eng
Выпуск #8/2024
М. А. Келдыш, О. Н. Червякова, О. В. Шелепова, И. В. Митрофанова, И. В. Петруня, К. А. Судариков, А. А. Гулевич, Е. Н. Баранова
Сравнительный анализ оптических методов выявления и идентификации вирусной инфекции при мониторинге вегетативно размножаемых со
Сравнительный анализ оптических методов выявления и идентификации вирусной инфекции при мониторинге вегетативно размножаемых со
Просмотры: 1208
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.8.660.669
В статье обсуждаются вопросы оценки перспективности выявления скрытой вирусной
инфекции для мониторинга вирусных патогенов с использованием цифровой
обработки изображений, полученных при использовании оптической цифровой камеры
и гиперспектральных изображений. Приведены сведения о 13 видах вирусов на культуре
Syringa L. Представлены данные о видовом составе вирусов Syringa в экосистемах ГБС
и Московского региона и симптоматика их проявления. На основании вирусологической
экспертизы на сирени были диагностированы специализированные патогены Lilac ring mottle
ilarvirus (LRMV), Lilac leaf chlorosis ilarvirus (LLCV), а также впервые несвойственные
для сирени Carnation mottle carmovirus, Cucumber mosaic cucumovirus, Alfalfa mosaic
alfamovirus и Potato Y potyvirus. В результате системного мониторинга определена частота
встречаемости для 7 вирусов.
В статье обсуждаются вопросы оценки перспективности выявления скрытой вирусной
инфекции для мониторинга вирусных патогенов с использованием цифровой
обработки изображений, полученных при использовании оптической цифровой камеры
и гиперспектральных изображений. Приведены сведения о 13 видах вирусов на культуре
Syringa L. Представлены данные о видовом составе вирусов Syringa в экосистемах ГБС
и Московского региона и симптоматика их проявления. На основании вирусологической
экспертизы на сирени были диагностированы специализированные патогены Lilac ring mottle
ilarvirus (LRMV), Lilac leaf chlorosis ilarvirus (LLCV), а также впервые несвойственные
для сирени Carnation mottle carmovirus, Cucumber mosaic cucumovirus, Alfalfa mosaic
alfamovirus и Potato Y potyvirus. В результате системного мониторинга определена частота
встречаемости для 7 вирусов.
Теги: adaptivity monitoring ndvi phytoviruses pri rgb syringa l. адаптивность видовой состав мониторинг фитовирусы
Сравнительный анализ оптических методов выявления и идентификации вирусной инфекции при мониторинге вегетативно размножаемых сортов сирени
М. А. Келдыш 1, О. Н. Червякова 1, О. В. Шелепова 1, И. В. Митрофанова 1, И. В. Петруня 2, К. А. Судариков 2, А. А. Гулевич 2, Е. Н. Баранова 1, 2
Главный ботанический сад имени Н. В. Цицина РАН, Москва, Россия.
Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии, Москва, Россия.
В статье обсуждаются вопросы оценки перспективности выявления скрытой вирусной инфекции для мониторинга вирусных патогенов с использованием цифровой обработки изображений, полученных при использовании оптической цифровой камеры и гиперспектральных изображений. Приведены сведения о 13 видах вирусов на культуре Syringa L. Представлены данные о видовом составе вирусов Syringa в экосистемах ГБС и Московского региона и симптоматика их проявления. На основании вирусологической экспертизы на сирени были диагностированы специализированные патогены Lilac ring mottle ilarvirus (LRMV), Lilac leaf chlorosis ilarvirus (LLCV), а также впервые несвойственные для сирени Carnation mottle carmovirus, Cucumber mosaic cucumovirus, Alfalfa mosaic alfamovirus и Potato Y potyvirus. В результате системного мониторинга определена частота встречаемости для 7 вирусов.
Ключевые слова: Syringa L., RGB, NDVI, PRI, фитовирусы, мониторинг, видовой состав, адаптивность
Статья поступила: 13.10.2024
Статья принята:11.11.2024
Введение
Наибольшее распространение для озеленения городов завоевала высокодекоративная Сирень обыкновенная Syrínga vulgáris L., проявляющая обильное цветение в течение 3–4 недель в зависимости от сорта и климатических условий. Для сохранения ценных генотипов используют дендрологические коллекционные участки, коллекции in vitro и методику криосохранения.
