Инфекция в ловушке: технологии для раннего выявления опасных болезней сельхозкультур

Благополучие людей издревле зависит от хорошего урожая. Современные технологии позволяют достойно справляться с угрозами культурным растениям, включая различные болезни. Но даже сегодня заражение нередко обнаруживается уже тогда, когда симптомы становятся заметны внешне, а сами растения окончательно оказываются в цепкой хватке недуга. Решение очевидно: нужно попытаться выявить болезнь до проявления видимых симптомов. Этим и занимаются исследователи из Федерального научного центра биологической защиты растений (ФНЦБЗР) в Краснодаре, создавая специальные устройства, улавливающие из воздуха споры грибковых патогенов сельхозкультур. Технология позволяет обнаруживать споры грибных болезней пшеницы за 7–20 дней до появления визуальных признаков заражения. Об инновациях корреспонденту «Научной России» рассказала возглавляющая исследования Оксана Юрьевна Кремнева — кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник и заведующая лабораторией фитосанитарного мониторинга агроэкосистем ФНЦБЗР.

«В мониторинге болезней растений в настоящее время наиболее широко распространена классическая фитопатологическая методика, когда выявление инфекции осуществляется визуальным путем по характерным симптомам заболевания, — объясняет О.Ю. Кремнева. — Существует множество различных диагностических методов, позволяющих точно определить вид патогена, — это выделение возбудителя заболевания, его культивирование и последующая идентификация с помощью микроскопических, биохимических, молекулярных или иммунологических анализов. Все активнее применяются оптические методы диагностики: визуализация RGB-изображений, мульти- и гиперспектральные датчики, термография. Появляются программы и мобильные приложения на основе нейросетей для идентификации болезней. Но вышеперечисленные технологии опять же нацелены на определение заболевания по внешним проявлениям. При уровне развития болезни ниже 1% вероятность обнаружения симптомов заболевания очень низка, поэтому есть риск выявления патогена в момент, когда он уже прочно закреплен среди растений-хозяев. Поэтому главная задача современности — разработать методику, позволяющую выявлять болезнь еще до появления симптомов на самых ранних стадиях развития патогенов. Спороулавливающие устройства как раз позволяют решить эту задачу».

В настоящее время в лаборатории фитосанитарного мониторинга агроэкосистем ФНЦБЗР разработаны сразу несколько вариантов спороулавливающих устройств с простыми и сложными конструкциями.

«Например, флюгерная спороловушка представляет собой стойку с флюгером. В передней части флюгера закрепляется специальная улавливающая поверхность, покрытая удерживающим составом — чаще всего вазелином. Этот спороулавливатель стационарно располагают в посевах или посадках, а улавливающая поверхность заменяется на новую раз в один-семь дней в зависимости от погодных условий. Извлеченная улавливающая поверхность транспортируется в лабораторию: она прозрачная, что позволяет проводить микроскопический анализ — идентификацию и подсчет осажденных частиц, в частности спор фитопатогенных грибов. Такая ловушка не нуждается в электропитании, — рассказывает О.Ю. Кремнева. — Другое устройство представляет собой импактор, в котором находится стандартное предметное стекло, покрытое вазелином. Посредством работы аспиратора воздух с содержащимися в нем спорами грибов попадает через щелевой патрубок внутрь к стеклу, и на него осаждается воздушная примесь. Прибор позволяет отбирать до десяти проб — прямоугольных отпечатков со спорами на вазелине. При необходимости стекло также можно заменить для отбора большего количества проб. Это портативное устройство: исследователь передвигается по диагонали исследуемого участка посевов и удерживает работающий прибор на специальном ремне. После отбора нужного количества проб стекла также транспортируются в лабораторию для идентификации и подсчета спор фитопатогенов. Это устройство подзаряжается от сети».

Примечательно, что работу импактора можно подстраивать под конкретные условия: длительность отбора пробы можно регулировать в диапазоне от 30 секунд до полутора минут.

