За даними ФАО, попит на сільськогосподарські культури та продукти харчування до 2050 року, як очікується, зросте у два рази, тоді як населення світу може досягнути 9,1 млрд [Godfray H.C.J., 2010]. Збільшення кількості та якості харчових продуктів, у відповідь на зростаючий попит, вимагатиме збільшення продуктивності у сільському господарстві. Належні методи ведення сільського господарства (Good Agricultural Practice – GAP), часто у поєднанні з ефективним використанням ресурсів, є одним із кращих способів підвищення продуктивності агровиробництва. Провідні агроконцерни намагаються розбудовувати інфраструктуру господарств та технології вирощування з позицій забезпечення сталого розвитку, щоб збільшити виробництво і поліпшити якість рослинницької продукції [FAO GAP Principles, 2012].
Україна є потужною аграрною державою, й інноваційний розвиток аграрного сектору є важливим елементом розбудови держави. Одним із найважливіших напрямів розвитку сільського господарства є підвищення ефективності зернового комплексу України.
Складні економічні умови останніх років, в яких опинилися господарства різних форм власності, спричинюють погіршення умов вирощування зернових культур, скорочення витрат на обробіток ґрунтів, на впровадження наукоємних технологій застосування агрохімікатів і, як наслідок, ускладнення фітосанітарної ситуації. Підвищення ефективності рослинництва тісно пов’язано із впровадженням сучасних технологій вирощування. Важливою складовою технологій вирощування культурних рослин у рослинництві України є впровадження високотехнологічних продуктів вітчизняного виробництва та провідних країн світу. Проте економічні обмеження стримують впровадження сучасних високоефективних агрохімікатів.
В останні роки спостерігається погіршення й фітосанітарного стану посівів озимої пшениці. Зокрема, зростає шкодочинність хвороб. Серед останніх чільне місце займають гельмінтоспоріоз, септоріоз, пітіум, борошниста роса, офіобольоз та альтернаріоз, сажкові й фузаріози.
Фузаріоз колосу та фузаріозна коренева гниль є одними з найбільш шкодочинних хвороб зернових колосових культур, фузаріози качанів – кукурудзи; небезпечними також є фузаріози інших культурних рослин. Широка розповсюдженість, зв’язок із ґрунтом, відсутність вузької спеціалізації в ураженні рослин-господарів, потужні міграційні процеси інокулюму на значні відстані обумовлюють постійну наявність в агрофітоценозах культурних рослин, насамперед зернових колосових культур, численних грибів різних видів Fusarium – збудників кореневих гнилей та хвороб вегетативних і генеративних органів рослин. За багаторічними даними авторів, від ураження фузаріозами недобір урожаю пшениці може досягати від 4 до 15% щорічно, а в умовах епіфітотій, які на теренах держави спостерігаються кожні 3–5 років, втрати урожаю на окремих полях можуть перевищувати 50%. При цьому забруднення збіжжя мікотоксинами робить урожай не придатним до споживання.
Відомо, що зернові культури можуть уражуватися понад 300–350 видами різноманітних організмів. Це комахи, гриби, бактерії, віруси, нематоди, кліщі, птахи, гризуни, косулі, кабани, бур’яни тощо. Але основну загрозу для втрати врожаю, особливо на початкових фазах розвитку, в осінньо-зимовий період, становлять збудники грибних інфекцій. В останні роки значно зросли площі, вражені грибковими захворюваннями. Особливу увагу слід приділити ефективному контролюванню фузаріозу колосу та фузаріозної кореневої гнилі. Ці хвороби стали одними з найбільш поширених і шкодочинних захворювань зернових культур, переважаючи за шкодочинністю септоріоз, сажкові хвороби, альтернаріоз, гельмінтоспоріоз тощо. Те, що шкодочинність їх продовжує зростати, пояснюється несприятливими погодними умовами (чергування вологих та посушливих періодів) і зниженням загальної культури землеробства. Складна фітосанітарна ситуація також є результатом зниження загальної культури агровиробництва та значної частини фальсифікату серед протруйників і фунгіцидів. По-друге, на практиці доволі частими є випадки, коли виробники зменшують норми витрати фунгіцидів та протруйників. Як наслідок, втрачається його ефективність. Виходячи із зазначеного вище, можна зробити тривіальний, але, на жаль, актуальний на сьогодні для рослинництва країни висновок – протруювання посівного матеріалу та позакореневі обробки якісними агрохімікатами є обов’язковими. Ці прийоми дають змогу контролювати хвороби, збудники яких передаються насінням, через ґрунт, через рослинні рештки. Так, недобір урожаю зернових колосових культур через посів непротруєним насінням у Лісостепу становить 0,33–1,03, а в Степу – 0,28–0,57 т/га, часто перевищуючи наведені значення.
