Прогнозування циркуляції та розвитку фітовірусних інфекцій з урахуванням біологічних властивостей патогену та використанням комп’ютерних баз даних

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

УДК 578.1

Прогнозування циркуляції та розвитку фітовірусних інфекцій з урахуванням біологічних властивостеЙ патогенів та використанням комп'ютерних баз даних

03.00.06 - вірусологія

Автореферат

на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Дем'яненко Федір Петрович

КИЇВ-2004



Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі вірусології біологічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка, м. Київ

Науковий керівник: доктор біологічних наук, професор, академік УААН Бойко Анатолій Леонідович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, кафедра вірусології

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, старший науковий співробітник Щербатенко Іван Степанович, Інститут мікробіології та вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України, завідувач відділу фітопатогенних вірусів

кандидат біологічних наук, доцент Мельничук Максим Дмитрович, Національний аграрний університет, декан факультету захисту рослин та біотехнології

Провідна установа: Національний Нікітський ботанічний сад УААН, м. Ялта

Захист дисертації відбудеться “10” лютого 2004 р. о __ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.14 Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою:

03127, Київ, проспект Глушкова, 2, корпус 12, конференцзал Поштова адреса: 01033, Київ-33, вул. Володимирська, 64.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка: 01033, Київ -33, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий „09” січня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.В. Молчанець



АНОТАЦІЇ

Дем'яненко Ф.П. Прогнозування циркуляції та розвитку фітовірусних інфекцій з урахуванням біологічних властивостей патогену та використанням комп'ютерних баз даних. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.06 - вірусологія. Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2004.

В роботі викладені результати виявлення закономірностей поширення РНК-геномних фітовірусів різних таксономічних груп (таких як Tobamovirus -ВТМ; Cucumovirus - ВОМ; Potyvirus -УВК, ВМБ; Potexvirus - ХВК; Luteovirus - ВСПБ, ВЖКЯ, Hordeivirus - ВШМЯ та ін.) на території України в різних екологічних умовах за допомогою комп'ютерного моделювання. Розроблено підходи до прогнозування розвитку вірусних захворювань в агроценозах. Вперше створено методику прогнозування динаміки розвитку фітовірусних інфекцій в агроценозах за допомогою оригінальних статистично-аналітичних методик, реалізованих у системі оброки даних, з урахуванням біологічних властивостей патогенів.

Показано залежність поширеності фітовірусів від факторів абіотичної (тип грунту, вміст важких металів, агротехнічні заходи та ін.) та біотичної (видовий склад рослин, комах) природи в досліджених сільськогосподарських рослинах, бур'янах та грунті в чотирьох регіонах України. фітовірус таксономічний екологічний

Показано, що спектр вірусів та динаміка вірусної інфекції прямо залежить від змін у часі видового складу рослин ценозу.

Вперше досліджено сумісну циркуляцію вірусів груп Tobamovirus -ВТМ; Cucumovirus - ВОМ; Potyvirus -УВК, ВМБ; Potexvirus - ХВК; Luteovirus - ВСПБ, ВЖКЯ, Hordeivirus -ВШМЯ, в агроценозах з використанням статистично-модельного підходу.

Ключові слова: антигени фітовірусів, циркуляція, імуноферментний аналіз, комп'ютерне моделювання, розповсюдженість, бази даних.



Демьяненко Ф.П. Прогнозирование циркуляции и развития фитовирусных инфекций с учетом биологических свойств патогена и использованием компьютерних баз данных. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.06 - вирусология. Киевский национальный университет имени Тараса Шевченка, Киев, 2004.

В работе изложены результаты исследования закономерностей распространенности РНК-геномных фитовирусов разных таксономических групп (таких как Tobamovirus -ВТМ; Cucumovirus - ВОМ; Potyvirus -УВК, ВМС; Potexvirus - ХВК; Luteovirus - ВСПС, ВЖКЯ, Hordeivirus -ВШМЯ и др.) на территории Украины в разных экологических условиях с помощью компьютерного моделирования. Разработаны подходы к прогнозированию развития вирусных заболеваний в агроценозах. Впервые создана методика прогнозирования динамики развития фитовирусных инфекций в агроценозах с помощью оригинальных статистически-аналитических методик, реализованных в системе обработки данных, с учетом биологических свойств патогенов.

Показано зависимость распространенности фитовирусов от факторов абиотической (тип грунта, содержание тяжелых металлов, агротехнические приемы и пр.) и биотической (видовой состав растений, насекомых) природы в исследованных сельскохозяйственных растениях, сорняках и грунте в четырех регионах Украины.

Показано, что спектр вирусов и динамика вірусной инфекции прямо звисят от изменений во времени видового состава растений ценоза.

Впервые исследована совместная циркуляция вирусов групп Tobamovirus -ВТМ; Cucumovirus - ВОМ; Potyvirus -УВК, ВМС; Potexvirus - ХВК; Luteovirus - ВСПС, ВЖКЯ, Hordeivirus -ВШМЯ, в агроценозах с использованием статистически-модельного подхода.

Ключевые слова: антигены фитовирусов, циркуляция, имуноферментный анализ, компьютерное моделирование, распространенность, базы данных.



Demyanenko F.P. Prognosing of phytoviral infection circulation and development using pathogen biological properties and computer databaseses. -Manuscript.

The thesis for obtaining PhD degree in speciality 03.00.06 - virology. Taras Shevchenko' Kyiv National University, Kyiv, 2004.