Ученые разработали и другие версии ловушек: например, модель спороулавливателя, предназначенную для использования совместно с беспилотными летательными аппаратами.

Исследователи с большим вниманием подошли к проектированию устройств: наиболее эффективные конструкции подбирались в результате множества полевых испытаний в разных условиях. Опираясь на внушительный объем собранных экспериментальных данных, изобретатели довели ловушки до совершенства, сделав их максимально удобными для пользователей.

Сейчас ученые фокусируются на мониторинге листовых болезней озимой пшеницы — мучнистой росы, желтой и бурой ржавчины, желтой пятнистости листьев. Как подчеркивает О.Ю. Кремнева, эти болезни распространены во всех регионах возделывания пшеницы и могут вызывать большие потери урожая — от 30 до 50%. В частности, серьезный вред хозяйствам наносят ржавчинные болезни пшеницы: споры этих патогенов очень легкие и активно распространяются с ветром, что может приводить к настоящим растительным эпидемиям (эпифитотии) вплоть до континентальных масштабов. 

Новые ловушки уже прошли испытания на реальных полях и помогли ученым успешно обнаружить споры всех перечисленных фитопатогенных грибов, опасных для белых хлебов.

«По количеству и морфологии отловленных спор можно прогнозировать развитие заболеваний. Полученные данные хорошо коррелируют с прогрессированием болезней в посевах, что говорит о возможности использования спороулавливателей для мониторинга патогенов в любую фазу развития культуры. Кроме того, наблюдалась зависимость развития заболеваний от погодных условий и сорта озимой пшеницы, — делится О.Ю. Кремнева. — Но, самое главное, споры фитопатогенов выявляются за 7–20 дней до обнаружения визуальных признаков болезней на растениях». 

Итак, инфекция обнаружена. Следующий этап — защитные меры: применение фунгицидов. Благодаря спороулавливателям этот процесс может стать не только оперативнее, но и безопаснее и экономичнее.

«Эффективность профилактических и основных обработок существенно зависит от сроков их проведения, которые должны устанавливаться на основе данных по мониторингу развития инфекции, с учетом погодных условий и устойчивости сортов, — поясняет О.Ю. Кремнева. — Важно отметить, что при раннем выявлении спор фитопатогенов лучше применять именно биологические препараты, которые позволят не только снизить развитие и распространение инфекции, но и обеспечить экологически чистую и безопасную продукцию. При этом количество обработок фунгицидами можно сократить, если использовать концентрацию спор в воздухе в качестве порогового значения вместо экономического порога вредоносности болезней. Стоимость обработки одного гектара озимой пшеницы в среднем составляет 1,8–4 тыс. рублей. При отсутствии инфекции на полях или незначительном количестве патогенов (что можно определить с помощью спороулавливающих приборов) есть возможность снизить экономические затраты и пестицидную нагрузку на агроэкосистему».

В ноябре 2025 г. спороулавливатели вошли в число разработок, представленных на встрече президента России с участниками V Конгресса молодых ученых. «Это междисциплинарное направление исследований. В его рамках создаются необходимые инженерные решения, ведутся исследования биологии патогенов, разрабатываются математические методы для прогноза», — рассказала главе страны участница проекта, аспирант и научный сотрудник ФНЦБЗР Ксения Эдиковна Гасиян.

Мониторинг заболеваний пшеницы — не единственное предназначение ловушек. Устройства универсальны и дают возможность своевременно выявлять споры грибных болезней самых разных культур: плодовых, ягодных, технических, декоративных.

«Устройства позволяют выявлять все аэрогенные инфекции, то есть возбудителей грибных болезней, у которых споры распространяются с ветром воздушно-капельным путем, — отмечает О.Ю. Кремнева. — Поэтому в планах наших будущих исследований — разработка методик применения спороулавливающих устройств для каждой культуры. В ближайшем будущем основной фокус будет делаться на грибных болезнях виноградников и плодовых культур. Первичные результаты показывают перспективность использования наших устройств в яблонных садах при выявлении спор мучнистой росы и парши, а также на виноградниках при мониторинге мучнистой росы и ложной мучнистой росы. Эти заболевания у данных культур способны нанести серьезный экономический ущерб».

