся потёками слизи и жидкости - ключевыми симптомами БВ-МД. Это также подтверждали в своё время исследования J.C. Carter [12].

Продуцирование пектиназ и протопектиназ - принципиальный, видо- и родоспецифичный признак на базе которого в своё время был выделен специализированный род - Pectobacterium, представлюящий группу мацери-рующих фитопатогенных бактерий - P. carotovorum (Erwinia carotovora) и др. В 70-х гг. для мацерирующих видов в роде Erwinia был выделен специальный кластер - группа Carotovora [10]. Возможно поэтому в 80-х - 90-х гг. какое-то время род Pectobacterium не употреблялся в среде фитобактериологов, и ключевой вид E. carotovora входил в род Erwinia. Молекулярно-генетические методы, в т. ч. 16S рРНК, уже в конце 90-х показали генетическую однородность мацерирующих видов и, одновременно, таксономическую отличность этих видов от рода Erwinia. Таким образом, вновь подтвердилась обособленность рода Pectobacterium и значимость продуцирования пектолитических ферментов как видоспецифичного и родоспецифичного признака. В современной таксономии к мацерирующим патогенам относятся бактерии P. carotovorum, её подвиды, вариации вида и бактерии из рода Dickeya [8].

Возбудитель БВ - E. multivora вырабатывает пектолитические ферменты, кислоту, газ и по физиолого-биохимическим и культуральным свойствам ничем не отличается от E. carotovora (P. carotovorum). Существовало, однако, всегда главное отличие: E. multivora вызывает бактериальную водянку древесных растений; E. carotovora вызывает мягкую гниль овощных культур -моркови, картофеля, капусты и др. Фитобактериологи сельскохозяйственной направленности, работающие с E. carotovora, этот вид никогда не выделяли из древесных растений. Соответственно, ни у кого и не возникало желания когда-либо проводить опыты по инокуляции древесных растений. Способность Р. carotovorum вырабатывать пектиназы и целлюлазы (важнейшие факторы вирулентности), чем не обладает E. nimipressuralis , делает теоретически возможным для Р. carotovorum паразитировать на древесных, разрушать срединную пластинку и стенки клеток, тем самым - размочаливать паренхиму ксилемы и флоэмы, вызывать потёки слизи и воды из содержимого срединной пластинки и клеток. Способность Р. carotovorum вырабатывать кислоту и газ при ферментации углеводов, также делает возможным вызывать в патогенезе трещины стволов, мокрую древесину, обводнения тканей и слизетечения, а не только мягкие бактериальные гнили овощных культур, что как раз и характерно бактериальной водянке древесных растений. Именно такие симптомы

присущи E. multivora - патогену БВ древесных растений, вызывающему системный бактериоз, с поражением всех частей, органов и тканей древесных растений, включая древесину и луб ствола, ветвей, корневые системы, загнивания корней, корешков сеянцев, семян, желудей, орехов, шишек и других генеративных органов. E. multivora - типичная мацерирующая бактерия, которая и была впервые описана А.Л. Щербин-Парфененко на древесных растениях. В СССР фитобактериологи Т.М. Самусь и Н.А. Машара считали Е. carotovora возбудителем водянки древесных плодовых [5]. В 1979 г. нами была высказана мысль о том, что близость E. multivora к Е. carotovora дает основание считать возможным наличие мутанта последней на древесных и, согласно существующей тогда систематике Bergey [10], Е. multivora могла быть отнесена к группе «Carotovora», а E. multivora и E. nimipressuralis это разные виды [5]. При изучении БВ дуба на Украине А.Ф. Гойчук выделяет из древесины дуба поражённого БВ E. nimipressuralis, а из пораженных бактериальной гнилью желудей дуба - Е. carotovora [2]. Т.М. Рыбалко, изучая БВ хвойных Сибири, выделяет E. nimipressuralis, среди изучаемых штаммов которой выделяется и группа штаммов продуцирующих пектолитические ферменты, что свидетельствует как раз о наличии в среде патогенов БВ бактерий маце-рирующего типа [4].

В работах последнего десятилетия по изучению МД за рубежом, стала идентифицироваться вообще вся микрофлора, выделяемая из мокрой древесины и потёков слизи. Оказалось, что в сосудах ксилемы, паренхиме древесины и коры, в истекающей из ран и трещин слизи содержится большое количество видов бактерий принадлежащих более чем 1 5 родам, что породило версию о комплексной причине МД [6]. Ряд исследователей причиной МД огульно стали называть весь конгломерат микрофлоры выделяющейся из мокрой древесины и потёков слизи. При этом, ни у кого не возникало желания докопаться до истины и провести опыты по инокуляции по схеме Кохов-ской триады, т.е. подтвердить не только вирулентность штаммов, но и симптоматику БВ-МД. Большинство выделяемых бактерий представляют эпи-фитно- и эндофитно- сапрофитную микрофлору. Истинные возбудители могут встречаться в конгломерате, что подтверждается присутствием в нём представителей родов Erwinia, Enterobacter, Pectobacterium [7].

