РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБНАРУЖЕНИЯ ОЧАГОВРЖАВЧИННЫХ БОЛЕЗНЕЙ ПШЕНИЦЫ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБНАРУЖЕНИЯ ОЧАГОВРЖАВЧИННЫХ БОЛЕЗНЕЙ ПШЕНИЦЫ

Научная статья

Соколов Ю.Г.¹, Садковский В.Т.², Кремнева О.Ю.^3, *, Данилов Р.Ю.⁴, Пачкин А.А.⁵, Зеленский Р.А.⁶, Курилов А.А.⁷

¹ ORCID: 0000-0002-8889-1762;

² ORCID: 0000-0003-3793-5101;

³ ORCID: 0000-0003-0982-6821;

⁴ ORCID: 0000-0001-8454-0765;

⁵ ORCID: 0000-0002-8649-2418;

⁶ ORCID: 0000-0002-6035-1676;

⁷ ORCID: 0000-0001-8269-5923;

^{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт биологической защиты растений, Краснодар, Россия

* Корреспондирующий автор (kremenoks[at]mail.ru)

Аннотация

Для организации защиты растений от вредных организмов важное место занимает своевременный и точный фитосанитарный мониторинг. Эффективный фитосанитарный мониторинг возможен только при раннем обнаружении аэрогенной инфекции и источников её происхождения. Известно, что количество спор фитопатогенных грибов, обнаруживаемых в воздухе над пораженными посевами, является важным показателем эпифитотийного потенциала возбудителя болезни. В данной работе представлены элементы технологии обнаружения очагов грибных болезней зерновых культур и технические средства их оснащения. Разработаны технологические режимы применения пробоотборника воздуха в комплексе с ДПЛА. При развитии ржавчины 5 % на растениях пшеницы, количество спор в пробах воздуха над посевами пшеницы в 1м и 3 м составляют 3, 5 шт, соответственно. При отборе проб в посевах пшеницы при развитии болезни 5 %, количество спор в пробах составляет 50 шт. Данная технология может позволить заблаговременно до появления видимых симптомов заболевания или его массового развития установить наличие возбудителей болезней на растениях.

Ключевые слова: фитосанитарный мониторинг, болезни пшеницы, пробоотборник воздуха,  мультикоптер.

DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY FOR DETECTION OF SITES OF RUSTI FUNGI WHEAT DISEASES

Research article

Sokolov Yu.G.¹, Sadkovsky V.T.², Kremneva O.Yu.^3, *, Danilov R.Yu.⁴, Pachkin A.A.⁵, Zelensky R.A.⁶, Kurilov A.A.⁷

¹ ORCID: 0000-0002-8889-1762;

² ORCID: 0000-0003-3793-5101;

³ ORCID: 0000-0003-0982-6821;

⁴ ORCID: 0000-0001-8454-0765;

⁵ ORCID: 0000-0002-8649-2418;

⁶ ORCID: 0000-0002-6035-1676;

⁷ ORCID: 0000-0001-8269-5923;

^{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} FSBE All-Russian Research Institute of Biological Plant Protection, Krasnodar, Russia

* Corresponding author(kremenoks[at]mail.ru)

Abstract

Timely and accurate phytosanitary monitoring occupies an important place in the organization of plant protection from pests. Effective phytosanitary monitoring is possible only with early detection of airborne infection and its sources. It is known that the number of spores of phytopathogenic fungi found in the air over affected crops is an important indicator of the epiphytotic pathogen potential. This paper presents elements of the detection technology for sites of rust fungi diseases of cereal crops and the technical means of equipping them. Technological regimes for the use of an air sampler in conjunction with a RPV are developed. With the development of rust of 5% on wheat plants, the number of spores in air samples over wheat crops of 1 m and 3 m is 3, 5 pieces, respectively. When sampling in wheat crops with the development of the 5% disease, the number of spores in the samples is 50 pieces. This technology allows establishing the presence of pathogens on plants in advance of the appearance of visible symptoms of the disease or its mass development.

Keywords: phytosanitary monitoring, wheat diseases, air sampler, multicopter.

Возбудители ржавчинных болезней на пшенице являются основными и наиболее опасными патогенами во многих странах мира, в том числе и в России [1, С. 9-11], [2, С. 13-14]. Проведение эффективных и экономически обоснованных защитных мероприятий против ржавчинных болезней пшеницы во многом определяется возможностью раннего обнаружения аэрогенной инфекции и источников ее происхождения. Известно, что количество спор фитопатогенных грибов, обнаруживаемых в воздухе над пораженными посевами, является важным показателем эпифитотийного потенциала возбудителя болезни [3], [4, С. 43-45].