The work was dedicated to investigation of Ukraine regions for comparative estimation of phytoviral infections spreading depending on particular characteristics of the region. Special attention was given to agricultural crops of high economical importance, such as sugar beet, wheat, sunflower, potato and others. Agricultural crops, weeds and soil were monitored in each region. Plants and soil were sampled and detection of most harmful RNA-containing viruses was made using ELISA.

Database based analytical system on achieved data was created. It was demonstrated nonuniform distribution of phytoviruses and its dependence on biotic (cenosis species diversity, man's pressure, agrotechnics, etc.) and abiotic (heavy metals) factors in the inspected cenosis. After the results have been accumulated in the database, possible relations among cenosis components were calculated using custom statistical methods. The assumptions on virus circulation properties and their correlation with the environment conditions were made. It was shown the possibility of viral infection reduction under correct crop rotation and use of the methods for control of vectors and reservoirs.

Proceeding from data obtained in six regions (Volyn, Kiyv, Vinnitsa, The Crimea, Kharkiv and Odessa) calculations of coinfection probability for barley stripe mosaic hordeivirus (BSMV), Tobaco mosaic virus (TMV), Cucumber mosaic virus (CMV) and Wheat stripe mosaic tritimovirus (WSMV) were made. Achieved data can affirm simultaneous presence of BSMV - WSMV and CMV - TMV are highly probable in the investigated cenosis. Presence or absence of correlation in virus antigen occurrences in samples can be explained, to certain extent, by similarity of their transmission ways and host ranges. Relationships between other cenosis compounds can be analyzed in similar way. Thus, this approach allows tracing fine interactions even between polytypic objects.

Unweighted pair-group method using arithmetic averages (UPGMA) method was used to investigate cenosis fine structure dependencies. Using UPGMA it is possible to calculate the distance between any numbers of cenosis and, subsequently, use this distance as the correction coefficient when adapting a general model for exact cenosis.

Our investigations on long-term monitoring of natural and agricultural cenosis allows epiphytotion prediction in agricultural cenosis with high confidence. It was shown possibility of preventing epiphytotion development by appropriate crop rotation, in time chemical treatment and strict terms of planting, treatment and harvesting, etc. Such an approach can greatly lower cast and amount of man-made pressure on cenosis by reducing the usage of chemicals. We believe, that further investigations will help in understanding of interrelations between the cenosis components, virus circulation and preservation ways.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зростання чисельності, шкодочинності та різноманіття збудників інфекційних захворювань рослин вірусної етіології вимагає якісно нових підходів до аналізу їх біологічних і, зокрема, епідеміологічних властивостей. Епідеміологія вірусів рослин, як відносно молода галузь вірусологічної науки, покликана вирішувати питання взаємозв'язків вірусів з оточуючим середовищем (Бойко, 1990). Проблема передбачення поведінки складної екосистеми, де вірус є одним з її компонентів, має декілька аспектів. По-перше, необхідно накопичити детальний матеріал з фізіології та життєвого циклу складових системи (рослини, переносники, збудник захворювання, абіотичні фактори зовнішнього середовища) та з'ясувати характер їх взаємодії. На цьому етапі стає можливим побудова якісної моделі, яка окреслює життєвий цикл системи вірус-переносник-рослина. По-друге, необхідна побудова кількісних моделей, тобто таких, що дають відомості про еволюцію системи (швидкість поширення захворювання, характер циклічності захворювання, кінцевий стан екосистеми (асимптота), вплив факторів різної природи (біотичних та абіотичних) на характер перебігу епідемії та ін.). Побудова таких моделей стала можливою з появою відповідного математичного апарату та бурхливим розвитком обчислювальної техніки.

В останній час для дослідження динаміки епіфітотій широко почали застосовуватись математичні методи, які шляхом моделювання природних процесів мають на меті передбачити напрямок та швидкість їх розвитку. Проте, накопичення відомостей про біологію та екологію компонентів екосистем поки що не привело до суттєвих зрушень у напрямку створення дієвих моделей та систем прогнозування розвитку епідемій вірусів рослин. Це пов'язано з тим, що для отримання надійного результату прогнозування при побудові моделі потрібен детальний опис екосистеми, врахування великої кількості факторів різної природи, знання про взаємодію основних компонентів екосистеми, тощо. Такі моделі вимагають складного математичного апарату та потужних обчислювальних можливостей і не є універсальними.

Тому є актуальним створення альтернативного підходу, що грунтується на статистичному аналізі реальних даних поширеності фітовірусів, отриманих за допомогою імуноферментного аналізу (ІФА). Отримані завдяки моніторингу ценозів дані про поширеність захворювання можна розглядати як результат моделювання, а результати дослідження ценозу - вихідними параметрами моделі. Слід відмітити, що в отриманих результатах вже будуть міститися відомості про характер взаємодії всіх компонентів ценозу. Такий підхід дозволить не лише моделювати вже відомі процеси, але й досліджувати поведінку та взаємодії між окремими компонентами ценозу, такими як віруси та системи чутливих рослин, дозволить створити дієву систему прогнозування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з науковими темами кафедри вірусології біологічного факультету Київського національного університету: тема (реєстраційний номер №01БФ036-01) “Моніторинг збудників вірусних інфекцій з метою розробки наукових основ екологічно чистих технологій вирощування сільськогосподарських культур”.