Домінування у сівозмінах нашої країни зернових колосових, різке зниження рівнів внесення меліорантів, макро- і мікроелементів, розбалансування по окремих елементах живлення, використання протруйників та фунгіцидів низької якості створюють умови для розвитку кореневих гнилей та хвороб вегетативних і генеративних органів рослин. В останні роки виробники відзначають значне підвищення шкодочинності хвороб пшениці, в тому числі й кореневих гнилей. Цьому сприяє і традиційно низька увага до осіннього періоду розвитку озимої пшениці. У 2011 році у статті в журналі «Зерно» ми наводили дані щодо визначення протягом квітня 2011 року стану посівів озимої пшениці в ряді областей України [Швартау В.В., 2011]. Посіви озимини постраждали у весняний період, тільки в Сумській області з 226 тис. га загинуло 26 тис. га озимої пшениці. За результатами обстежень встановлено, що загибель культур відбулася у результаті сукупності несприятливих факторів для перезимівлі. Згідно з даними обласного гідрометеоцентру, продовження до кінця грудня періоду осінньої вегетації посівів, підвищені температури (зокрема, у листопаді температура повітря була вище багаторічної норми на 4,5–5,0°С, з високою кількістю опадів і зниженим рівнем фотосинтетично активної радіації) зумовили активний розвиток кореневих гнилей. Особливо чітко спостерігалася присутність фузаріозних кореневих гнилей. Це стало перешкодою для оптимального розвитку вторинної кореневої системи, накопичення цукрів у рослинах та їх загартування перед входженням у зимовий період.
Також необхідно ще раз зазначити, що в багатьох областях країни низька увага приділялася впровадженню важливих елементів технології вирощування озимих культур: застосування малоефективних проти кореневих гнилей протруйників, нестача фосфору, калію, елементів редокс-систем рослин – сірки, міді, марганцю, цинку й заліза, особливо без урахування сортових відмінностей, а саме – від забезпечення високопродуктивних сортів зернових колосових культур. Останнє призводило до випадіння ряду сортів, насамперед сортів озимої пшениці високоінтенсивного типу.
Активний розвиток кореневих гнилей у господарствах переважної кількості областей країни продовжився і в квітні – травні сезону 2011 року, чому сприяли вищенаведені умови перезимівлі та особливості погодних умов у березні – квітні. Необхідно нагадати, що умови сезону 2011 року, як і зимового періоду 2012–2013 років, характеризувалися виключно високим рівнем випрівання посівів озимини. Добре відомо, що високий рівень випрівання посівів може бути пов’язаний з відповідною високою ураженістю посівів зернових колосових культур кореневими гнилями. Випрівання пов’язане з виснаженням рослин, що спричиняється несприятливими умовами їх перезимівлі й дією низьких температур, утворенням глибокого снігового покриву протягом, переважно, другої половини зими, яке викликає підвищення температури на поверхні ґрунту від 0 до +2–3 оС, а також ураженням рослин збудниками хвороб. Вcтановлено, що на таких рослинах активно розвиваються збудники снігової плісняви й фузаріозних гнилей, склероціальна гниль, тифульоз.
Очевидний висновок з необхідності ефективного контролювання хвороб культурних рослин зберігає високу актуальність на сьогоднішній день, а боротьбі з хворобами необхідно приділяти увагу протягом усієї вегетації культури, фактично від підготовки насіння та сходів до жнив і зберігання врожаю включно.
Кореневі гнилі – загальна назва, яка історично закріпилася за групою захворювань зернових культур, які уражують кореневу систему, прикореневу частину стебла, підземне міжвузля, вузол кущіння. Тільки в Україні ідентифіковано понад 20 грибів – збудників кореневих гнилей. Незважаючи на схожі симптоми, хвороби викликаються різними збудниками. Серед найбільш шкідливих є фузаріозна коренева гниль, яку викликають гриби Fusarium oxysporum Schlectend. (Fr. і Fusarium solani (Mart) Sacc.). Крім них, у комплексі патогенів зустрічаються F. avenaceum Cook, F. verticilliodes J. Sheld. (статева стадія – G. moniliformis), F. subglutinans (статева стадія – G. subglutinans) (Wollenweb. & Reinking), F. acuminatum Ellis & Verh., F. equiseti (Corda) Sacc.
