За Проекта

Целта на настоящият проект е да се изучи взаимодействието между бактериални патогени, техните бактериофаги и чувствителните растения, с оглед усъвършенстване на знанията за борба с бактериалните инфекциите при икономически значими земеделски култури.

Бактериози при икономически важни селскостопански култури

Болестите по растенията са един от основните рискови фактори, намаляващи продуктивността на икономически важните селскостопански култури. По данни на ФАО, въпреки употребата на препарати за растителна защита, загубите от биотични стресови фактори, достигат ежегодно до 12 – 15% от общата продукция. Според други автори те се между 20 и 40 % (Teng and Krupa, 1980; Teng, 1987; Oerke et al., 1994; Oerke, 2006). Реализираните загуби водят след себе и дълготрайни индиректни последици, повлияващи различни обществени отрасли (Zadoks, 2008, Savary et al., 2012). Нарастващата нужда от хранителни ресурси в съчетание с намаляващата площ на обработваемите земи в световен мащаб изостря сериозността на проблема. Засегнати са всички селскостопански култури, без изключения.

Домати и пипер се отглеждат в целия свят и безспорно са една от най - популярните зеленчукови култури. Лидери в производството на домати са Китай, Индия и САЩ, а в Европа: Италия, Испания и Турция. Природо-климатичните условия в България са благоприятни за отглеждане на домати и пипер в оранжерии и при полски условия като ранно, средноранно и късно производство. По данни на МЗХ за 2014 са  произведени 120 000 тона домати, които са най–отглеждания плодов зеленчук у нас, и 50 000 тона пипер, който е на второ място. Доматите и пиперът имат висока адаптивна способност и продуктивност и са с отлични хранително- вкусови и технологични качества. За това и продукцията има многообразни приложения, както за прясна консумация, така и за преработка.

Тези земеделски култури са чувствителни към много болести причинени от гъби, бактерии, вируси и насекоми. Бактерийното струпясване (bacterial spot) по доматите и пипера е едно от най-важните в икономически аспект заболявания (European and Mediterranean Plant Protection Organization, 2013; Potnis, 2015). Разпространено е повсеместно като заболеваемостта нараства в световен мащаб (Burlakoti et al., 2018). Заболяването засяга всички надземни части на растенията и води до значителни загуби в зеленчукодобива, които при доматите могат да достигнат до 52% от масата им (Jones et al., 1986). В България причинители на бактерийните струпясвания са Pseudomonas syringae pv. tomato, Xanthomonas campestris pv. vesicatoria, Xanthomonas axonopodis pv. vesicatoria (Богацевска 2002), Xantnomonas vesicatoria, Xanthomonas gardneri (Kizheva et al., 2013, Кижева, 2014) и Xanthomonas euvesicatoria (Каров, 1965, Ванчева, 2015). Патогените се съхраняват и пренасят със семената на доматите и плевелите, развиват се безсимптомно по листата и ризосферата на гостоприемници и негостоприемници, и резидентно по обичайната плевелна асоциация в полетата с домати и пипер (Goode and Sasser, 1980, McCarter et. al., 1983, Sijam et. al., 1991, Бонева, 1991, Богацевска 2002). Първите симптоми на болестта (виж снимките по-долу) по растенията са свързани с поява на петна като воднисти зони, които след седмица некротизират и променят цвета си в тъмно-кафяв до черен, а растението изсъхва и се обезлистява (Stall, 1995). Без съмнение типичните последствия от болестта са наблюдавани от всички клиенти купуващи зеленчуци, без да осъзнават причината за тези дефекти в плодовете.

Бактерийните струпясвания имат цикличен характер и се проявяват в години с чести превалявания, високи температури и силни ветрове (Sahin & Miller, 1998, Богацевска, 2002, Obradovic et al., 2004). Въпреки интензивната работа на редица научно-изследователски колективи от различни части на света (САЩ, Израел, Франция, България) все още няма получени устойчиви на бактерийните струпясвания сортове домати и пипер.

