Φυτοπαθολογία: και τα φυτά μπορούν να αρρωστήσουν! Understand article
Ίσως έχετε ακούσει αναφορές για εργαστήρια παθολογίας σε αστυνομικές σειρές, αλλά τι είναι η φυτοπαθολογία; Μάθετε για τις διαμάχες μεταξύ φυτών και παθογόνων μικροοργανισμών που διαρκούν εδώ και εκατομμύρια χρόνια.
Τα φυτά είναι απαραίτητα για τη ζωή στη Γη. Αποθηκεύουν ενέργεια από τον ήλιο, δεσμεύουν ατμοσφαιρικό άνθρακα και απορροφούν μεταλλικά ιόντα από το έδαφος. Τα φυτά διαθέτουν συναρπαστικούς μηχανισμούς για να δημιουργούν σχεδόν όλα όσα χρειαζόμαστε, όπως οξυγόνο, φάρμακα, βιοκαύσιμα, ρούχα και τρόφιμα.
Το 2021, η απόδοση των σημαντικότερων καλλιεργειών (καλαμπόκι, σιτάρι και ρύζι) ήταν 2,5 δισεκατομμύρια.[1] Περισσότεροι από πέντε δισεκατομμύρια άνθρωποι στον πλανήτη, μαζί με τα ζώα εκτροφής, βασίζονται σε αυτές ως βασικά τρόφιμα. Αυτές οι καλλιέργειες είναι συχνά προϊόν μονοκαλλιέργειας, κατά την οποία καλλιεργείται μόνο μία σοδειά ανά χωράφι· μια πρακτική που ενέχει κινδύνους όπως αυξημένη ευαισθησία σε ασθένειες.
Τα φυτά μπορούν να αρρωστήσουν
Αν έχει τύχει να φροντίσετε έναν κήπο ή απλά να περπατήσετε στο δάσος, θα έχετε παρατηρήσει ότι ενώ τα περισσότερα φυτά φαίνονται πράσινα και υγιή, κάποια μπορεί να φαίνονται άρρωστα. Εκτός από τις περιβαλλοντικές επιδράσεις, τα φυτά μπορούν να μολυνθούν από κάθε είδους παθογόνα όπως ιοί, βακτήρια και μύκητες. Αυτά τα παθογόνα μπορούν να μολύνουν όλα τα μέρη των φυτών: φύλλα, βλαστούς, μίσχους, άνθη, καρπούς, ρίζες ή κονδύλους.
Οι ασθένειες των φυτών έχουν πολύ σοβαρές συνέπειες στη βιοποικιλότητα καθώς και τις παραγωγικές καλλιέργειες. Για παράδειγμα, η σήψη της καστανιάς, που προκαλείται από τον μύκητα Cryphonectria parasitica, εξαφάνισε τις περισσότερες από τις αμερικανικές καστανιές, με 3,5 δισεκατομμύρια δέντρα να έχουν χαθεί μέχρι τα τέλη των 1900.[2] Το 2019, τα φυτοπαθογόνα προκάλεσαν το 40% των παγκόσμιων απωλειών σε καλλιέργειες καλαμποκιού, πατάτας, ρυζιού, σόγιας και σιταριού, αξίας 181 δισεκατομμυρίων λιρών παγκοσμίως.[3] Αυτός ο τεράστιος οικονομικός αντίκτυπος μεταφράζεται σε απώλεια αφενός διατροφικών πόρων και αφετέρου πολύτιμων φυσικών πόρων που σπαταλώνται στην καλλιέργεια αυτών των φυτών, όπως το γλυκό νερό, η ενέργεια και η εύφορη γη.