Мета та задачі дослідження. Метою досліджень було вивчити поширеність РНК-геномних фітовірусів різних таксономічних груп (таких як Tobamovirus -ВТМ; Cucumovirus - ВОМ; Potyvirus -УВК, ВМБ; Potexvirus - ХВК; Luteovirus - ВСПБ, ВЖКЯ, Hordeivirus -ВШМЯ та ін.) на території України в різних екологічних умовах; виявити закономірності їх поширення за допомогою комп'ютерного моделювання, розробити підходи до прогнозування розвитку вірусних захворювань в агроценозах.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити такі задачі:

Використовуючи методи рендомізованого польового експерименту, візуальну діагностику, ІФА, електронну мікроскопію оцінити розповсюдженість фітовірусів в різних екологічних регіонах України .

За результатами моніторингу вірусних інфекцій в різних регіонах України створити комп'ютерну систему обробки результатів ІФА на базі Microsoft Access.

Дослідити вплив видового складу рослин агроценозу, сівозмін, полютантів на спектр вірусів та динаміку розвитку вірусної інфекції.

Створити гнучку систему обробки даних, придатну для побудови аналітичних моделей та прогнозів розвитку фітовірусних інфекцій.

Дослідити сумісну циркуляцію вірусів в ценозах.

Розробити підходи до прогнозування динаміки розвитку фітовірусних інфекцій в агроценозах.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше створено методику прогнозування динаміки розвитку фітовірусних інфекцій в агроценозах за допомогою оригінальних статистично-аналітичних методик, реалізованих у системі оброки даних, з урахуванням біологічних властивостей патогенів.

Показано залежність поширеності фітовірусів від факторів абіотичної (тип грунту, вміст важких металів, агротехнічні заходи та ін.) та біотичної (видовий склад рослин, комах) природи в досліджених сільськогосподарських рослинах, бур'янах та грунті в чотирьох регіонах України.

Показано, що спектр вірусів та динаміка вірусної інфекції прямо залежить від змін у часі видового складу рослин ценозу.

Вперше досліджено сумісну циркуляцію вірусів груп Tobamovirus -ВТМ; Cucumovirus - ВОМ; Potyvirus -УВК, ВМБ; Potexvirus - ХВК; Luteovirus - ВСПБ, ВЖКЯ, Hordeivirus -ВШМЯ, в агроценозах з використанням статистично-модельного підходу. Статистично доведена наявність явища сумісної циркуляції з ймовірністю 92% - ВОМ та ВТМ, 95% - ХВК та УВК, 81% - ВСПБ та ВЖКЯ.

Практичне значення одержаних результатів.

Вперше розроблена гнучка система аналізу даних, придатна для побудови аналітичних моделей та прогнозів розвитку фітовірусних інфекцій на території України.

Створено комп'ютерний банк даних на базі Microsoft Access, для обробки результатів ІФА та ідентифікації вірусного складу ценозів.

Показано статистично вагомі результати, що свідчать про наявність явища сумісної циркуляції для вірусів досліджених груп.

На основі даних про корелятивні відносини між компонентами ценозів, показано можливість суттєво спростити оцінку фітосанітарного стану ценозу.

Результати досліджень включені в матеріали для написання навчального посібника „Математичне моделювання вірусних епідемічних процесів рослин”, який рекомендовано для студентів біологічних спеціальностей вищих навчальних закладів, фахівців з захисту рослин та вірусологів.

Особистий внесок здобувача. Основні дослідження по темі дисертації виконані автором особисто. Відбір зразків рослин та грунту з різних регіонів України, постановка імуноферментного аналізу, аналіз отриманих результатів, побудова комп'терного банку даних були виконані автором сумісно з д.б.н. В.П. Поліщуком на базі кафедри вірусології Київського університету імені Тараса Шевченка.

Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи доповідались на 10 Міжнародному Конгресі по вірусології (Єрусалим, Ізраіль, серпень 1996); Міжнародному регіональному семінарі “Охорона довкілля”, Ужгород, (травень 1997); на Конференції “Збереження біорізноманітності в Україні” (Канів, жовтень, 1997); на 2 та 3 Міжнародній конференції “Біоресурси та віруси”, (Київ, вересень 1998 та вересень 2001); на 4 Міжнародному Симпозиумі “Забруднення навколишнього середовища в Центральній та Західній Європі” (Варшава, Польща, вересень 1998); на 3 Міжнародному симпозиумі по рослинництву (Гамбург, Німеччина, серпень 2000); на 7 Міжнародному симпозіумі з епідеміології вірусів рослин (Алмерія, Іспанія, квітень, 1999); на 5 конгресі Європейського товариства фітопатологів (Таорміна, Італія, вересень 2000); на 3 Міжнародній конференції з вірусних хвороб злакових в Європі (Йорк, Англія, травень, 2001); на VIII Міжнародному симпозиумі з епідеміології вірусів рослин (Асершлебен, Німеччина, травень 2002); на 6 конгресі Європейського товариства фітопатологів (Прага, Чехія, вересень 2002).

Публікації. За матеріалами дослідження опубліковано 21 роботу, з них 6 - статті у наукових журналах, 1 - навчальний посібник, 13 - матеріали конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, огляду літератури, матеріалів та методів, результатів та їх обговорення, підсумків, висновків, переліку використаних літературних джерел та додатків. Повний обсяг роботи складає 175 сторінок друкованого тексту, містить 39 рисунків, 17 таблиць та перелік використаних джерел (176, з них 131 - іноземні).

Огляд літератури складається з 3 підрозділів, в яких наведені сучасні відомості про віруси та вірусні хвороби сільськогосподарських рослин, висвітлені питання діагностики уражених вірусами рослин, наведено сучасні підходи до моніторингу та моделювання розвитку фітовірусних інфекцій у ценозах.