С появлением в фитобактериологии молекулярно-генетических методов, появились исследования по сравнению коллекционных штаммов из международных генбанков бактерий. За рубежом начался перманентный процесс ре-классификации видов. Это привело к тяжелым таксономическим перестройкам в бактериологии, были разрушены классические системы и представления устоявшихся в фитобактериологии классификаций родов и видов бактерий, базировавшихся на феноменологических подходах, представляющих биологию таксона как соответствие совокупности физиолого-биохимических, культурально-морфологических, серологических, вирулентных и других феноменологических характеристик и свойств, применяемых для идентификации вида, типичным симптомам соответствующих бактериозов. Многие виды лишились статуса самостоятельного вида и стали вариатипами базовых ви-

дов, возникло много новых родов. Но наиболее сложной стала трансформация, когда виды стали кочевать из одного рода в другой становясь синонимами одновременно в двух и, даже трёх родах [8]. Генетические методы разрушили сложившиеся устои и представления о феноменологическом виде. Оказалось, что генетический вид очень часто отличается от феноменологического. Развернувшаяся дискуссия о понятии вида в фитобактериологии лишь подтвердила, что никакой стройной концепции вида пока не существует, таксономия во многом зависит от уровня субъективизма исследователя, способного в разумной степени учесть генетические и феноменологические характеристики [8]. В процессе пересмотра массивов коллекционных штаммов проявился интерес и к штаммам E. nimipressuralis. Вид стал включаться в сравнительные исследования таксономических рядов коллекционных штаммов в целях упорядочения их систематической принадлежности на основании применения, получивших распространение методов ДНК-ДНК и ДНК-рРНК гибридизации, 16S рРНК, MLSA и др. Однако, желания перепроверить вирулентность штаммов E. nimipressuralis так и не возникло. Оказалось, что вид по своим молекулярно-генетическим характеристикам не имеет генетического родства с представителями рода Erwinia и коррелирует с представителями рода Enterobacter, в частности с базовым видом Е. cloacae. В связи с этим, E. nimipressuralis был исключен из рода Erwinia и стал какое-то время синонимом Еnt. cloacae, потеряв статус самостоятельного вида [8]. Вид Еnt. cloacae, вызывающий оппортунистические инфекции человека и животных, никогда ранее не выделялся из древесных растений и не относился к фитопатогенным бактериям, что, по сути, лишило известный бактериоз «Wetwood» (МД) ранее «законного» возбудителя.

Впоследствии вид, представленный американскими коллекционными штаммами, всё же получил самостоятельный статус - Ent. nimipressuralis [3, 8], но проблемы сомнительной вирулентности и непричастности к ключевым симптомам БВ-МД не исчезли. Учитывая, что в роде Enterobacter в ходе новых таксономических трансформаций появились также фитопатогенные виды бактерий древесных - Ent. pyrinus, Ent. mori, род теперь имеет отношение и к бактериозам растений, в частности древесных растений.

Параллельно произошла и трансформация взглядов в зарубежных публикациях по этиологии БВ-МД. Какое-то время возбудителем бактериоза стали указывать Еnt. doacae, хотя вид никогда не выделялся из растений, его пато-генность в отношении как травянистых, так и древесных растений никогда никем не проверялась, опыты по искусственной инокуляции не ставились.

Весьма показательными, полной дезинтеграции единого мнения в отношении истинного патогена МД, стали публикации в которых фигурирует один и тот же фотоснимок ствола тополя с типичной симптоматикой БВ-МД - трещиной и потёком слизи на стволе под которым в качестве возбудителя последовательно в разное время указывали Е. nimipressuralis, Еnt. doacae, и P. rnrotovorum - виды, далёкие друг от друга в феноменологическом отношении, как и в генетическом. Но, тогда какой вид есть истинный патоген БВ-МД? Последний вариант, собственно и есть то, что и требовалось доказать.

Именно P. carotovorum по своим физиолого-биохимическим свойствам образует газ и кислоту, ферменты пектиназу и целлюлазу, что позволяет соответствовать истинной симптоматике БВ-МД. Ранее мы показали, что связь P. carotovorum (Е. carotovora) с патогенезом БВ-МД уже подтверждалась. Более того, теперь в публикациях утверждается, что P. carotovorum вызывает не только некроз сосудов свеклы, черную ножку картофеля и других овощей (отсюда и название carotovora - "морковный-людоед"), но также «Slime flux»

- поток слизи, т. е. симптом БВ-МД, на многих различных породах деревьев [15, 16]. В другой публикации, по исследованию родства мацерирующих видов Dickeya и Pectobacterium [14], в числе растений-хозяев P. carotovorum указываются и древесные породы родов Pyrus, Morus, Persea, Dracaena, Pandanus, Mangifera. К сожалению, в работе не сообщается о причастности P. carotovorum к симптоматике БВ-МД. Не исключено, что в качестве источника получения штаммов P. carotovorum служили части и органы этих растений (возможно плоды) пораженные мягкими «каротоворными» гнилями.