Ένα παράδειγμα των κινδύνων της μονοκαλλιέργειας είναι η ασθένεια του Παναμά. Η μπανάνα Gros Michel ήταν η κύρια ποικιλία που καλλιεργούνταν μέχρι τη δεκαετία των 1950, όταν ένα μόνο μυκητιακό παθογόνο (Fusarium oxysporum) εξαφάνισε ολόκληρη την παραγωγή και ανάγκασε τους παραγωγούς να στραφούν στην καλλιέργεια μιας ανθεκτικής ποικιλίας του φυτού. Επί του παρόντος, ένα νέο ξέσπασμα της ασθένειας του Παναμά απειλεί τη νέα κύρια ποικιλία μπανάνας Cavendish, μιας και το παθογόνο εξελίχθηκε για να ξεπερνά την αντοχή του φυτού στις ασθένειες.[4]
Συμπτώματα ασθενειών των φυτών
Οι φυτικές ασθένειες προκαλούν ποικιλία συμπτωμάτων, όπως ανώμαλη εμφάνιση φύλλων, μίσχων, ανθών ή καρπών. Ενώ ορισμένες ασθένειες σκοτώνουν τα φυτά, άλλες απλώς διαταράσσουν την ανάπτυξή τους. Για παράδειγμα, ο ιός του ήπιου κιτρινοφανούς άκρου της φράουλας (SMYEV) αναστέλλει την ανάπτυξη του φυτού και αποχρωματίζει τα φύλλα του, κιτρινίζοντάς τα (εικόνα 1Α).[5]
Ορισμένα παθογόνα μπορούν να μολύνουν ακόμη και ολόκληρα δέντρα. Για παράδειγμα, ο τεφροειδής μαρασμός, που προκαλείται από τον μύκητα Hymenoscyphus fraxineus, αρχικά μολύνει τα φύλλα των σταφρόδεντρων (φράξοι), προκαλώντας μαρασμό και καφέτιασμα (εικόνα 1Β). Καθώς εξαπλώνεται, προκαλεί αλλοιώσεις (κατεστραμμένους ιστούς) στα κλαδιά και τους κορμούς (εικόνα 1Γ), οι οποίες τελικά θα σκοτώσουν το δέντρο διακόπτοντας τα συστήματα μεταφοράς νερού και θρεπτικών συστατικών.[6]
Εικόνες: A) ©Frank J Louws, χρησιμοποιείται με ευγενική άδεια. B) M J Richardson/Geograph, CC BY-SA 2.0. C) CΕυγενική παραχώρηση του Οργανισμού Έρευνας Τροφίμων και Περιβάλλοντος (Fera)/Wikimedia, Crown Copyright.
Ορισμένα φυτοπαθογόνα προκαλούν τόσο μοναδικά συμπτώματα που γίνονται αντικείμενα τέχνης (εικόνα 2). Τα σημάδια που προκαλούνται από ασθένειες των φυτών μπορούν να σχηματίσουν ποικιλία σχημάτων και μοτίβων, που κυμαίνονται από αντιαισθητικά έως αξιοπρόσεκτα ή ακόμα και όμορφα.
© Helen Pennington, χρησιμοποιείται με ευγενική άδεια
Η τουλίπα Embrandt είναι μια ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα ιστορία: μια ιογενής λοίμωξη στα άνθη προκαλεί ριγέ μοτίβα στα πέταλα, κάνοντας την ιδιαίτερα περιζήτητη κατά τη διάρκεια της «μανίας της τουλίπας» τον 17ο αιώνα.[7] Μη γνωρίζοντας ότι αυτές οι μοναδικές τουλίπες ήταν στην πραγματικότητα άρρωστες, η αγορά έγινε γρήγορα μη βιώσιμη επειδή τα φυτά γίνονταν όλο και πιο αδύναμα μετά από κάθε γενιά.
Ώρα για αντεπίθεση!
Τα φυτά εκτίθενται συνεχώς σε παθογόνα και αφιερώνουν τον περισσότερο χρόνο τους στην επιτυχή καταπολέμησή τους χάρη σε ένα ισχυρό ανοσοποιητικό σύστημα. Συνήθως, τα περισσότερα φυτά είναι ανθεκτικά στα περισσότερα παθογόνα και οι ασθένειες αποτελούν την εξαίρεση και όχι τον κανόνα. Χωρίς τα εξαιρετικά αποτελεσματικά ανοσοποιητικά συστήματα των φυτών, ο πλανήτης μας δεν θα ήταν τόσο πράσινος.
Πως είναι τόσο αποτελεσματικό το φυτικό ανοσοποιητικό; Τα φυτά έχουν αναπτύξει ένα έμφυτο ανοσοποιητικό σύστημα που αποτελείται από πολλές γραμμές αμυντικών μηχανισμών στο κυτταρόπλασμα και στην επιφάνεια των κυττάρων.