Для досліджень росповсюдження вірусів з полів сільськогосподарських культур (таких як злакові, цукровий буряк, картопля) та необроблюваних ділянок (заповідників, балок та ін.) відбирали зразки культурних рослин, супутніх бур”янів та грунту в трьох повторностях з трьох точок методом рендомізованого польового експерименту та вносили в стерильний пакет. Вiдбиралися лише комплекснi проби, кожна з яких складалася з рослинного зразка та грунту пiд ним. Відбір грунту проводився на різній глибині: 10, 20, 40 см. Для препаративного виділення та накопичення вірусів відбиралися зразки культурних рослин та рослин-індикаторів з візуальними симптомами вірусного ураження. Дослідження проводилися в чотирьох регіонах України, таких як: Волинська область, Шацький Національний парк; Київська область, Богуславський полігон, Харківська область, район Змієвської ДРЕС та Одеська область, район Комінтерново.

Частина отриманого матеріалу використовувалася для зараження рослин-індикаторів (Datura stramonium, Nicotiana tabacum, Chenopodium amaranticolor та ін.), а частина - для імуноферментного аналізу (ІФА) та електронної мікроскопії (ЕМ). Для передачі вірусів на рослини-індикатори застосовували кілька пасажів. Проби з рослин - індикаторів відбирали для імуносорбентної електронної мікроскопії (ІСЕМ) та електронної мікроскопії.

На стадії обробки польових зразків використовували непрямий метод постановки ІФА (das-ELISA). Електронномікроскопічні дослідження проводили на електронному мікроскопі марки JEM-1200 та ЕМ-125 за загальноприйнятою методикою.

Для аналізу отриманих в ІФА даних створено аналітичну систему, яка поєднує в собі можливості банку даних та експертної системи. Вона виконує функції накопичення даних з моніторингу, які були отримані при проведені щорічного скринінгу біоценозів України на наявність вірусних антигенів в рослинах та грунті. Створена система автоматично „стежить” за інтегративністю та консистентністю даних (дозволяє аналізувати дані зібрані за різними методиками проведення ІФА, як єдине ціле). В моніторинговій частині реалізовано гнучкі методи динамічного розрахунку результатів ІФА, що дозволяють формалізувати процес оцінки надійності його результатів. Дозволяється статистичний аналіз різних експериментів за різними алгоритмами без втрати їх інтегративності. Моніторингова частина системи здатна потім відпрацьовувати запити з динаміки кожного вірусу за будь-якого набору параметрів.

Аналітична частина створеної системи інкорпорує в собі функції статистичного аналізу динаміки вірусних популяцій. До неї входять алгоритми прогнозування фітовірусного стану певного ценозу на заданий термін часу та алгоритми оцінки сили зв'язку між компонентами ценозу. Таким чином, надається можливість кількісно розрахувати кореляційні відносини між будь-якою парою компонентів ценозу (рослина-вірус, вірус-вірус, вірус-грунт).

1. Детекція фітовірусів у різних регіонах України

Наша робота була присвячена обстеженню областей України для порівняльної оцінки розповсюдження фітовірусних інфекцій в залежності від конкретних характеристик регіону. За допомогою ІФА проводилася детекція найшкодочинніших РНК- вмісних вірусів, таких як: ВТМ, ХВК, УВК, ВСЛК, МВК, FВК, ВМБ, ВСПБ, ВЖБ, ВНПЖБ, ВШМЯ, ВCМП, ВЖКЯ, ВОМ, ВЖМФ, ВМЛ.

Особливу увагу при відборі зразків приділяли культурам високої економічної цінності, таким як цукрові буряки, соняшник, пшениця, картопля та ін. В кожному регіоні відбирали зразки культурних рослин та бур'янів методом середньої проби. При аналізі отриманих результатів основну увагу зосереджували на наявності кореляції між ураженням сільськогосподарських культур та присутністю того ж антигену у бур'янах або грунті.

При аналізі результатів, отриманих протягом трьох років по чотирьох регіонах, в кожному з яких відбиралися зразки сільсько госпо дар ських рослин, грунту та бур'янів з 15-20 агро- чи біоценозів, показано широке варіювання вмісту антигенів вірусів важливих сільськогосподарських культур, причому частота детекції різних антигенів у рослинах і в грунті суттєво відрізнялась. Аналізуючи дані (Шацький Національний парк) можна зробити висновок, що в рослинах та грунті детектувалися такі віруси як: ВМБ, ХВК, УВК, ВТМ, ВОМ, але в даному регіоні частота визначення антигенів фітовірусів невелика.

Результати детекції полігонів Харківської області показують високу частоту наявності антигенів таких фітовірусів як: ВЖКЯ, ВШМЯ, ВТМ, ВОМ, ВМБ, УВК, ХВК. Найбільша поширеність в даному регіоні антигенів ВЖКЯ та ВШМЯ може бути пояснена тим, що злакові культури переважають при сівозмінах. В основному тенденція детекції антигенних детермінант вірусів у рослинах та грунті простежується з року в рік. В динаміці в рослинах одних і тих самих точок відбору проб антигени деяких вірусів можуть детектуватися спорадично, як наприклад ХВК, ВТМ та ВОМ в Волинській області, ВТМ в Київській області та ХВК, УВК в Харківській області (Рис.1). Деякі віруси можуть знаходитися в грунті протягом двох сезонів поспіль як УВК, ВМБ, ВШМЯ - в агроценозах Волинської області; ВМБ, ВЖКЯ, ВШМЯ - в агроценозах Київської; УВК, ВМБ, ВШМЯ - в агроценозах Харківської області. Спостерігається взаємозв'язок між знаходженням антигенів у грунті та рослині: ХВК, УВК, ВМБ, ВШМЯ, ВТМ - у Волинській області; ХВК, УВК, ВМБ, ВСПБ, ВТМ, ВОМ, ВЖКЯ, ВШМЯ - у Київській області; ХВК, УВК, ВМБ, ВЖКЯ, ВШМЯ, ВТМ - у Харківській області.

