Болезни корней являются значительным источником биотического стресса, который может нанести вред корням. Без функциональной корневой системы растения могут вырасти отстающими в росте или полностью погибнуть. Однако обнаружить зараженные корни нелегко из-за подземного расположения этих органов растений. Системы на базе миниризотрона (minirhizotron), включающие системы визуализации корней, используемые через фиксированные прозрачные трубки, могут дать представление о динамике подземных процессов и взаимодействии корней с патогенами. Узнайте больше об этой новой разработке, которая помогает исследованиям и точному земледелию.
- Заболевания корней являются серьезной проблемой, снижающей урожайность сельскохозяйственных культур во всем мире.
- Повреждения и симптомы, вызванные заболеваниями корней, изменяют морфологию и динамику роста, которые можно обнаружить с помощью изображений и сканирования.
Современные методы обнаружения болезней
Корни растений составляют 30-95 процентов биомассы растений. Функции корней имеют решающее значение для укоренения, роста и продуктивности растений. Они закрепляют растения, ищут и транспортируют воду и питательные вещества, а также накапливают биомассу.
Корневые патогены - бич всех видов сельскохозяйственных культур, поскольку они вызывают широкий спектр повреждений корней, от легких до полной их гибели. Распространенными видами патогенов, поражающих корни в глобальном масштабе, могут быть бактерии, грибы, вирусы и т. д., а основными группами являются:
- Питиум (Pythium), вызывающий корневую гниль многих культур.
- Вертициллиум (Verticillium) - грибок, поражающий сосудистую систему, что приводит к увяданию и гибели растений.
- Комплекс видов Fusarium solani (FSSC) вызывает корневую гниль таких важнейших основных культур, как картофель, фасоль, соя, дыня, горох и кабачки.
- Паразитизм метлицы (Orobanche cumana), обязательного корневого паразита, не содержащего хлорофилла. Они растут на корнях и могут сильно снизить урожайность многих культур, таких как бобовые, подсолнечник, табак, томаты, морковь и др. В некоторых случаях этот паразит действует патогенно. Он вызывает заболевания, нарушая гормональный баланс и фотосинтетический аппарат культур.
Проблемы существующих методов оценки корней на наличие патогенов
Разрушительные методы. Корни извлекаются из почвы и осматриваются визуально. Промывка корней может удалить тонкие корни, так что при ручном осмотре можно исследовать только 60 процентов. Или же почва счищается, чтобы получить доступ к корням деревьев и проверить состояние поверхности корней.
Методы однократной оценки состояния корней. Единичные наблюдения не проливают свет на изменения морфологии корней и динамики роста, вызванные заражением болезнями.
Кроме того, система классификации тяжести заболевания также не является точной. Системы оценки болезней используют полуколичественные шкалы, только визуальные симптомы и не учитывают ряд повреждений и изменений, вызванных морфологией и функционированием корней.
Сканирование изображений в сочетании с миниризотронами может решить несколько проблем, связанных с текущим обнаружением заболеваний корней.
Рисунок 1. Изменения в паразитировании отдельных особей Orobanche cumana на корнях с течением времени: (A) 14 дней после посадки (DAP); (B) 21 DAP; (C) 28 DAP; (D) 35 DAP.
Признаки болезней корней
Деятельность патогенов изменяет морфологию корня, которую можно измерить с помощью сканеров с визуализацией, используемых в системе с миниризотроном. Например, такие симптомы, как некроз или задержка роста, изменяют морфологические признаки корня и могут помочь в их обнаружении. В данном контексте полезными признаками корня могут быть любые из следующих:
- Обесцвечивание корней, например, из-за увядания, гнили, паразитов.
- Оценка общей длины корней регистрирует рост и динамику корней под влиянием болезней.
- Мертвые корни или части корней из-за некроза.
- Объемный рост корней может уменьшиться из-за заражения болезнью. Например, рост корней уменьшается через четырнадцать дней после начала заражения Cercospora.
- Изменения в развитии боковых корней могут происходить, например, из-за цистной нематоды на сахарной свекле.
- Деформация клубней, вызванная заражением цистной нематодой, обнаруживается в течение четырех недель после заражения.
- Заражение корней паразитами можно обнаружить с помощью сканирования корней, например, у подсолнечника, см. рис. 1.
- Динамика тонких корней изменяется в ответ на меры защиты растений.
Вышеперечисленные признаки корней показывают важность постоянного мониторинга корней для выявления развития и распространенности болезней. Именно поэтому миниризотронные системы ценны для обнаружения болезней. Более того, симптомы, выявляемые на базе признаков изменения корней, отражают различные стадии заболевания и уровни тяжести, см. рис. 2.
Рисунок 2: "Развитие паразитизма Orobanche cumana с течением времени на подсолнечнике, измеренное с помощью миниризотрона. Измерения проводились на глубине 20 см. Столбики представляют собой стандартную ошибку десяти измерений" Eizenberg et al. 2005.
Системы на базе миниризотрона
Миниризотроны представляют собой прозрачные длинные трубки, вставляемые в почву под углом, что позволяет регистрировать корневую систему без какого-либо вмешательства в корни после первоначальной установки. Поскольку трубки остаются в почве, в ходе длительных экспериментов с многократным сканированием корней на границе почвы и трубки с помощью вставленной камеры можно получить изображения корней, растущих вокруг трубки, с высоким разрешением. Этот метод подходит для оценки морфологии корней, их роста, старения, повреждения и удлинения. Данные можно записывать часто, так как метод неразрушающий, что позволяет получить точную картину изменений, происходящих в течение от нескольких дней до нескольких месяцев. Изображения высокого разрешения позволяют оценить рост и другие характеристики даже тонких корней.
В некоторых случаях изображения, полученные с помощью камеры или сканера, все равно анализировались вручную. Это трудоемкий процесс, результаты зависят от качества изображения, корней и их количества и не являются объективными. Например, корневая гниль оценивалась от 1 до 3 баллов, а значительное количество отсутствующих корней - от 7 до 9 баллов. Ручная оценка изображений больше подходит для крупных корневых систем, чем для тонких корней, и может быть подвержена человеческим ошибкам.
Поэтому в настоящее время все большее распространение получает компьютерный анализ изображений с помощью программного обеспечения. В программном обеспечении используются модели искусственного интеллекта глубокого обучения, такие как нейронные сети, для автоматического и более точного измерения таких характеристик корней, как длина, ширина, площадь, объем, количество и т. д.
Сканеры CID Bio-Science
Компания CID Bio-Science производит два сканера для визуализации корней - CI-600 In-Situ Root Imager и CI-602 Narrow Gauge Root Imager, которые использовались учеными в экспериментах по неразрушающему обнаружению грибковой инфекции, цист нематод и паразитов. Прилагаемое программное обеспечение RootSnap! упрощает анализ изображений, полученных с помощью миниризотронных систем. Оба сканера подходят для полевых экспериментов и точного земледелия. Поскольку корневые трубки являются недорогими компонентами, их можно установить на поле и использовать вместе с системами визуализации корней для более точного обнаружения почвенных болезней на больших площадях.