Традиционные методы фитосанитарного мониторинга предполагают проведение визуальной диагностики развития и распространения ржавчинных болезней пшеницы путем осмотра растений в 10-15 точках по диагонали обследуемого поля. При этом подсчитывается количество просмотренных растений и обнаруженных пустул [5], [6, C. 15-26].

Сотрудниками Всероссийского НИИ «биологической защиты растений» ведутся работы по совершенствованию методов фитосанитарного мониторинга на основе создания технических средств контроля фитопатогенной инфекции в воздухе и на поверхности растений. В последние годы наибольший интерес у потребителей вызывает портативный определитель заспоренности растений ОЗР-1мп, который позволяет заблаговременно (за 5-7 дней до появления видимых симптомов) выявить очаги грибных заболеваний зерновых культур. [7, C. 15-26], [8], [9, С. 40-44]. Несмотря на высокую эффективность прибора его использование на больших площадях или в трудно доступных местах требует больших затрат времени на холостые проходы. Появление дистанционно управляемых беспилотных летательных аппаратов (ДПЛА) вертолетного типа (мультикопртеров) открыло широкие возможности в области зондирования земной поверхности и в том числе фитосанитарного мониторинга. С целью реализации технологии дистанционного обнаружения очагов ржавчинных болезней пшеницы с помощью ДПЛА был разработан пробоотборник воздуха ПСЛ-2, оснащенный дистанционно управляемым электромагнитным механизмом отбора проб с поверхности растений [10]. Основной задачей данных исследований являлось провести испытание пробоотборника, направленные на оценку возможности обнаружения пораженных ржавчинными болезнями посевов пшеницы озимой на ранних стадиях развития болезни, а также отработать элементы технологических режимов применения мультикоптера для фитосанитарного мониторинга агроценозов.

Материалы и методы

На базе лаборатории фитосанитарного мониторинга, приборного и технического оснащения ФГБНУ ВНИБЗР был разработан пробоотборник воздуха ПСЛ-2 [10], устанавливаемый на мультикоптере. Прибор представляет собой щелевой импактор с дистаниционным управлением, позволяющий обеспечить отбор серии проб воздуха без посадки мультикоптера. При подготовке к отбору серии проб воздуха в пробоотборник устанавливается предметное стекло (подложка), покрытое удерживающим составом (например, вазелином), смазанной поверхностью к щелевому патрубку. Летательный аппарат (рис. 1) запускают и после перемещения в зону отбора проб оператор включают пробоотборник.

Рис. 1 – Мультикоптер с пробоотборником во время отбора проб

 

Продолжительность отбора пробы воздуха определяется оператором и может составлять от 30 с до нескольких минут в зависимости от запыленности растений и приземного слоя атмосферы. Погодные условия при работе ДПЛА – отсутствие атмосферных осадков, отсутствие влаги на растениях, скорость ветра не более 5 м/с.

После отбора пробы подложка перемещается на следующую позицию, и устройство готово к отбору следующей пробы. Микрочастицы, содержащиеся в пробе воздуха,  под действием сил инерции осаждаются на  удерживающее покрытие  подложки, образуя отпечаток (реплику).

После отбора проб подложки (предметные стёкла) просматриваются с помощью микроскопа при увеличении 80^х – 150^х. Отпечаток одной пробы занимает на подложке (предметном стекле) площадь 100 мм² и представлен в виде прямоугольника 20 х 5 мм. Предварительно просчитывают число спор в пробной полоске (по ширине поля зрения), которая проходит по центру отпечатка вдоль его большей стороны. Затем определяют минимально необходимую площадь для просмотра (таблица 1) [6].

 

Таблица 1 - Минимально необходимая площадь просмотра одной пробы

Количество спор в одной полосе, шт.	Необходимая площадь просмотра (s),  %
0	100
1-3	60
4-7	40
> 8	20

Количество полос (k), которое следует просмотреть при  выбранном увеличении микроскопа, определяют из выражения [5]:

где k – количество полос для просмотра, шт.;

s – минимально необходимая площадь, подлежащая просмотру, %;

b – длина отпечатка на предметном стекле, мм (b = 20);

d - диаметр поля зрения, мм.

После подсчета спор на посмотренной части отпечатка определяют их общее число по формуле [5], [6, C. 15-26]:

где: N – количество спор на всем отпечатке, шт.;

n – количество спор в k полосках,  шт.;

d – диаметр поля зрения микроскопа, мм.

По количеству уловленных спор можно определить степень поражения посевов пшеницы ржавчиной. Ориентировочная оценка уровня поражения рассчитывается по уравнению [5], [6, C. 15-26]:

где:   P - уровень поражения пшеницы ржавчиной, %;

N – количество спор, уловленных прибором (в пересчете на одноминутную пробу), шт.