Майже в усiх країнах рослинництво потерпає вiд шкiдливих органiзмiв: комах та клiщiв, мiкроорганiзмiв (бактерiй, грибiв, вiрусiв), нематод (фiтогельмiнтiв) і бур’янiв [Моргун В.В. та співавт., 2014]. Особливо значних збиткiв виробництву зерна пшеницi, ячменю, вiвса, кукурудзи та iнших зернових культур протягом останнiх 20 рокiв завдають хвороби, що спричиняються патогенними мiкромiцетами роду Fusarium, у тому числi Fusarium graminearum L. (статева стадiя розвитку – Gibberella zeae), а також F. oxysporum f. ciceris, що уражає зернобобову культуру нут (Cicer arietinum), яка є важливою для сiльського господарства країн Захiдної та Середньої Азiї, Пiвнiчної Африки, а також Пiвнiчної Америки. За даними ФАО, пiдвищення ураження посiвiв зернових культур спостерiгається в рiзних країнах. Наприклад, у США недобiр врожаю вiд цього захворювання призвiв до економiчного збитку в 1 млрд у 1993 році та в 500 млн доларів США у 1994 році. Не меншi щорiчнi економiчнi збитки спостерiгаються у Китаї, Канадi, країнах Пiвденної Америки, а також в Українi, де ураження сiльськогосподарських посiвiв цими патогенами на окремих полях досягає 70–80%. Фузаріоз колосу зернових колосових культур та фузаріоз качанів кукурудзи є високошкодочинною хворобою культурних рослин в усьому світі [Parry D.W. et al., 1995]. Тільки в США прямі втрати лише від фузаріозу колосу у зниженні врожаїв та їх якості у період між 1991 і 1997 роками перевищують 1,3 млрд доларів [Johnson D.D. et al., 2003].
Також щорічно рослинництво України потерпає від ураження посівів фузаріозами: від фузаріозних кореневих гнилей (рис. 1, 2) до фузаріозу колосу. З достатньо високою періодичністю, зокрема 2011, 2015 та 2016 роки, посіви зернових культур уражуються видами Fusarium із відповідними значними втратами посівних площ та врожаїв.
Шкiдливiсть фузарiозного ураження зернових культур проявляється i в зниженнi харчових якостей насiння. Патологiї рослин є небезпечними для здоров’я людини i сiльськогосподарських тварин внаслiдок накопичення мiкотоксинiв у рослинах, якi не можуть бути використані на корм худобi для отримання якiсного м’яса, молока та продуктiв його переробки.
До небезпечних мiкотоксинiв, якi продукує F. graminearum L., належать дезоксинiваленол (ДОН), зеараленон, фузарин С, а також аурофузарин. Основним механiзмом дiї мiкотоксину ДОН є пригнiчення бiосинтезу бiлка в життєво важливих органах людини та тварин. Споживання мiкотоксину зеараленону пiдвищує рiвень естрогенiв в органiзмi людини, а також у великої рогатої худоби i свиней. У країнах Євросоюзу рiвень максимальної концентрацiї ДОН обмежено до 0,5 мкг/г зернових культур, тодi як у США – до 1 мкг/г харчових продуктiв. Велика лабiльнiсть реакції мiкромiцетiв роду Fusarium L. на фактори навколишнього середовища та неконтрольоване застосування високотоксичних фунгiцидiв призвело до збiльшення рiзних видiв Fusarium завдяки послабленню конкурентної боротьби мiж рiзними видами патогенiв. Проблема захисту сiльськогосподарських рослин вiд фузарiозу є актуальною й сьогодні [Leslie J.F., Summerell B.A., 2006; Trail F., 2009; Бабаянц Л.Т., Бабаянц О.В., Мирось С.Л., Тоцкий В.Н., 2001; Geraldo M.R. et al., 2006; Starkey D.E. et al., 2007; Utermark J., Karlovsky P., 2007; Landschoot S. et al., 2012].
Важливість досліджень шкодочинності фузаріозів та шляхів контролювання хвороби доцільно розпочати з думки академіка В.В. Моргуна: забезпечення інноваційного розвитку аграрного виробництва дозволить Україні вийти на передові виробничі рубежі. Вже на сьогоднішній день ми маємо численні приклади, які засвідчують, що отримання високих урожаїв зерна – це реальність, якої досягла ціла низка передових господарств України. Необхідна послідовна політика держави, що має визначити хліб її головним пріоритетом, найважливішою складовою національної ідеї України [Моргун В.В. та співавт., 2014]. Іншою стороною актуальності цього напряму є думка Е. Стекмена та Дж. Харрара (1959), а саме: «Патологія рослин є наукою про охорону здоров’я суспільства».