В открытом грунте растения сирени сталкиваются с широким кругом патогенных организмов. Особенно трудно справиться с последствиями заражения фитоплазмами, вирусами и вироидами. Качественные методы индивидуальной диагностики с применением иммуноферментного анализа, методов ПЦР и даже секвенирования довольно дороги и не всегда дают адекватный ответ о том, каким именно вирусом заражено растение. Разнообразие же вирусов, повреждающих растения, довольно велико. Между тем, изучение патогенеза вирусов показывает, что они вызывают изменения в составе хлорофиллов, каротиноидов и антоцианов.
В настоящей работе мы предположили, что вирусная инфекция должна проявляться в изменении окраски, при инструментальном анализе фотоизображений и изображений, полученных гиперспектральной камерой. Мы демонстрируем различия в составе пигментов в листьях с четко идентифицированным вирусным повреждением и впервые сообщаем о том, что различия в зеленой части таких листьев могут представлять собой существенный потенциал для разработки методов оптического инструментального мониторинга.
Материалы и методы
Исследование проводилось на территории карантинного участка отдела защиты растений Главного Ботанического Сада РАН (ГБС РАН), г. Москва. Тестирование проводилось методом иммуноферментного анализа (ДАС-ИФА на основе стандартной методики) с использованием набора Kit Neogen Europe Ltd. Оптическую плотность продукта окисления определяли с помощью иммуноферментного анализатора АИЭР‑01 УНИПЛАН ТМ.
Для ОТ-ПЦР вируса хлороза листьев сирени (LLCV) использовали РНК, выделенную из листьев сирени с помощью набора магнитных частиц PhytoSorb (Синтол). Использовали праймеры к консервативным участкам транспортного белка вируса Ilarvirus (Lilac Leaf Chlorosis Virus – LLCV). IlaCPF: 5′-gcaatcgaacggagctagtg‑3′ IlaCPF: 5′-cacaaagctgacagaaggca‑3′. Продукты реакции разделяли электрофорезом в 1% агарозном геле.
HSI данные были получены с помощью гиперспектральной камеры Синерготрона М.Гк (модуль гиперспектральных исследований). Проведен анализ изображений в точках последующего отбора проб для спектрофотометрического анализа листьев, поврежденных вирусом LLCV. Для обработки снимков использовался индекс фотохимической отражательной способности (PRI) [1] и нормализованный вегетационный индекс (NDVI) [2]. Общая формула:
Индекс = (ρλ1 – ρλ2) / (ρλ1 + ρλ2)
PRI = (ρ531 – ρ570) / (ρ531 + ρ570)
NDVI = (ρ800 – ρ680) / (ρ800 + ρ680)
Где λ обозначает конкретные длины волн, ρ обозначает коэффициент отражения, а цифры 1 и 2 обозначают разные длины волн. Значения индексов варьируются от –1 до 1. Диапазон значений индекса PRI от –0,2 до 0,2, диапазон значений индекса NDVI от 0,5 до 0,95.
NDVI помогает лучше отделять фон и выявляет выраженные очаги инфекции. NDVI, в первую очередь, чувствителен к содержанию хлорофилла [3]. Индекс PRI дает возможность определять поражения листа на более ранних этапах, он чувствителен к изменениям в каротиноидных пигментах и полезен для оценки эффективности фотосинтеза и стресса у растений.
Снимки получены RGB камерой c матрицей Imx 415 Sony 8.0 Мп. Использовалась цветовая модель HSV (Hue, Saturation, Brightness), где все цвета видимого спектра можно описать значением цветового тона в пределах 0–360° для построения корреляции показателя цвета со значением хлорофилла [4].
Результаты
На сегодняшний день известно 13 типов вирусов, поражающих сирень, относящихся к 6 семействам [5]. В сирени были выявлены такие патогены, как вирус крапчатости вяза (EMoV), вирус мозаики арабиса (ArMV), вирус скручивания листьев вишни (CLRV), вирус кольцевой крапчатости сирени (LRMV), вирус черного кольца томата (ToBRV), вирус кустистого оглушения томата (ToBSV), вирус мозаики томата (ToMV), вирус табачной мозаики (TMV), вирус лигуструма A (LVA), вирус хлороза листьев сирени (LLCV). Для вируса крапчатости сирени (LMoV), вируса кольцевой пятнистости сирени (LRSV) и вируса хлоротической пятнистости листьев сирени (LCLV) данные ограничены [5, 6].