Не було помічено відмінностей в біологічних властивостях у вірусів з різних екологічних регіонів. При електронномікроскопічному вивченні ізолятів вірусів, отриманих з сільськогосподарських рослин та грунту досліджених агроценозів різних екологічних регіонів України, за морфологією та розміром вірусні часточки практично не відрізнялися між собою.

Вивчення перебігу інфекційного процесу в умовах підвищеного радіацією мутаційного ризику може привести до виявлення генетично стійких до вірусних захворювань рослин, а також з'ясувати природу штамового різноманіття у вірусів рослин. В нашій роботі обстежувалися та тестувалися декілька локальних регіонів в Зоні ЧАЕС.

Аналізуючи деяких окремих представників Elytrigia repens (пирій повзучий), Taraxacum officinale (кульбаба лікарська), Plantago major (подорожник великий), Cirsium arvense (осот польовий), показано значні відміни між чорнобильськими та іншими зразками.

Розповсюдженність антигенів вірусів рослин в зоні ЧАЕС значно перевищує таку на території Шацького Національного парку найбільше для трьох вірусів, таких як ХВК, ВТМ, УВК. Тому необхіно проводити ретельний контроль за циркуляцією фітовірусів для запобігання виходу більш патогенних штамів в агроценози України.

На території згарища видова різноманітність рослин значно нижча в порівнянні з нормальним лісом. Однак, при аналізі на вірусоносійство бідніший видовий склад рослин виявився більше “навантажений” фітовірусними антигенами в порівнянні з контрольним регіоном, що може трактуватися і як вплив радіаційного навантаження на стійкість рослин до вірусів, і як “невдалий” (обмежений) щодо загальної вибірки видовий склад рослин. Звертає на себе увагу той факт, що частота зустрічаємості практично всіх вірусів в зоні ЧАЕС вища в порівнянні з необроблюваними ділянками інших регіонів, з досить значним рівнем антропогенного забруднення, а саме високим рівнем навантаження важкими металами.

З літературних даних відомо, що концентрації важких металів, таких як кадмій, нікель, свинець, мідь, цинк, у грунтах досліджених регіонів неоднакові. Так, за вмістом цих мікроелементів грунти Київської та Волинської областей майже не відрізнялися, в той час як грунти Харківської області характеризувалися їх значним вмістом хоча ємність поглинання в Харківській та Київській областях практично однакова. Підвищений рівень важких металів у районі Змієвської ДРЕС (Харківський регіон) пов'язаний з діяльністю потужної теплоелектростанції, в той час як агроценози Волині розташовані в зоні Національного парку, а в обстежених агро- та природних ценозах Київської області значних антропогенних навантажень не спостерігалось.

При аналізі результатів досліджень цих агроценозів на наявність вірусних антигенів виявлено, що найчастіше зустрічаються такі з них: ВТМ, ВМБ, ВЖКЯ, ВОМ та УВК. Як і у випадку з важкими металами, адсорбція вірусних часточок також залежить від властивостей грунту: його механічного складу, рН, гумусового горизонту тощо. Аналізуючи кількість вірусів, які детектувалися у грунтах Волинської області, у порівнянні з Київською та Харківською, можна зробити висновок про значно меншу концентрацію антигенів за рахунок механічного складу грунту, так і, можливо, через відсутність антропогенного навантаження. Причому ця тенденція простежується як у випадку агроценозів, так і у випадку необроблюваних ділянок ландшафту. Концентрація антигенів вірусів у грунтах Харківської області у порівнянні з Київською значно вища, хоча механічний склад грунту та ємність поглинання в обох областях практично однакові.

Вплив іонізуючої радіації та важких металів призводить до мутаційних змін як у фітовірусів, так і у їх рослин-хазяїв. Таким чином, при накопиченні мутацій у популяції фітовірусів можлива поява нових штамів, які можуть виявитися більш патогенними, ніж попередники. Росповсюдження високопатогенних штамів, що виникли, наприклад, в Чорнобильській зоні, за територією цієї зони може приводити до значних втрат врожаю. Вивчення процесів штамоутворення у фітовірусів під дією радіаційного випромінювання та контроль за циркуляцією вірусів рослин, дозволить знаходити ефективні механізми протидії фітовірусним інфекціям.

2. Аналіз розповсюдженості вірусів на території України

Отримані дані дозволяють проаналізувати закономірності розповсюдження та збереження вірусів в біоценозах. По всіх регіонах відбирали дані по тих зразках, що були в репрезентативній кількості. Аналізували спектр наявних вірусів. Результатом такого аналізу було встановлення рослин, що потенційно можуть виступати резервантом для кожного з вірусів. Для оцінки надійності такого аналізу співставили дані таблиці з літературними. Тобто, порівняли спектр рослин, що уражуються досліджуваними вірусами за літературними даними та спектр рослин в яких антигени цього вірусу було знайдено.

Для надійності результату вважали, що антиген зустрічався у рослині стабільно, якщо з усіх тестованих зразків за три роки, кількість позитивних результатів була в тричі більшою від кількості негативних (насправді це занадто суворий критерій, оскільки відсутність антигену у зразку може бути пов'язана не з його непермісивністю, а з відсутністю вірусу у ценозі взагалі).