В огляді [Pitt J.I. et al., 2016, Just Accepted] автори зазначають, що токсикогенні гриби та мікотоксини уражували продукти харчування вже у період, коли людство почало вирощувати культурні рослини, ймовірно, 10 000 років тому. Зерно завжди несло небезпеку щодо джерела мікотоксинів у раціоні людини і її домашніх тварин. В історичному контексті ерготизм від ураженого жита відомий, імовірно, протягом понад 2000 років і призвів до загибелі багатьох тисяч людей в Європі ще в минулому тисячолітті. Відомий у Японії з XVII ст. гострий серцевий авітаміноз пов’язаний з вживанням у їжу запліснявілого рису, що був уражений Penicillium citreonigrum. Вважалося, що до останнього часу цей токсин має лише історичне значення, поки його відродження не почало спостерігатися в Бразилії кілька років тому. Інші токсини Penicillium, у тому числі охратоксин А, що колись вважалися можливою причиною балканської ендемічної нефропатії, розглядаються в історичному контексті. Роль токсинів Fusarium в ураженні здоров’я людини і тварин добре відома, особливо Т-2 токсину в харчовому раціоні з наступним токсичним агранулоцитозом у Росії у 1940-х роках, і фумонізинів у лейкоецефалопатії коней виключно вагома. Нарешті, численні історичні документи свідчать про зв’язок вмісту афлатоксинів у зерні та горіхах за інфікування Aspergillus flavus і його ролі у синергії з вірусом гепатиту В – факторів, що зумовлюють рак печінки людини. У період зміни клімату та значного зниження різноманітності сільськогосподарських культур на глобальній основі дослідниками встановлено, що завданням контролю продовольчої системи повинно бути розроблення доступних баз даних щодо небезпеки грибкових токсинів, які, ймовірно, рідко траплялися у попередні десятиріччя в урожаях, проте які можуть знову становити небезпеку.
Вигляд посівів озимої пшениці в Україні в останні дестиріччя практично не набуває яскраво-жовтого кольору, а характеризується тьмяними сірими відтінками, що властиво для ураження сапрофітними грибами. На виробничих посівах досить рідко можна спостерігати рослини перед жнивами, восковий наліт листків яких не ушкоджений грибками (рис. 3).
У зв’язку з цим головною метою нашої роботи було розглянути особливості біології, систематики та основ контролювання фузаріозів основних сільськогосподарських культур, зернових колосових, кукурудзи тощо з метою удосконалення технологій їх вирощування в Україні.
Стратегічним напрямом розвитку рослинництва України є вирощування високоякісного зерна, а саме – постачання на світовий ринок високоякісного зерна з високим вмістом білка та хлібопекарськими якостями, вмістом зольних елементів та відсутністю біологічного забруднення. Проте понад 25% виробленого у світі зерна забруднено мікотоксинами [FAO.org., 2015]. Понад 10 млрд доларів щорічно становлять втрати продуктів тваринництва розвинених країн через забруднення мікотоксинами [CAST]. До 36% усіх захворювань у країнах, що розвиваються, пов’язані з мікотоксинами [цит. за Foroud N.A., 2014]. За даними D.A. Schisler та співавторів (2002), фузаріоз колосу завдав збитків більше ніж на 2,6 млрд доларів у США за останні 10 років [Schisler D.A. et al., 2002].
Проблема забруднення колосових культур та іншої рослинницької продукції мікотоксинами згадується протягом всієї історії розвитку людства. Вже у Старому Заповіті є численні згадування про «червоний» хліб. Фузаріоз і сажка надають хлібу, виготовленому із зараженого зерна, червоного кольору. Письмові повідомлення про них містяться у Старому Завіті, літературі раннього буддизму, сільськогосподарських трактатах стародавнього Єгипту, Греції та Риму. Зв’язок між інфікуванням зерна сажкою і несприятливим впливом на людину був описаний ассирійцями вже 600 років до н.е. 1096-й – це рік Першого хрестового походу і повальних епідемій ерготизму: «Вона (вогняна чума) охопила багато областей Західної Європи в останні два десятиліття XI століття і була пов’язана із зараженням зернових, насамперед жита, сажкою».