Таким образом, в соответствии с новыми тенденциями в таксономии фи-топатогенных бактерий причастных к патологии БВ-МД можно предположить, что в качестве истинного патогена может выступать P. carotovorum, и её возможные специализированные вариатипы или патовары в качестве которых можно рассматривать Е. (Pectobacterium) multivora. (полагаем, возможного синонима P. carotovorum). Специальные работы по мацерирующим бактериозам древесных растений, как и работы по искусственным заражениям P. carotovorum древесных растений, за рубежом пока не известны. Древесная специализация P. carotovorum требует дальнейшего изучения. В настоящее время имеется несколько родов фитопатогенных бактерий, в которых виды одновременно поражают как травянистые, так и древесные растения и специализация в большей степени происходит относительно генетически родственных растений-хозяев в рамках обособленных таксонов - семейств и родов растений. Участие в патогенезе БВ-МД Ent. nimipressuralis возможно лишь в части образования потемнения и образования водослоя древесины, образования трещин, но не мацерирующих патологий семян, плодов, шишек, других генеративных органов, загнивания корней деревьев и корешков сеянцев, образования слизетечения и мягких гнилей (что как раз и свойственно Е. (P.) multivora). Оба вида вероятно могут совместно встречаться в одних и тех же тканях не вызывая антагонизма, в связи с чем возможны затруднения при изоляции и получении чистых культур.

Список использованных источников

1. Гвоздяк Р.И., Яковлева Л.М. Бактериальные болезни лесных древесных пород. -Киев: Наукова думка, 1979. - 244 с.

2. Гойчук А. Ф. Бактериальные болезни дуба черешчатого в лесостепи УССР. Авто-реф. дисс. канд. биол. наук: 06.01.11, УСХА. -Киев: 1984. - 25 с.

3. Определитель бактерий Берджи. в 2 т. Т. 1. -М.: Мир, 1997. - 432 с.

4. Рыбалко Т.Н., Гукасян А.Б. Бактериозы хвойных Сибири. - Новосибирск: Наука, 1986. - 80 с.

5. Черпаков В.В. Бактериальный ожог лиственных пород Северо-Западного Кавказа и обоснование мер борьбы с ним. Автореф. дисс. канд. биол. наук: 06.01.11. - Тбилиси, 1979.

- 25 с.

6. Черпаков В.В. Бактериальная водянка: поражаемость хвойных пород зарубежных стран. Сб. научных трудов // Актуальные проблемы лесного комплекса. Выпуск 35. - С. 86-91.

7. Черпаков В.В. Исследование патогенных свойств бактерий «мокрой древесины». Сб. научных трудов // Актуальные проблемы лесного комплекса. Выпуск 41. - С.158-163.

8. Черпаков В.В. Тенденции в таксономии фитопатогенных бактерий древесных растений. Мониторинг и биологические методы контроля вредителей и патогенов древесных растений: от теории к практике. Материалы Всероссийской конференции с международным участием, Москва 18 - 22 апреля 2016 г. Красноярск: ИЛ СО РАН, 2016. - С. 246 -247.

9. Щербин-Парфененко А.Л. Бактериальные заболевания лесных пород. М.: Гослес-бумиздат, 1963. - 148 с.

10. Bergey's Manual of determinative bacteriology. 8-th ed. Baltimore, 1974.1268 р.

11. Bergey's Manual of Systematic Bacteriology. vol. 1., Baltimore, London,1984. 964 р.

12. Carter J.C. (1945) Wetwood of elms. Bull Illinois Nat Hist Surv 23: 401-448.

13. Elliott C. Manual of Bacterial Plant Pathogens. - Watcham. Maas., USA, 1951.

14. Ma B., Hibbing M. E., Kim H.-S., et al.2007. Host range and molecular phylogenies of the soft rot enterobacterial genera Pectobacterium and Dickeya. Phytopathology 97:1150 - 1163.

15. Pectobacterium carotovorum.

https://en.wikipedia.org/wiki/Pectobacterium_ carotovorum.

16. Toth I. K.,Bell K.S.,Holeva, M. C., Birch, P. R. J. (1 January 2003). "Soft rot erwiniae: from genes to genomes". Molecular Plant Pathology. 4 (1): 17-30.