В результате систематического мониторинга в посадках сирени в ГБС и Московской области, широкое распространение получили возбудители вирусной этиологии, нехарактерные для культуры сирени [7]. В исследованных популяциях Syringa нами зафиксированы разнообразные симптомы, характерные для фенотипического проявления вирусных заболеваний: хлороз, кольцевая пятнистость, линейный рисунок, мозаика, осветление жилок, некроз, крапчатость и различные виды деформации. Симптомы появляются ранней весной и чрезвычайно разнообразны, изменяются в течение вегетационного периода. Наиболее распространенными и характерными признаками проявления вирусов на сирени являются различные виды мозаики, для которых характерно изменение окраски листьев (цветков). Например, это могут быть мелкие желтые пятна, которые постепенно сливаются.
Мозаика может ограничиваться отдельными участками или покрывать весь лист, напоминая мраморность. Белый рисунок часто сопровождается сильным хлорозом. Листья могут стать почти белыми с отдельными зелеными участками. Мозаика может проявляться и на молодых листьях в виде светлых, размытых пятен между жилками. Крапчатость на сирени встречается довольно часто, но симптомы обычно нечетко выражены. Они появляются весной, видны в течение двух-трех недель. Характерным проявлением некоторых вирусов является образование колец, полуколец и пятен, которые впоследствии могут некротизироваться. Обычно имеет место комплексное заражение, в результате которого внешние признаки модифицируются. Проявление одинаковых вирусов на разных сортах и видах сирени может различаться, тогда как вирусы разных видов могут вызывать схожие фенотипические признаки или их элементы. Например, кроме ArMV, CLRV, EMoV (рис. 1), нами диагностированы на сирени специализированные вирусы LRMoV и LLCV. А также, помимо уже известных, новые и необычные вирус крапчатости гвоздики (CarMoV), вирус мозаики огурца (CMV), вирус мозаики люцерны (AMV) и вирус картофеля «Y» (PVY). LLCV также был впервые зарегистрирован в Московской области России с использованием метода ПЦР. Вирус получил широкое распространение в молодых посадках города.
В коллекции сирени и в других экосистемах ГБС вирус не обнаружен.
Спектральные методы анализа были применены для оценки отобранных листьев. При этом участки, имеющие зеленую окраску (точка 1), участки, имевшие признаки хлороза (точка 2), и участки, имевшие менее выраженные или пограничные повреждения (точка 3), анализировали на предмет количественного содержания пигментов (хлорофиллов а, б и каротиноидов). В местах отбора проб проводили анализ цветовых характеристик показателей красного, зеленого и голубого спектра RGB, а также расчет H°, после чего был проведен корреляционный анализ всего объема данных и выборочно для данных, полученных в зонах без повреждений, зонах с хлорозом и промежуточных зонах (см. табл.).
Выявленная корреляция действительна при значениях более |0,7|. Полученные данные демонстрируют возможность анализа повреждения фотосинтеза у зараженных растений именно по неповрежденной части листьев, где была выявлена корреляция выраженности цветовых параметров RGB и хлорофилла а. Также была обнаружена корреляция содержания каротиноидов и цифровых значений голубого диапазона.
Для гиперспектрального анализа отобрали образцы с кустарников сирени, имевших характерные проявления хлороза в разной степени выраженности, и которые, вероятно, были заражены несколькими вирусами. В дальнейшей работе мы использовали образцы, у которых имелась подтвержденная инфекция Lilac Leaf Chlorosis Virus – LLCV (рис. 2). Таким образом, для дальнейшего анализа было отобрано 6 образцов.
Полученные данные свидетельствуют о возможности использования гиперспектральной камеры Синерготрона М.Гк для мониторинга и анализа вирусных патогенов. Следует проводить сравнительный анализ по 3–4 точкам, которые будут характеризовать развитие инфекции (рис. 3). Использование индекса PRI мы считаем более перспективным, так как зоны повреждения листа были неявными при использовании NDVI.
Результаты подтверждают, что применение гиперспектральных снимков может значительно облегчить работу фитопатологов и использоваться как для мониторинга состояния насаждений, так и для выбраковки посадочного материала в питомниках размножения, а также может предотвратить закладку зараженного материала в коллекционные банки для клонального микроразмножения in vitro.