Το φυτικό ανοσοποιητικό σύστημα
Τα φυτά, όπως και τα ζώα, έχουν αναπτύξει διάφορα επίπεδα άμυνας για την καταπολέμηση εισβολέων, τα οποία μπορούν να συγκριθούν με ένα μεσαιωνικό κάστρο. Το πρώτο επίπεδο άμυνας αποτελείται από φυσικά εμπόδια, όπως ο φλοιός και η επιδερμίδα, που μοιάζουν με τάφρους και τοίχους. Η βλέννα των ζώων και οι φυτικοί αδένες μοιάζουν με στρατιώτες που παρέχουν γενική και αποτελεσματική προστασία. Το δεύτερο επίπεδο άμυνας, το οποίο ενεργοποιείται όταν ένα παθογόνο παρακάμπτει τα πρώτα επίπεδα, είναι το έμφυτο ανοσοποιητικό σύστημα που βασίζεται στην ικανότητα του φυτού να ανιχνεύει την παρουσία του παθογόνου.
Τα φυτά διαθέτουν μια σειρά υποδοχέων που αναγνωρίζουν μοναδικά χαρακτηριστικά των παθογόνων μικροοργανισμών και ενεργοποιούν κατάλληλες αποκρίσεις. Αυτά περιλαμβάνουν μόρια που υπάρχουν στα μικρόβια αλλά δεν παράγονται στα φυτά, όπως η φλαγελίνη (ειδική για τα βακτήρια) ή η χιτίνη (από τα κυτταρικά τοιχώματα των μυκήτων). Αυτές οι ενώσεις ανιχνεύονται από φυτικούς υποδοχείς που βρίσκονται είτε στην επιφάνεια είτε μέσα στα κύτταρα και ειδοποιούν το φυτό για την παρουσία ξένου εισβολέα. Οι αμυντικές αποκρίσεις που ενεργοποιούνται από αυτούς τους υποδοχείς περιλαμβάνουν την παραγωγή τοξινών και ενζύμων που αποικοδομούν τα παθογόνα. Συνήθως, παρατηρούμε επίσης υπερευαίσθητο κυτταρικό θάνατο, κατά τον οποίο μια περιορισμένη περιοχή κυττάρων θα καταρρεύσει για να περιορίσει την εξάπλωση των παθογόνων. Αυτό μπορεί να ερμηνευτεί ως μια μορφή αυτοκαταστροφής για την προστασία των γειτονικών υγιών κυττάρων.
Τα φυτά δεν διαθέτουν εξειδικευμένα ανοσοκύτταρα όπως τα ζώα. Αντίθετα, κάθε φυτικό κύτταρο μπορεί να αντιδρά αυτόνομα. Επιπλέον, τα φυτά δεν έχουν την ικανότητα να αναπτύσσουν ανοσία έναντι νέων παθογόνων κατά τη διάρκεια της ζωής τους, όπως οι άνθρωποι και τα ζώα. Η ικανότητα των φυτών να αντιστέκονται στις ασθένειες είναι προκαθορισμένη στις γενετικές τους πληροφορίες και υπάρχει σε κάθε κύτταρο. Ένας σπόρος περιέχει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για την καταπολέμηση των ασθενειών που θα αντιμετωπίσει κατά την ανάπτυξη του. Αυτή ονομάζεται έμφυτη ανοσία.
Ενώ αυτή η έμφυτη ανοσία προστατεύει καλά τα φυτά ανά τους αιώνες, παράλληλα αναδεικνύει μια μεγάλη αδυναμία τους όταν τα παθογόνα εξελίσσουν νέους τρόπους για να παρακάμψουν τα συστήματα ασφαλείας του φυτού, όπως με την μπανάνα και την ασθένεια του Παναμά. Τα φυτά συχνά εξελίσσονται για να γίνουν ξανά ανθεκτικά, αλλά αυτό απαιτεί αρκετές γενιές φυσικής επιλογής. Αυτός ο εξελικτικός ανταγωνισμός μεταξύ φυτών και παθογόνων διαρκεί χιλιετίες, πολύ περισσότερο χρόνο από ότι βρίσκονται οι άνθρωποι σε αυτόν τον πλανήτη.
Η ανάπτυξη της ικανότητας νέας ανθεκτικότητας μπορεί να διαρκέσει χρόνια για ένα φυτό στη φύση, αλλά οι αγρότες δεν μπορούν να περιμένουν τόσο πολύ, ειδικά όταν σημαντικές καλλιέργειες διατρέχουν κίνδυνο. Η συνεργασία μεταξύ αγροτών και επιστημόνων είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση και τη διαχείριση των φυτικών ασθενειών.