За літературними даними ХВК та YВК зустрічаються як у грунті, так і на рослинах родини Solanaceae. З таблиці 3 видно, що в реальних умовах України (за нашими даними) антигени цих вірусів присутні в грунті, але відсутні в рослинах родини пасльонових. Використали створену нами базу даних, для з'ясування причин. Відібрали ті ценози, з яких отримали зразки грунту контаміновані антигенами ХВК та YВК та залишили лише такі, в яких були рослини родини пасльонових. Отримали, що наявність антигену вірусу ХВК у грунті 15 досліджених ділянок відповідає наявності його у 10 рослин родини пасльонових, що вирощують на ньому. Для вірусу УВК ситуація ще яскравіша - 14 досліджених зразків рослин містили антиген УВК, за умов наявності його в грунті. Однак, наявність антигену в грунті явище вторинне, тобто спочатку вірус пропагує в рослинах, а потім потрапляє в грунт. Тому у випадку ХВК можна припустити, що цей вірус довше деградує в грунті ніж УВК. Це відповідає літературним даним: строк зберігання in vitro для ХВК та УВК дорівнює 50 та 30 діб, відповідно. Таким чином, отримані дані добре узгоджуються з теоретично очікуваними.

3. Оцінка ймовірності сумісного інфікування

Накопичені дані дають змогу прослідкувати наявність закономірностей одночасної контамінації зразків вірусами декількох типів.

Для цього необхідно прослідкувати наявність зв'язку між присутністю у зразку антигенів одночасно двох вірусів. Використавши базу даних, відбирали дані про такі віруси та зразки.

Принцип відбору зразків - селективний (домінуючі культурні та дикоростучі рослини, грунт). Для кожного зразку залишили віруси, що його уражують за літературними даними (у випадку грунту - розповсюджуються або зберігаються у ньому; для щириці додали ВЖКЯ та ВСПБ, як контроль - оскільки вони її не уражують).

Обраховували наявність кореляції сумісного ураження, за даними з чотирьох регіонів (Волинський, Київський, Харківський та Одеський) за трирічний період. Наявність зв'язку між парою вірусів можна визначити кількома шляхами. Для отримання більш повної та надійної картини використовували два- розрахунок показника знакової кореляції та прямий обрахунок ймовірності випадкового ураження зразку парою вірусів одночасно.

Знання закономірностей сумісної інфекції може суттєво спростити процедуру визначення фітосанітарного стану певного ценозу. Так, достатньо визначити у зразку присутність антигену ВСМП, щоб з високою ймовірністю стверджувати про наявність в ньому антигену ВШМЯ, і навпаки.

Наявність або відсутність кореляції у одночасній присутності вірусних антигенів деякою мірою може бути пояснена подібністю кола хазяїв, шляхів передачі та зберігання. З таблиці 5 обрахунків розподілів ймовірностей за відібраними даними видно, наприклад, що в грунті наявність ВОМ корелює з наявністю ВТМ, ХВК з УВК; в лободі - ВЖБ та ВМБ.

Запропонована методика дозволяє аналізувати взаємовідносини між іншими складовими ценозу (наприклад, одночасна наявність певного антигену у супутніх та культурних рослинах). Використовуючи наведену методику, можна досліджувати тонкі взаємодії між різнотиповими об'єктами.

4. Ієрархічні відносини між компонентами ценозів

Моніторинг основних компонентів ценозу (с/г рослини, бур'яни, грунт) дозволяє створити його структурну модель, зв'язавши коло хазяїв вірусів, їх взаємовідносини (вірогідність коінфікування), шляхи передачі та природні резерванти, швидкість елімінації вірусу при відсутності хазяїна, тощо. Така модель дозволяє суттєво спростити діагностику певного вірусу в ценозі та прогнозування його динаміки. Розглянемо ценоз, про який нам відомо, що в ньому в перший дослідний рік був присутній вірус ВМБ. Спираючись на дані, отримані в інших ценозах ми можемо з вірогідністю ~95% стверджувати одночасну наявність в ньому вірусів ВЖБ та ВЖКЯ. Далі, знаючи з даних по динаміці цих вірусів у бур'янах, отриманих з інших ценозів, можна встановлювати мінімальні строки сівообігу (2 роки), що виключають можливість культивації буряку (та інших рослин, чутливих доцих вірусів) в цьому ценозі. Таким чином, для попередніх рекомендацій щодо прогнозу ураженості ценозу достатньо знати його видовий склад та декілька індикаторних симптомів відомих вірусів. Окрім того, будуючи модель для одного ценозу, часто необхідно знати, як широко вона може бути застосована, з якою якістю ця модель буде описувати інші ценози, що різняться, наприклад, типом грунту або видовим спектром бур'янів.

Для дослідження тонких взаємодій між компонентами ценозу використовували метод кластерного аналізу - незважене попарне середнє (unweighted pair-group method using arithmetic averages, UPGMA). Використовуючи UPGMA, можна розрахувати різницю (відстань) між будь-якою кількістю ценозів або їх компонентами і, таким чином, використовувати цю відстань як корегуючий коефіцієнт при адаптації загальної моделі до конкретного ценозу. Подібність біологічних властивостей вірусів (стратегія розповсюдження, коло хазяїв, спектр переносників, резерванти, LIV, та ін.) розраховували за індексом Джаккара. Віруси з подібними шляхами циркуляції, колом хазяїв та стратегією зберігання на дендрограмі є найближчими.