Обсуждение
Род Syringa L. (семейство Масличные) включает множество внутривидовых и межвидовых сортов, количество которых достигает 2300. Сирень – один из самых распространенных кустарников для озеленения мира, включая как северные, так и южные регионы. Это декоративное растение также является источником многих природных фитохимических и фармакологических соединений [8]. Сирень является вегетативно-размножаемой культурой, поэтому необходима выбраковка зараженных образцов в дендрариях и создание устойчивых коллекций в культурах in vitro [9; 10].
Вирусные патогены демонстрируют системный характер инфекции и зараженное растение остается больным на протяжении всей своей жизни. Показано изменение видового состава вирусов, соотношения и структуры их популяций, распространение новых инфекций, нехарактерных для конкретной культуры [11].
При мониторинге вирусных патогенов в популяциях Syringa в ГБС выявлено, что наиболее заметной тенденцией является преобладание вирусов с широким спектром растений-хозяев (ToMV, CMV, ArMV) и специфичных для других сельскохозяйственных культур (AMV, CarMV, PVY, EMoV). На сирени также обнаружено восемь атипичных и два специализированных патогена [6]. Наибольшие показатели частоты встречаемости в пределах 55–70% образцов отмечены для CMV, далее следуют ArMV, TMV, EMoV, PVY, CarMV (45%, 43%, 37%, 28%, 13%). Наличие LRMoV обнаружено только в 7% образцов. Было выяснено, что в популяциях Syringa преимущественно распространены комплексные заболевания, вызванные несколькими вирусами. Моноинфекция обнаружена только у 40% протестированных образцов. Видовой постоянно трансформировался. При взаимодействии двух и более вирусов в одном хозяине подавляющая активность одного из вирусов способна оказывать комплементарное действие на вирусы, входящие в комплекс, и приводить к заражению растения всем их конгломератом [12].
Основной целью наших исследований было изучить спектр вирусных возбудителей Syringa L. Сравнивая полученные изображения с наложенными на них тепловыми картами вышеперечисленных индексов, мы можем сделать вывод, что NDVI помогает лучше отделять фон (неживые объекты, на окрашенном поле или на листе бумаги), но также помогает с определением ярко выраженных очагов заболевания растений. NDVI в первую очередь чувствителен к содержанию хлорофилла и широко используется для оценки биомассы, индекса поверхности листьев и общего растительного покрова [3]. В то же время индекс PRI дает возможность определить заболевание или поражение листа на ранних этапах, он чувствителен к изменениям в содержании каротиноидов, отзывчив на изменения фотосинтеза и стресса у растений.
Благодарность
Работа проводилась в рамках выполнения государственного задания ГБС РАН (№ 124030100058-4) и ВНИИСБ (№ 0431 2022-0003). Результаты работы получены с использованием Синерготрона М.Гк (АНО ИСР, Россия).
REFERENCES
Sukhova E, Sukhov V. Analysis of Light-Induced Changes in the Photochemical Reflectance Index (PRI) in Leaves of Pea, Wheat, and Pumpkin Using Pulses of Green-Yellow Measuring Light. Remote Sensing. 2019; 11(7):810. DOI: 10.3390/rs11070810.
Zhao Q., Qu Y. The Retrieval of Ground NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) Data Consistent with Remote-Sensing Observations. Remote Sensing. 2024; 16: 1212. DOI: 10.3390/rs1607121.
Xu Y., Shrestha V., Piasecki C., Wolfe B., Hamilton L., Millwood R. J., Mazarei M., Stewart C. N. Sustainability trait modeling of field-grown switchgrass (Panicum virgatum) using UAV-based imagery. Plants. 2021; 10(12): 2726. DOI: 10.3390/plants10122726.
Shelepova O. V., Baranova E. N., Sudarikov K. A., Olekhnovich L. S., Konovalova L. N., Latushkin V. V., Vernik P. A., Gulevich A. A. Evaluation of the Use of LED Lighting in Combination with the Use of γ-PGA SAP Peptide on the Growth and Development of Peppermint Plants in a Closed Biosystem. Photonics Russia. 2024; 18(6): 486–498. DOI: 10.22184/1993‑7296.
Шелепова О. В., Баранова Е. Н., Судариков К. А., Олехнович Л. С., Коновалова Л. Н., Латушкин В. В., Гулевич А. А., Верник П. А. Оценка использования светодиодного освещения в сочетании с применением γ-PGA SAP пептида на рост и развитие растений мяты перечной в условиях закрытой биосистемы. Фотоника. 2024; 18(6): 486–498. DOI: 10.22184/1993‑7296.