Πώς μπορούν να βοηθήσουν οι επιστήμονες;
Η Φυτική βελτίωση (Plant breeding) είναι η επιστήμη της παραγωγής πιο εξελιγμένων φυτών εισάγοντας σε αυτά νέα χαρακτηριστικά ή απορρίπτοντας τα ανεπιθύμητα. Αυτό γίνεται από την αρχή της ιστορίας της γεωργίας από αγρότες και κηπουρούς και είναι ένας από τους τρόπους με τους οποίους οι επιστήμονες μπορούν να βοηθήσουν.
Η κλασική επιλεκτική διασταύρωση περιλαμβάνει την επιλογή δύο ποικιλιών, καθεμία με ένα επιθυμητό χαρακτηριστικό, και τη γονιμοποίηση τους για την απόκτηση απογόνων με ένα μείγμα χαρακτηριστικών από τα γονικά φυτά. Στη συνέχεια, οι αγρότες επιλέγουν τα φυτά που περιέχουν και τα δύο επιθυμητά χαρακτηριστικά. Για παράδειγμα, ένα φυτό ντομάτας ανθεκτικό σε ασθένειες μπορεί να διασταυρωθεί με ένα ευαίσθητο σε ασθένειες φυτό που παράγει όμως μεγαλύτερες ντομάτες. Το επιθυμητό αποτέλεσμα σε αυτή την περίπτωση θα ήταν η δημιουργία ενός φυτού ντομάτας που είναι ανθεκτικό στις ασθένειες και παράγει μεγαλύτερες ντομάτες. Ωστόσο, τέτοιες διασταυρώσεις μπορεί να είναι απρόβλεπτες και να χρειαστούν χρόνια για να παραχθούν σταθερά φυτά με τα επιθυμητά χαρακτηριστικά. Οι σημαντικές εξελίξεις των τελευταίων δεκαετιών στις γενετικές τεχνολογίες, μπορούν να επιτρέψουν στους επιστήμονες να είναι πιο στοχευμένοι στην προσέγγισή τους και να επιταχύνουν τη διαδικασία.
Εικόνα: Andrew Davis
Πρόσφατα, οι επιστήμονες κατάφεραν να μειώσουν δραστικά τον χρόνο που απαιτείται εισάγοντας γενετικές αλλαγές απευθείας με στοχευμένο τρόπο. Οι γενετικές τροποποιήσεις μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο κατηγορίες: γενετική μηχανική (genetic engineering) και γονιδιακή επεξεργασία (gene editing).
Η γενετική μηχανική, που ονομάζεται επίσης γενετική τροποποίηση (ΓΤ) ή διαγονιδιακή εισαγωγή, περιλαμβάνει τη μεταφορά DNA από ένα είδος σε άλλο, είτε από μια συγγενή καλλιέργεια είτε από ένα άλλο είδος. Αυτές οι τροποποιημένες καλλιέργειες πρέπει να υποβάλλονται σε αυστηρές δοκιμές και κανονισμούς ασφαλείας πριν από την κυκλοφορία τους στην αγορά.
Η γονιδιακή επεξεργασία είναι μια πιο ακριβής μέθοδος τροποποίησης του DNA ενός φυτού, επιτρέποντας στοχευμένες αλλαγές χωρίς την εισαγωγή ξένου DNA. Προκύπτουν τελικά αποτελέσματα παρόμοια με τη συμβατική επιλεκτική αναπαραγωγή φυτών, αλλά πολύ πιο γρήγορα. Ωστόσο, το ερώτημα κατά πόσον τα φυτά που έχουν υποστεί γενετική επεξεργασία είναι συγκρίσιμα με τα γενετικά τροποποιημένα φυτά παραμένει ανοιχτό.
Παρόλο που οι ιοί αποτελούν την πιο κοινή πηγή μόλυνσης για τον άνθρωπο, η πλειονότητα των σοβαρών φυτικών ασθενειών προέρχεται από παθογόνους μύκητες και μυκητοειδής ωομύκητες. Αυτά τα παθογόνα ευδοκιμούν σε θερμές και υγρές συνθήκες, κάτι που καθίσταται ολοένα και πιο προβληματικό λόγω της κλιματικής αλλαγής. Για να διατηρηθεί η ποικιλομορφία των καλλιεργειών, οι επιστήμονες διερευνούν βιώσιμες προσεγγίσεις για τη διαχείριση των φυτικών ασθενειών και τη μείωση της εξάρτησής μας από χημικούς παράγοντες. Αυτές μπορεί να περιλαμβάνουν την καλλιέργεια φυτών ανθεκτικών στις ασθένειες ή την ανάπτυξη φυσικών ενώσεων για την καταπολέμηση των φυτικών παθογόνων, αλλά μπορεί επίσης να περιλαμβάνουν και γεωργικές πρακτικές όπως η αμειψισπορά, ο υγιεινός καθαρισμός και άλλες τεχνικές διαχείρισης για τον έλεγχο της εξάπλωσης των φυτικών ασθενειών.