Дослідження з довготривалого моніторингу природніх та агроценозів дають можливість передбачати з високим ступенем ймовірності рівень захворюваності культурних рослин певними вірусами, виходячи з властивостей цього ценозу та розповсюдженості вірусів в попередні роки. Розуміючи передумови та правила розвитку епіфітотій, стає можливим попередження їх появи впровадженням відповідного сівообігу, своєчасного хімічного захисту рослин, їх висіву, обробки, збору та ін. Такий підхід, крім економічного ефекту, суттєво зменшить антропогенний вплив на ценози, знизивши об'єми використання хімікатів.

5. Прогнозування динаміки вірусної популяції

Накопичені дані протягом кількох років дозволяють встановити закономірності динаміки вірусних популяцій. В умовах промислового сільського господарства впровадження вірного сівообігу може не лише запобігти розвитку епіфітотій, але й суттєво знизити рівень захворюваності сільськогосподарських культур в цілому.

Для успішного прогнозування ризику розвитку епіфітотії для конкретного ценозу необхідно володіти принаймі такими даними:

видове рослинне розмаїття ценозу;

дані моніторингу про популяцію переносників цільових вірусів за декілька років

дані моніторингу вірусної популяції за декілька років;

дані щодо закономірностей резервації та розповсюдження вірусів у подібних ценозах.

При аналізі динаміки вірусної популяції у ценозах було отримано такі результати. Досліджували, як буде змінюватись ураженість бур'янів одного ценозу різними вірусами в залежності від сівообігу. Відбрали дані за два роках по бур'янах, що уражуються вірусами, які водночас уражували домінуючу культурну рослину. Оскільки таких даних було дуже багато, відібрали лише ті ценози в яких наступного року домінуюча культура не уражувалась вірусами першого року. Можна очікувати, що наступного року вірусна популяція має скоротитись через те, що суттєво зменшилась густина (кількість) його субстрату.

Зведено дані про профіль ценозу: домінуюча культура, спектр дикоростучих рослин, поширеність вірусного антигену в динаміці по роках. З наведеної таблиці можна зробити декілька висновків.

По-перше, уражуваність вірусом сільськогосподарських культур є пропорційною уражуваності супутніх рослин; по-друге, відсутність пермісивної рослини-хазяя протягом лише одного року значно знижує концентрацію вірусного антигену в ценозі. Оскільки ми використовуємо реальні дослідні дані, далі будемо спостерігати лише ті ценози, в яких і наступного року домінуючою культурою була непермісивна. Уражуваність вірусами бур'янів ценозу продовжує зменшуватись. На четверий рік у ценозах з домінуючою пермісивною культурою, як ми бачимо з таблиці 6(б), уражуваність вірусом культурних рослин після двох поспіль років культивування непермісивного хазяїна суттєво зменшилась.

По-друге, на жаль невтішним висновком є те, що з близько 70 досліджених ценозів, в яких проводили моніторинг близько 10 видів рослин та 15 вірусів, знайшлося лише два з типом сівообігу (1-й рік пермісивна культура, 2-3 роки непермісивна культура, 4 рік пермісивна культура), який позитивно впливає на санацію ценозу від вірусних захворювань.

Як відомо з літературних даних, однією з умов виникнення епіфітотії є певна критична концентрація вірусу в ценозі. Як свідчать наведені дані, вірний сівообіг може бути одним з чинників, що не дасть її досягти.

Таким чином, застосовуючи запропоновані підходи стає можливим вивчати закономірності циркуляції та резервації конкретних вірусів в ценозах, передбачати ризик розвитку певного захворювання та робити рекомендації стосовно зниження цього ризику.



ВИСНОВКИ

Вперше за даними фітовірусологічного моніторингу розроблено систему прогнозування ймовірності виникнення фітовірусних інфекцій в агроценозах з урахуванням біологічних властивостей патогенів.

З використанням статистично-модельного підходу, в агроценозах України вперше досліджено сумісну циркуляцію вірусів груп Tobamovirus -ВТМ; Cucumovirus - ВОМ; Potyvirus -УВК, ВМБ; Potexvirus - ХВК; Luteovirus - ВСПБ, ВЖКЯ, Hordeivirus - ВШМЯ. Статистично доведена наявність явища сумісної циркуляції з ймовірністю 92% - ВОМ та ВТМ, 95% - ХВК та УВК, 81% - ВСПБ та ВЖКЯ.

Показано залежність поширеності фітовірусів від факторів абіотичної (тип грунту, вміст важких металів, агротехнічні заходи та ін.) та біотичної (видовий склад рослин, комах) природи в досліджених сільськогосподарських рослинах, бур'янах та грунті в чотирьох регіонах України.

Показано, що спектр вірусів та динаміка розвитку вірусної інфекції прямо залежить від видового складу рослин ценозу та його змін в часі.

За результатами моніторингу вірусних інфекцій в різних регіонах України створено комп'ютерну систему обробки результатів ІФА на базі Microsoft Access.

Розроблена гнучка система аналізу даних, яка придатна для побудови аналітичних моделей та прогнозів розвитку фітовірусноих інфекцій в агроценозах, що дає змогу застосувати її в умовах господарницької діяльності.



ПЕРЕЛІК НАУКОВИХ ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Поліщук В.П., Дем'яненко Ф.П.. Розробка комп”ютерної бази даних для моніторингу фітовірусних інфекцій на Україні // ДАН України. - 1999. -№2. - С. 185-188.