Hull R., Brown F., Fand Paule C. Directory and Dictonary of Animal, Bacterial and Plant Viruses. – Mac Millan Reference Books, London. 1989.119.
Jiseon O., Jisuk Y., Suyeon J., Kook-Hyung K. Identification of a new strain of ligustrum virus A causing leaf necrosis and chlorosis symptoms in Syringa oblata var. dilatata (Nakai) Rehder. Archives of Virology. 2022. 167(6): 1487–1490. DOI: 10.1007/s00705‑022‑05439‑1.
CHervyakova O. N., Keldysh M. A. Bolezni i vrediteli sireni. Cvetovodstvo. 2011; 5: 12–15.
Червякова О. Н., Келдыш М. А. Болезни и вредители сирени. Цветоводство. 2011; 5: 12–15.
Su G., Cao Y., Li C., Yu X., Gao X., Tu P., Chai X. Phytochemical and pharmacological progress on the genus Syringa L. Chemistry Central Journal. 2015; 9:1–12. DOI: 10.1186/s13065‑015‑0079‑2.
Koroleva O. V.; Molkanova O. I.; Vysotskaya O. N. Development of cryopreservation technique for meristems of Syringa vulgaris L. cultivars. International Journal of Plant Biology. 2023;14: 625–637. DOI: 10.3390/ijpb14030048.
М. А. Келдыш 1, О. Н. Червякова 1, О. В. Шелепова 1, И. В. Митрофанова 1, И. В. Петруня 2, К. А. Судариков 2, А. А. Гулевич 2, Е. Н. Баранова 1, 2
Главный ботанический сад имени Н. В. Цицина РАН, Москва, Россия.
Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии, Москва, Россия.
В статье обсуждаются вопросы оценки перспективности выявления скрытой вирусной инфекции для мониторинга вирусных патогенов с использованием цифровой обработки изображений, полученных при использовании оптической цифровой камеры и гиперспектральных изображений. Приведены сведения о 13 видах вирусов на культуре Syringa L. Представлены данные о видовом составе вирусов Syringa в экосистемах ГБС и Московского региона и симптоматика их проявления. На основании вирусологической экспертизы на сирени были диагностированы специализированные патогены Lilac ring mottle ilarvirus (LRMV), Lilac leaf chlorosis ilarvirus (LLCV), а также впервые несвойственные для сирени Carnation mottle carmovirus, Cucumber mosaic cucumovirus, Alfalfa mosaic alfamovirus и Potato Y potyvirus. В результате системного мониторинга определена частота встречаемости для 7 вирусов.
Ключевые слова: Syringa L., RGB, NDVI, PRI, фитовирусы, мониторинг, видовой состав, адаптивность
Статья поступила: 13.10.2024
Статья принята:11.11.2024
Введение
Наибольшее распространение для озеленения городов завоевала высокодекоративная Сирень обыкновенная Syrínga vulgáris L., проявляющая обильное цветение в течение 3–4 недель в зависимости от сорта и климатических условий. Для сохранения ценных генотипов используют дендрологические коллекционные участки, коллекции in vitro и методику криосохранения.
В открытом грунте растения сирени сталкиваются с широким кругом патогенных организмов. Особенно трудно справиться с последствиями заражения фитоплазмами, вирусами и вироидами. Качественные методы индивидуальной диагностики с применением иммуноферментного анализа, методов ПЦР и даже секвенирования довольно дороги и не всегда дают адекватный ответ о том, каким именно вирусом заражено растение. Разнообразие же вирусов, повреждающих растения, довольно велико. Между тем, изучение патогенеза вирусов показывает, что они вызывают изменения в составе хлорофиллов, каротиноидов и антоцианов.
В настоящей работе мы предположили, что вирусная инфекция должна проявляться в изменении окраски, при инструментальном анализе фотоизображений и изображений, полученных гиперспектральной камерой. Мы демонстрируем различия в составе пигментов в листьях с четко идентифицированным вирусным повреждением и впервые сообщаем о том, что различия в зеленой части таких листьев могут представлять собой существенный потенциал для разработки методов оптического инструментального мониторинга.
Материалы и методы
Исследование проводилось на территории карантинного участка отдела защиты растений Главного Ботанического Сада РАН (ГБС РАН), г. Москва. Тестирование проводилось методом иммуноферментного анализа (ДАС-ИФА на основе стандартной методики) с использованием набора Kit Neogen Europe Ltd. Оптическую плотность продукта окисления определяли с помощью иммуноферментного анализатора АИЭР‑01 УНИПЛАН ТМ.