През 2012 година списанието Molecular Plant Pathology групира причинителите на бактерийно струпясване по домати и пипер като ги нарежда сред 10-те растителни патогени с най- голямо икономическо и научно значение (Mansfield et al., 2012).

Историята на това заболяване по доматите и пипера в България е дълга и  започва през 1936 г. когато Ковачевски установява нова за страната болест по листата и плодовете на доматите, която се причинява от бактерията Phythomonas vesicatoria. Ковачевски и Христов (1949) наименоват заболяването „бактериен пригор”, а причинителят - X. vesicatoria. През 1965 Каров изолира X. vesicatoria и от пипер. Десетилетие по-късно Белева и Сотирова (1975) и Белева и др. (1976) изолират от домати X. vesicatoria и наричат заболяването „бактерийно струпясване”. В България са разпространени и трите фитопатогенни бактерии като основен причинител на болестта по доматите до 2007 г. е X. vesicatoria като се среща и вида X. gardneri (Kizheva et al., 2016). В последните години освен по доматите, бактерийното струпясване нанася сериозна вреда и по пипер като основният причинител е вида X. euvesicatoria (Bogatzevska et al. 2007, Ванчева, 2015).

 Методи за борба с бактериозите

Управлението на бактериалното струпясване е предизвикателство в масовото производство на домати и пипер в световен мащаб. Средствата и методите за борба се свеждат до използването на няколко основни метода: физичен, културно – стопански, химичен и биологичен. Културностопанският метод включва подбирането на видовете растения, които най-добре успяват при наличните почвени и климатични условия, както и сортове, които са устойчиви или по-слабо се нападат от икономически важните болести в района. Физичният метод включва изсушаване, наводняване, висока и ниска температура, магнетизъм, засенчаване, излагане на слънчева или ултравиолетова светлина.

В България, все още най – разпространен е химичният контрол с използването на химични вещества срещу бактериозите при растенията. Класическо средство са препаратите на база на медни съединения. Приложението на медни препарати постепенно става масово след 1880-те и е широко застъпено и до днес. Ограничващ фактор е появата на резистентност на патогените към медта (Thayer and Stall, 1961; Adaskaveg and Hine, 1985; Minsavage et al., 1990), както и наличието на остатъци в третираните плодове и зеленчуци. От 50-те години на 20 век за контрол на бактериалното струпясване се използват различни антибиотици като стрептомицин, пеницилин, гризеофулвин, патулин и др. Сред тях най-масов е стрептомицинът, което обаче е довело до появата на преобладаващи стрептомицин-резистентни щамове в бактериалните популации, което силно снижава ефективността на бактерицидния агент. Под действие на селекционния натиск се ускорява разпространението на плазмид-кодирана резистентност към стрептомицин. Понастоящем масовото прилагане на антибиотици е спряно поради възникването на резистентни щамове бактерии и възможността гените на резистентност да се предават и към бактерии, болестотворни при животните и човека. В световен мащаб, все повече се работи в посока натурални природни съединения за контрол на бактериозите. Правят се опити за използването на системно придобита рестистентност (SAR) за химично активиране на защитните механизми в растението-гостоприемник (Ryals et al., 1994). Един от най-често използваните екзогенни индуктори на SAR е салициловата киселина (Kessmann et al.,1994; Vallad and Goodman, 2004).

В научната литературата съществуват много данни за различни биологични средства и методи за управление на бактерийното струпясване. Част от тях са базирани на микроорганизми имащи антагонистично действие срещу причинителя на тази бактериоза. Видове Rahnella aquatilisса били използвани за защита на доматени растения от фитопатогенните представители X. vesicatoria (Hoda et al., 2005). Подобни сведения са съобщавани за антибактериалното действие на щамове Bacillus (Licheva et.al., 2013). Друг биологичен подход в контрола на бактерийното струпясване е използването на екстракти от растения с антимикробни свойства. Sukanya et.al. (2009) изпитват действието на няколко растения с потенциал за антимикробни агенти: Achyranthes aspera, Artemisia parviflora, Azadirachta indica, Calotropis gigantean, Lawsonia inermis, Mimosa pudica, Ixora coccinea, Parthenium hysterophorus и Chromolaena odorata. Тествани са както човешки патогени, така и растителни като X. vesicatoria и Ralstonia solanacearum. Метанолният екстракт от C. odorata показва по-голям инхибиторен ефект от другите растителни екстракти срещу  Xanthomonas vesicatoria. Друг подход е третирането на растенията с непатогенни мутанти на X. vesicatoria, което успешно редуцира заболяването (Wilson et. al., 1998).