2. Дем'яненко Ф.П., Карвацький А.Я., Будзанівська І.Г., Поліщук В.П. Оцінка інтразв”язків між фітовірусами у ценозах за статичною імовірністю. // Бюл. Ін-ту с/г мікробіології.- 2000 - №7 - С. 36-37.

3. Дем'ненко Ф.П., Будзанівська І.Г., Поліщук В.П. Оцінка ймовірності коінфікування вірусами рослин// Наукові записки НАУКМА. Біологія та екологія, 2001, т.19, С.32-36.

4. Поліщук В.П, Шевченко Т.П., Будзанівська І.Г., Дем”яненко Ф.П., Бойко А.Л. Вивчення впливу забруднення довкілля радіонуклідами на віруси рослин // Науковий вісник НАУ, №45, 2001. -с. 76-81

5. Demyanenko F.P., Bydzanivskaya I.G., Polischuk V.P. Estimation of Plant Virus Coinfection Probability // ДАН України, 2001, №11, стор. 98-104.

6. Budzanivska I., Demyanenko F. Iinhibition of solanaceae plants by combined effect of increased concentrations of heavy metals and viral infection // Plant Protection Sciense., 38 (2), 2002.- 452-454p.

7. Дем'яненко Ф.П., Будзанівська І.Г., Поліщук В.П. Математичне моделювання вірусних епідемічних процесів рослин.- К.:Фітосоціоцентр.-2002.- 94 с.

8. Demyanenko F.P., Polischuk V.P., Bydzanivskaya I.G. Creation a database to handle information on virus spread in Ukraine // Nat. Conf. Conservation and biodiversity in Ukraine. Kaniv, Ukraine 21-24 October 1997.- P.63-64

9. F.P. Demyanenko. Modelling virus epidemic development using long-term statistics // VIIth Int. Plant Virus Epidemiology Symposium, Aguadulce, Spain, April 11-16, 1999.

10. Polischuk V., Budzanivskaya I., Demyanenko F. Correlation between phytovirus infection in soils of Ukraine and ecological condition of agrocenosis//Fourh International Symposium and Exhibition on Environmental Contamination in Central and Eastern Europe.- Warsaw, Poland, September 15-17, 1998.- P. 156-157.

11. Polischuk V.P., Budzanivska I., Demyanenko F.P., Boyko A.L Virus Diseases of Graminea in Ukraine. // IIIth Int. Conf. Virus disase of Graminae in Europe, May 23-25, 2001, York, England, P 48.

12. Polischuk V.P., Budzanivska I.G., Demyanenko F.P. Biotic and abiotic (viral infection & heavy metals) stress influence on Solanacea genera growth and development.// 3 International Crop Science Congress 2000.- Hamburg, Germany.- August 17-22.- 2000.- P. 208.

13. Polischuk V.P., Budzanivska I.G., Demyanenko F.P. Soil contamination with heavy metals as an intensifying factor of plant viral infections // Fifth International Symposium and Exhibition on Environmental Contamination in Central and Eastern Europe.- Prague, Chech Republic.- September 12-14.- 2000.- p.194.

14. Polischuk V.P., Bydzanivskaya I.G., Demyanenko F.P. Some Resalts of Modellng of Plant Viruses Spreading in Ukraine // VIIIth Intern. Plant Virus Epoidemiology Symph. - Ashershleben, Germany. - Ashershleben, 12-17 May 2002. - P.142.

15. Polischuk V.P., Demyanenko F.P., Budzanivskaya I.G. Boyko A.L. Biotic and abiotic stress influence on Solanacea growth and development // 3th Int. Crop Science Congr. 2000 - Hamburg, Germany - Hamburg, 17-22 august 2000,- p.115.

16. Polischuk V.P., Demyanenko F.P., Budzanivska I.G. Risk assessment of plant epidemics using long term monitoring.// 5 Congres EFPP "Biodiversity in plant pathology".- Taormina, Italy.- September 19-22, 2000.- P. 86.

17. Polischuk V.P., Tyvonchuk T.P., Budzanivskaya I.G., Demyanenko V. P. et all. Beet mild yellowing luteovirus in Ukraine - Epidemiology and host range.// Abst XIth Int. Congress of Virology, Australia, 9-13 August, 1999.-Sydney, 1999.-P 185.

18. Polischuk, N.A. Senchugova, I.G. Budzanivskaya, F.P. Demyanenko. Diagnostics, control and prognosis of plant viral diseases in different ecological regions of Ukraine //Xth Int. Congr. of Virology, Jerusalem, Israel, 11-16 August.- 1996.- P. 241.

19. Polishcuk V., Demyanenko F., Budzanivskaya I., Smalius E., Tyvonchuk T. Identification of plant viruses in different agrocenosis of Ukrane and creation computer database // Prociding of International regional seminar “Environment protection: modern studies in ecology and microbiology”, Uzhgorod, Ukraine, 1997. -P. 204-208.

20. Будзанівська І.Г., Поліщук В.П., Головенько О.Л., Дем'яненко Ф.П., Бойко А.Л. Контамінація грунту важкими металами як фактор підвищення ризику вірусних інфекцій у рослин.// 3 Міжнародна конференція “Біоресурси та віруси”, Київ, Україна, 11-15 вересня.- 2001.- C. 66.

21. Дем'яненко Ф.П., Будзанівська І.Г., Поліщук В.П., Головенько О.Л. Використання математичних моделей для оцінки розповсюдженності фітовірусів в деяких регіонах України. // 2 Міжнародна конференція “Біоресурси та віруси”, Київ, Україна, 7-10 вересня.- 1998.- C. 79.

Размещено на Allbest.ru

...