Для ОТ-ПЦР вируса хлороза листьев сирени (LLCV) использовали РНК, выделенную из листьев сирени с помощью набора магнитных частиц PhytoSorb (Синтол). Использовали праймеры к консервативным участкам транспортного белка вируса Ilarvirus (Lilac Leaf Chlorosis Virus – LLCV). IlaCPF: 5′-gcaatcgaacggagctagtg‑3′ IlaCPF: 5′-cacaaagctgacagaaggca‑3′. Продукты реакции разделяли электрофорезом в 1% агарозном геле.
HSI данные были получены с помощью гиперспектральной камеры Синерготрона М.Гк (модуль гиперспектральных исследований). Проведен анализ изображений в точках последующего отбора проб для спектрофотометрического анализа листьев, поврежденных вирусом LLCV. Для обработки снимков использовался индекс фотохимической отражательной способности (PRI) [1] и нормализованный вегетационный индекс (NDVI) [2]. Общая формула:
Индекс = (ρλ1 – ρλ2) / (ρλ1 + ρλ2)
PRI = (ρ531 – ρ570) / (ρ531 + ρ570)
NDVI = (ρ800 – ρ680) / (ρ800 + ρ680)
Где λ обозначает конкретные длины волн, ρ обозначает коэффициент отражения, а цифры 1 и 2 обозначают разные длины волн. Значения индексов варьируются от –1 до 1. Диапазон значений индекса PRI от –0,2 до 0,2, диапазон значений индекса NDVI от 0,5 до 0,95.
NDVI помогает лучше отделять фон и выявляет выраженные очаги инфекции. NDVI, в первую очередь, чувствителен к содержанию хлорофилла [3]. Индекс PRI дает возможность определять поражения листа на более ранних этапах, он чувствителен к изменениям в каротиноидных пигментах и полезен для оценки эффективности фотосинтеза и стресса у растений.
Снимки получены RGB камерой c матрицей Imx 415 Sony 8.0 Мп. Использовалась цветовая модель HSV (Hue, Saturation, Brightness), где все цвета видимого спектра можно описать значением цветового тона в пределах 0–360° для построения корреляции показателя цвета со значением хлорофилла [4].
Результаты
На сегодняшний день известно 13 типов вирусов, поражающих сирень, относящихся к 6 семействам [5]. В сирени были выявлены такие патогены, как вирус крапчатости вяза (EMoV), вирус мозаики арабиса (ArMV), вирус скручивания листьев вишни (CLRV), вирус кольцевой крапчатости сирени (LRMV), вирус черного кольца томата (ToBRV), вирус кустистого оглушения томата (ToBSV), вирус мозаики томата (ToMV), вирус табачной мозаики (TMV), вирус лигуструма A (LVA), вирус хлороза листьев сирени (LLCV). Для вируса крапчатости сирени (LMoV), вируса кольцевой пятнистости сирени (LRSV) и вируса хлоротической пятнистости листьев сирени (LCLV) данные ограничены [5, 6].
В результате систематического мониторинга в посадках сирени в ГБС и Московской области, широкое распространение получили возбудители вирусной этиологии, нехарактерные для культуры сирени [7]. В исследованных популяциях Syringa нами зафиксированы разнообразные симптомы, характерные для фенотипического проявления вирусных заболеваний: хлороз, кольцевая пятнистость, линейный рисунок, мозаика, осветление жилок, некроз, крапчатость и различные виды деформации. Симптомы появляются ранней весной и чрезвычайно разнообразны, изменяются в течение вегетационного периода. Наиболее распространенными и характерными признаками проявления вирусов на сирени являются различные виды мозаики, для которых характерно изменение окраски листьев (цветков). Например, это могут быть мелкие желтые пятна, которые постепенно сливаются.