Бактериофагите като средство за биоконтрол на бактериозите

Бактериофагите, или на кратко фаги, са вируси атакуващи бактериите. Познати са две типа стратегии. При литичната фагът се намножава вътре в клетката и след това разрушава гостоприемника. При лизогенната гените на фага се интегрират в генома на клетката и могат да се предават в наследството. От практическа гледна точка важни са литичните фаги. Терминът „бактериофагова терапия” обикновено е запазен за човешки и животински приложения. За растенията по-често се използва  „бактериофагов биоконтрол”. Концепцията за вируси по бактериите се утвърждава в продължение на поне тридесет години след откриването от d''Herelle през 1917 г. на "филтруем литичен агент при бактериите" (Summers WC. 2005). Въпреки това още в този период се провеждат опити по приложение на бактериофагите за подтискане на бактериалната инфекция на растения. При един от най-ранните опити от 1924 г. Mallman и Hemstrreet (1924) показват, че растежът на изолирания от рани по зелеви растения Xanthomonas campestris pv. campestris се подтиска, когато се приложи филтрат от разградена растителна маса. През 1925 г. Kotila и Coons демонстрират с биологични тестове, че могат да използват фаг за предотвратяване на меко гниене от Pectobacterium atrosepticum и Pectobacterium carotovorum ssp carotovorum на резени картофи и моркови, съответно (Coons and Kotila, 1925; Kotila and Coons, 1925). Всички тези ранни изследвания обаче остават без по-нататъшно развитие след откриването на антибиотиците, които за разлика от тесноспектърните бактериофаги, предлагат защита от много по-широк кръг бактерии.

Подновеният интерес към бактериофагите, най-вече в медицината, се дължи на появата на резистентни към антибиотици патогенни бактерии, както и от забавеното откриване на нови антибиотици. Някои заболявания при човека вече са успешно лекувани с бактериофагови препарати. Широко известен е наследникът на Института Eliava в Тбилиси, Грузия (http://www.phagetherapycenter.com), където се третират над 30 остри и хронични бактериални инфекции. Подобни центрове са създадени в Русия и Полша. В Европейския съюз и САЩ регистрационните режими са много по-консервативни, но вече са в продажба първите препарати с бактериофаги, засега основно за третиране на храни. Например холандската компанията PhageGuard предлага фаги против Listeria, Salmonella и E. coli 0157. Те се прилагат при млечни и месни храни, плодове и зеленчуци. Като предимства на фаговите препарати се посочват способността на бактериофагите да се намножават, но и да отмират в отсъствие на бактериалния гостоприемник, естествената им циркулация в природата, нетоксичността към еукариотните клетки, високата специфичност по отношение на прицелната бактерия и относителната лекота на приготвяне и съхранение на тези вирусни препарати.

Интензивно се проучват фаги, атакуващи фитопатогенни бактерии, някои от които намират приложение в практиката. Открити са фаги по бактериите от род Xanthomonas. Такива са бактериофагите против причинителите на бактериозите по памука (Xanthomonas malvacearum) и по костилковите (Xanthomonas pruni). 

В САЩ е разработен първият и единствен за момента търговски препарат за борба с бактериалното струпясване при доматите и пипера, съдържащ смес от активни литични бактериофаги. Препаратът се произвежда от фирма AgriFarm (сега OmniLytics) и официално се препоръчва за контрол на заболяването на производителите на домати и пипер в щата Флорида. В Европа, включително в България, подобни продукти не се предлага. До голяма степен изоставането се дължи на недостатъчните проучвания, както и от отсъствието на колекции от бактериофаги адаптирани спрямо местните щамове фитопатогенни бактерии.