Періодично траплялися отруєння людей і тварин при вживанні харчових продуктів, що містять мікотоксини. Найбільш відома загибель 14 тисяч осіб у Парижі у 1129 році від потрапляння в їжу склероциїв (ріжків) – збудника ріжків злаків (Claviceps purpurea). Пізніше з’ясувалося, що ерготоксин, який виділяється збудником, викликає у людей «злі корчі», вони відчувають гострий біль, печію кінцівок, судоми, розвивається гангрена.
В історичному літописі Європи закарбовано «великий страх» (La Grande Peur) у північній Франції у 1789 році, коли громадянська непокора і заворушення збіглися з особливо серйозною інвазією врожаю жита сажкою. Селян описували як таких, що втратили розум. Був виявлений зв’язок між поведінкою, поганим здоров’ям і «поганим борошном». Ураження від видів Fusarium і мікотоксину DON зернових культур та отруєння людей і свійських тварин згадуються у літописах Китаю та Кореї [Yoshizawa T., 1983, 2013; Pestka J.J. et al., 2005].
На територіях слов’янських країн «п’яний хліб» відомий протягом століть. Збудники фузаріозів Fusarium spp. вражають злаки в період росту, в снопах і валках на полі, а також у зерносховищах при зволоженні та пліснявінні зерна. Це захворювання найчастіше зустрічається на пшениці, нерідко на житі, вівсі та ячмені. У період дозрівання на колоскових лусочках, і навіть на самому зерні, з’являється рожево-червоний або блідо-рожевий наліт. Уражене зерно недорозвивається, стає щуплим, має знижену схожість.
Гриб утворює специфічні метаболіти – мікотоксини, зокрема вомітоксин та інші, які в організмі викликають розлад органів травлення та психіки (збудження, слабкість, тремтіння в кінцівках). Вміст мікотоксинів нормується в усіх країнах з потужним ринком зерновиробництва. Вміст вомітоксину в продовольчій пшениці та зерні на корм нормується в межах 0,3–0,5 ppb (0,3–0,5 мг на 1 кг зерна). При цьому зовнішніх ознак пошкодження такий хліб не має. Клінічна картина отруєння подібна до алкогольного сп’яніння і характеризується порушенням, ейфорією (втрата адекватності, сміх, спів тощо), порушенням координації рухів (хитка хода тощо). Надалі збудження змінюється депресією і занепадом сил. До цих явищ нерідко приєднуються порушення діяльності шлунково-кишкового тракту – пронос, нудота тощо. При тривалому вживанні зараженого хліба можуть розвинутися анемія та психічні розлади [Воронин М.С., 1890; Пальчевский Н.А., 1891].
У Росії наприкінці XIX ст. відзначено масове отруєння людей на Далекому Сході «п’яним хлібом». Вживаний ними в їжу хліб містив мікотоксини, які продукуються грибом Fusarium graminearum. Люди відчували слабкість, важкість у кінцівках, невпевненість при ходьбі, різкі головні болі, запаморочення, біль у животі та інші симптоми. Відзначалися випадки втрати свідомості, непритомності, стан загального важкого отруєння організму. Відомі випадки масового отруєння свиней, птахів та інших тварин при вживанні ними зерна, що містить мікотоксини грибів роду Fusarium [цит. за Пальчевский Н.А., 1981].
Масові ураження спостерігалися у Радянському Союзі в 1930-х і 1940-х роках, коли з Fusarium-забрудненого пшеничного борошна випікали хліб. У результаті харчової токсикації виникав агранулоцитоз, при цьому смертність досягала 60%. У роботах Майера 1953 року описуються масштабні проблеми отруєння людей та тварин у регіонах вирощування зернових культур у Радянському Союзі [Mayer C.F., 1953].
Проблема міко-, особливо фузаріотоксинів, загострилася у зв’язку з порушенням екологічної рівноваги в мікоценозах при інтенсивних технологіях вирощування сільськогосподарських культур, а також через підвищення вмісту фотооксидантів у атмосфері. Особливо сильно зросли ушкодження посівів колосових культур фузаріозами: наприклад, у 1991–1996 роках в Росії зараженість зерна одним із найнебезпечніших мікотоксинів – ДОН (DON, дезоксиневаленон), або вомітоксином – зросла в 20 разів.
Головним шляхом зниження контамінації зерна мікотоксинами, зазвичай, є зменшення ураження посівів збудниками фузаріозів, насамперед фузаріозу колосу.