Мозаика может ограничиваться отдельными участками или покрывать весь лист, напоминая мраморность. Белый рисунок часто сопровождается сильным хлорозом. Листья могут стать почти белыми с отдельными зелеными участками. Мозаика может проявляться и на молодых листьях в виде светлых, размытых пятен между жилками. Крапчатость на сирени встречается довольно часто, но симптомы обычно нечетко выражены. Они появляются весной, видны в течение двух-трех недель. Характерным проявлением некоторых вирусов является образование колец, полуколец и пятен, которые впоследствии могут некротизироваться. Обычно имеет место комплексное заражение, в результате которого внешние признаки модифицируются. Проявление одинаковых вирусов на разных сортах и видах сирени может различаться, тогда как вирусы разных видов могут вызывать схожие фенотипические признаки или их элементы. Например, кроме ArMV, CLRV, EMoV (рис. 1), нами диагностированы на сирени специализированные вирусы LRMoV и LLCV. А также, помимо уже известных, новые и необычные вирус крапчатости гвоздики (CarMoV), вирус мозаики огурца (CMV), вирус мозаики люцерны (AMV) и вирус картофеля «Y» (PVY). LLCV также был впервые зарегистрирован в Московской области России с использованием метода ПЦР. Вирус получил широкое распространение в молодых посадках города.
В коллекции сирени и в других экосистемах ГБС вирус не обнаружен.
Спектральные методы анализа были применены для оценки отобранных листьев. При этом участки, имеющие зеленую окраску (точка 1), участки, имевшие признаки хлороза (точка 2), и участки, имевшие менее выраженные или пограничные повреждения (точка 3), анализировали на предмет количественного содержания пигментов (хлорофиллов а, б и каротиноидов). В местах отбора проб проводили анализ цветовых характеристик показателей красного, зеленого и голубого спектра RGB, а также расчет H°, после чего был проведен корреляционный анализ всего объема данных и выборочно для данных, полученных в зонах без повреждений, зонах с хлорозом и промежуточных зонах (см. табл.).
Выявленная корреляция действительна при значениях более |0,7|. Полученные данные демонстрируют возможность анализа повреждения фотосинтеза у зараженных растений именно по неповрежденной части листьев, где была выявлена корреляция выраженности цветовых параметров RGB и хлорофилла а. Также была обнаружена корреляция содержания каротиноидов и цифровых значений голубого диапазона.
Для гиперспектрального анализа отобрали образцы с кустарников сирени, имевших характерные проявления хлороза в разной степени выраженности, и которые, вероятно, были заражены несколькими вирусами. В дальнейшей работе мы использовали образцы, у которых имелась подтвержденная инфекция Lilac Leaf Chlorosis Virus – LLCV (рис. 2). Таким образом, для дальнейшего анализа было отобрано 6 образцов.
Полученные данные свидетельствуют о возможности использования гиперспектральной камеры Синерготрона М.Гк для мониторинга и анализа вирусных патогенов. Следует проводить сравнительный анализ по 3–4 точкам, которые будут характеризовать развитие инфекции (рис. 3). Использование индекса PRI мы считаем более перспективным, так как зоны повреждения листа были неявными при использовании NDVI.
Результаты подтверждают, что применение гиперспектральных снимков может значительно облегчить работу фитопатологов и использоваться как для мониторинга состояния насаждений, так и для выбраковки посадочного материала в питомниках размножения, а также может предотвратить закладку зараженного материала в коллекционные банки для клонального микроразмножения in vitro.
Обсуждение
Род Syringa L. (семейство Масличные) включает множество внутривидовых и межвидовых сортов, количество которых достигает 2300. Сирень – один из самых распространенных кустарников для озеленения мира, включая как северные, так и южные регионы. Это декоративное растение также является источником многих природных фитохимических и фармакологических соединений [8]. Сирень является вегетативно-размножаемой культурой, поэтому необходима выбраковка зараженных образцов в дендрариях и создание устойчивых коллекций в культурах in vitro [9; 10].
Вирусные патогены демонстрируют системный характер инфекции и зараженное растение остается больным на протяжении всей своей жизни. Показано изменение видового состава вирусов, соотношения и структуры их популяций, распространение новых инфекций, нехарактерных для конкретной культуры [11].
При мониторинге вирусных патогенов в популяциях Syringa в ГБС выявлено, что наиболее заметной тенденцией является преобладание вирусов с широким спектром растений-хозяев (ToMV, CMV, ArMV) и специфичных для других сельскохозяйственных культур (AMV, CarMV, PVY, EMoV). На сирени также обнаружено восемь атипичных и два специализированных патогена [6]. Наибольшие показатели частоты встречаемости в пределах 55–70% образцов отмечены для CMV, далее следуют ArMV, TMV, EMoV, PVY, CarMV (45%, 43%, 37%, 28%, 13%). Наличие LRMoV обнаружено только в 7% образцов. Было выяснено, что в популяциях Syringa преимущественно распространены комплексные заболевания, вызванные несколькими вирусами. Моноинфекция обнаружена только у 40% протестированных образцов. Видовой постоянно трансформировался. При взаимодействии двух и более вирусов в одном хозяине подавляющая активность одного из вирусов способна оказывать комплементарное действие на вирусы, входящие в комплекс, и приводить к заражению растения всем их конгломератом [12].