Εικόνα: Stephen Bornemann
Ένας συνδυασμός προσεγγίσεων είναι συχνά απαραίτητος για την ισχυρή και βιώσιμη διαχείριση των ασθενειών σε διαφορετικές περιοχές του κόσμου. Η έρευνα για τα φυτά καλύπτει όλες τις πτυχές της φυτικής ζωής και οι φυτοεπιστήμονες συνεχίζουν να εργάζονται σκληρά για να εμπλουτίζουν τον αριθμό των επιλογών που είναι διαθέσιμες στους αγρότες.
References
[1] Στοιχεία ΟΟΣΑ για την παραγωγή καλλιεργειών: https://data.oecd.org/agroutput/crop-production.htm
[2] Fisher MC, et al. (2012) Emerging fungal threats to animal, plant and ecosystem health. Nature 484: 186–94. doi: 10.1038/nature10947
[3] He S, Creasey Krainer KM (2020) Pandemics of People and Plants: Which is the Greater threat to Food Security. Molecular Plant 13: 933–934. doi: 10.1016/j.molp.2020.06.007
[4] Το παθογόνο φουζαρίωσης (fusarium wilt) δημιουργεί μια νέα πανδημία μπανάνας, σε ένα άρθρο στο περιοδικό European Research & Innovation: https://ec.europa.eu/research-and-innovation/en/horizon-magazine/calling-natural-defences-turn-back-banana-pandemic
[5] Δημοσιεύσεις της NC State Extension σχετικά με ιούς που επηρεάζουν τις φράουλες: https://content.ces.ncsu.edu/strawberry-mottle-smov-of-strawberry
[6] Η σελίδα πληροφοριών για τον Τεφροειδή Μαρασμό στον ιστότοπο του οργανισμού Έρευνας Δασών (Forest Research) του Ηνωμένου Βασιλείου: https://www.forestresearch.gov.uk/tools-and-resources/fthr/pest-and-disease-resources/ash-dieback-hymenoscyphus-fraxineus/
[7] Η πραγματική ιστορία της μανίας Ολλανδικής τουλίπας στα μέσα του 17ου αιώνα: https://www.history.com/news/tulip-mania-financial-crash-holland
Resources
- Διαβάστε ένα σύντομο άρθρο σχετικά με την ανοσία φυτών.
- Παρακολουθήστε ένα σύντομο βίντεο για την ιστορία της έρευνας για την φυτική ανοσία και τις σύγχρονες γνώσεις μας για τα δίκτυα ανοσίας των φυτών.
- Μάθετε περισσότερες λεπτομέρειες για την επιστήμη των φυτικών ανοσοποιητικών συστημάτων.
- Μάθετε πώς να κάνετε στατιστικές αξιολογήσεις για τη μέτρηση της ανάπτυξης των φυτών: Brown J, Karamurzina S, Zharylgasin S (2020) Grow your own statistical data. Science in School 50.
- Χρησιμοποιήστε χρωματογραφία λεπτής στιβάδας στην τάξη σας και ανακαλύψτε τις χρωστικές που δίνουν στα φύλλα το χρώμα τους: Tarragó-Celada J, Fernández Novell JM (2019) Colour, chlorophyll and chromatography. Science in School 47: 41–45.
- Ανακαλύψτε πώς τα εσωτερικά «ρολόγια» ενός φυτού, το βοηθούν να ανταποκρίνεται στους μεταβαλλόμενους κύκλους ημέρας-νύχτας: Hubbard K (2019) How plants beat jet lag. Science in School 48: 8–11.
- Διαβάστε για τις ευεργετικές επιδράσεις των δενδριτικών θόλων: Guerrieri R (2019) The secret life of forests. Science in School 46: 20–24.
- Εξαγωγή καουτσούκ από τις ρίζες της Ρωσικής πικραλίδας: Göbel M, Gröger M (2018) Turning dandelions into rubber: the road to a sustainable future. Science in School 43: 31–36.
- Διαβάστε για την κυτταρίνη και τις πολλαπλές χρήσεις της: Römling U (2017) Cellulose: from trees to treats. Science in School 41: 8–12.