Как рассказала О.Ю. Кремнева, ловушки для спор уже внедряются в практическое сельское хозяйство в агрофирмах, фермерских хозяйствах и филиалах Россельхозцентра. Технология применяется в разных регионах России, включая Краснодарский и Ставропольский края, Карачаево-Черкесскую республику, Адыгею, Крым, а также за рубежом — в Республике Беларусь. «Сейчас наши приборы предоставляют агрономам возможность осуществлять комплексный мониторинг и прогнозировать развитие возбудителей болезней в агроценозах, а также оперативно принимать решения о необходимости и сроках проведения защитных мероприятий», — говорит О.Ю. Кремнева.

У новой технологии есть ограничение: для идентификации собранных спор и правильной интерпретации собранных данных нужны высококвалифицированные специалисты. Это препятствует массовому внедрению разработки. Но исследователи уже работают над решением проблемы, пробуя привлекать к анализу спор искусственный интеллект (ИИ).

«ФГБНУ ФНЦБЗР в партнерстве с компаниями реального сектора экономики (“Нейроника”, “Фитосенс”) реализует комплексные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, в которых вредные объекты распознает специально обученная нейросеть. Это открывает возможность автоматического дистанционного мониторинга и снимает основное ограничение на применение устройств, — делится О.Ю. Кремнева. — Так, вместе с компанией “Фитосенс” в рамках проекта “Разработка программно-аппаратного комплекса on-site мониторинга концентрации спор фитопатогенов в агроэкосистемах пшеницы и ячменя посредством микроскопии” по программе “Старт-ИИ-1” разрабатывается уникальная методика автоматизированной идентификации патогенов зерновых культур с использованием микроскопии и методов ИИ».

Интересная разработка в этой области была создана исследователями из ФНЦБЗР совместно с коллегами из Кубанского государственного университета. Ученые представили целую роботизированную систему с участием ИИ, самостоятельно идентифицирующую и подсчитывающую споры возбудителей листовых болезней пшеницы. Это позволяет экономить усилия и время, затрачиваемые на анализ.

«Наша глобальная цель — сделать процесс мониторинга полностью автоматизированным, и разработанная система — первый шаг на пути к этой цели, — подчеркивает О.Ю. Кремнева. — Автоматизированная система включает техническое устройство, перемещающее предметное стекло с образцами проб под микроскопом, и компьютерную программу, которая распознает и подсчитывает споры на основании ранее созданной базы данных фотографий со спорами основных возбудителей листовых болезней пшеницы. При создании автоматизированной системы использовались методы компьютерного зрения: построение архитектуры сверточной нейронной сети и ее обучение на единичных образцах спор».

Спороулавливатели — не единственная интересная разработка лаборатории фитосанитарного мониторинга агроэкосистем центра.

«К настоящему моменту у нас разработан комплекс инновационных устройств для фитосанитарного мониторинга: так, помимо спороулавливателей, мы создали световые ловушки для обнаружения широкого спектра таксонов насекомых-вредителей сельскохозяйственных культур, — делится О.Ю. Кремнева. — Еще одно направление нашей лаборатории — разработка методов диагностики воздействия вредных биообъектов на растения на основе данных дистанционного зондирования Земли».

Статья подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Источники

Комментарии О.Ю. Кремневой

Сайт президента России (kremlin.ru). Встреча с участниками V Конгресса молодых ученых

«ГлавАгроном». Анна Кислекова, Ирина Борисова. О новых технологиях мониторинга ржавчинных болезней пшеницы рассказали ученые 

Фото на превью, на главной странице и в тексте: предоставлены О.Ю. Кремневой / ФГБНУ ФНЦБЗР.