Основной целью наших исследований было изучить спектр вирусных возбудителей Syringa L. Сравнивая полученные изображения с наложенными на них тепловыми картами вышеперечисленных индексов, мы можем сделать вывод, что NDVI помогает лучше отделять фон (неживые объекты, на окрашенном поле или на листе бумаги), но также помогает с определением ярко выраженных очагов заболевания растений. NDVI в первую очередь чувствителен к содержанию хлорофилла и широко используется для оценки биомассы, индекса поверхности листьев и общего растительного покрова [3]. В то же время индекс PRI дает возможность определить заболевание или поражение листа на ранних этапах, он чувствителен к изменениям в содержании каротиноидов, отзывчив на изменения фотосинтеза и стресса у растений.
Благодарность
Работа проводилась в рамках выполнения государственного задания ГБС РАН (№ 124030100058-4) и ВНИИСБ (№ 0431 2022-0003). Результаты работы получены с использованием Синерготрона М.Гк (АНО ИСР, Россия).
REFERENCES
Sukhova E, Sukhov V. Analysis of Light-Induced Changes in the Photochemical Reflectance Index (PRI) in Leaves of Pea, Wheat, and Pumpkin Using Pulses of Green-Yellow Measuring Light. Remote Sensing. 2019; 11(7):810. DOI: 10.3390/rs11070810.
Zhao Q., Qu Y. The Retrieval of Ground NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) Data Consistent with Remote-Sensing Observations. Remote Sensing. 2024; 16: 1212. DOI: 10.3390/rs1607121.
Xu Y., Shrestha V., Piasecki C., Wolfe B., Hamilton L., Millwood R. J., Mazarei M., Stewart C. N. Sustainability trait modeling of field-grown switchgrass (Panicum virgatum) using UAV-based imagery. Plants. 2021; 10(12): 2726. DOI: 10.3390/plants10122726.
Shelepova O. V., Baranova E. N., Sudarikov K. A., Olekhnovich L. S., Konovalova L. N., Latushkin V. V., Vernik P. A., Gulevich A. A. Evaluation of the Use of LED Lighting in Combination with the Use of γ-PGA SAP Peptide on the Growth and Development of Peppermint Plants in a Closed Biosystem. Photonics Russia. 2024; 18(6): 486–498. DOI: 10.22184/1993‑7296.
Шелепова О. В., Баранова Е. Н., Судариков К. А., Олехнович Л. С., Коновалова Л. Н., Латушкин В. В., Гулевич А. А., Верник П. А. Оценка использования светодиодного освещения в сочетании с применением γ-PGA SAP пептида на рост и развитие растений мяты перечной в условиях закрытой биосистемы. Фотоника. 2024; 18(6): 486–498. DOI: 10.22184/1993‑7296.
Hull R., Brown F., Fand Paule C. Directory and Dictonary of Animal, Bacterial and Plant Viruses. – Mac Millan Reference Books, London. 1989.119.
Jiseon O., Jisuk Y., Suyeon J., Kook-Hyung K. Identification of a new strain of ligustrum virus A causing leaf necrosis and chlorosis symptoms in Syringa oblata var. dilatata (Nakai) Rehder. Archives of Virology. 2022. 167(6): 1487–1490. DOI: 10.1007/s00705‑022‑05439‑1.
CHervyakova O. N., Keldysh M. A. Bolezni i vrediteli sireni. Cvetovodstvo. 2011; 5: 12–15.
Червякова О. Н., Келдыш М. А. Болезни и вредители сирени. Цветоводство. 2011; 5: 12–15.
Su G., Cao Y., Li C., Yu X., Gao X., Tu P., Chai X. Phytochemical and pharmacological progress on the genus Syringa L. Chemistry Central Journal. 2015; 9:1–12. DOI: 10.1186/s13065‑015‑0079‑2.
Koroleva O. V.; Molkanova O. I.; Vysotskaya O. N. Development of cryopreservation technique for meristems of Syringa vulgaris L. cultivars. International Journal of Plant Biology. 2023;14: 625–637. DOI: 10.3390/ijpb14030048.
Отзывы читателей