Опытную эксплуатацию комплекса пробоотборник ПСЛ-2 – мультикоптер осуществляли на посевах озимой пшеницы сорта Таня, пораженных бурой ржавчиной. Одновременно велись учеты степени развития болезни по традиционной методике [3].

Обследования посевов начинали с момента возобновления вегетации озимой пшеницы и продолжали до фазы молочно-восковой спелости с интервалом 8-9 дней. Для оценки пораженности растений пробы в воздухе над посевами или в посевах отбираются в 5-10 точках (в зависимости от площади) по диагонали поля или в шахматном порядке примерно на равных расстояниях друг от друга.

Результаты и обсуждение

В результате проведенных исследований были определены следующие технологические режимы применения пробоотборника ПСЛ-2 в комплексе с ДПЛА:

1. Время подготовки к отбору пробы – 5 минут;
2. Площадка для взлета и посадки мультикоптера – 2 х2 м;
3. Высота отбора проб над посевами – 1 или 3 м;
4. Высота отбора проб в посевах – заглубление гибкого воздухозаборника на 5-15 см от верхушек растений;
5. Продолжительность пробы в точках отбора – от 30 с;
6. Количество проб, отбираемых на подложку – до 10;
7. Размер подложки в пробоотборнике – 26 х 76 мм;
8. Удерживающее покрытие подложки – вазелин, желатиноглицериновая среда, клей для фиксации насекомых и др.;
9. Размер отпечатка (реплики) – 20 х 4 мм;
10. Скорость движения мультикоптера во время отбора пробы – 3 м/с;
11. Максимальное удаление мультикоптера от оператора во время отбора пробы – 1000 м;
12. Длительность полета – до 30 мин;
13. Обслуживающий персонал – 1 чел.;

Предпочтительно наличие системы ориентирования мультикоптера  с использованием спутниковой навигации.

За период наблюдений степень поражения растений выросла с 1,2 % до 50,2 %. Пробоотборником ПСЛ-2 с периодичностью 7-10 дней отбирались пробы воздуха над посевами на высотах 1 и 3 м и среди растений. Продолжительность пробы составляла от 30 с до 1 мин. Результаты экспериментальных работ представлены на рисунках 2 и 3.

Анализ результатов показал, что метод отбора проб среди растений обладает более высокой чувствительностью. Так, при степени поражения растений 25,2 % над посевами на высоте 1м от верхушек, обнаруживалось в среднем 15 спор бурой ржавчины, а среди растений фиксировали в среднем 270 спор в пробе.

Рис. 2 – Количество спор в пробах воздуха над посевами пшеницы при различных уровнях развития болезни

Рис. 3 – Количество спор в пробах пробоотборника ПСЛ-2 при отборе проб в посевах пшеницы при различных уровнях пораженности бурой ржавчиной

 

Полученные результаты можно использовать для ранней диагностики и выявления очагов возбудителей ржавчинных грибов. Так при развитии ржавчины 5 % на растениях пшеницы, количество спор в пробах воздуха над посевами пшеницы в 1м и 3 м составляют 3, 5 шт, соответственно. При отборе проб в посевах пшеницы при развитии болезни 5 %, количество спор в пробах составляет 50 шт. Данная технология может позволить заблаговременно до появления видимых симптомов заболевания или его массового развития установить наличие возбудителей болезней на растениях.

Выводы

Опыт применения комплекса мультикоптер-пробоотборник для установления факта заражения посевов зерновых культур грибными болезнями показал возможность его использования для дистанционного фитосанитарного  мониторинга посевов. Способ отличается высокой оперативностью и низкой трудоемкостью.

Полученные сведения о местонахождении очагов грибных болезней зерновых культур позволят обеспечить своевременную экологически и экономически обоснованную защиту урожая.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Надыкта В. Д. Биологическая защита растений - основа фитосанитарной стабилизации агроэкосистем и экологического земледелия / В. Д. Надыкта, Г. В. Волкова, В. И. Долженко // Защита и карантин растений. - 2010. - № 11. - С. 9-11.
2. Шумилов Ю. В. Желтая ржавчина пшеницы требует особого внимания / Ю. В. Шумилов, Г. В. Волкова // Защита и карантин растений. - 2013. - № 8. - С. 13-14.
3. Санин С. С. Эпифитотии болезней зерновых культур: теория и практика / С. С.Санин // Избранные труды. – М., 2012. – 415 с.
4. Евсюков Н. А. Технические средства оснащения технологий фитосанитарного мониторинга / Н. А. Евсюков, В.Т. Садковский, Ю. Г. Соколов // Защита и карантин растений. - 2013. – С. 43-45.
5. Ченкин А. Ф. Методика по организации и учету вредных организмов /А. Ф. Ченкин, Г. С Белозерова, Д.Я. Комков // – М.: Центр научно-технической информации, 1993. - 66 с.
6. Соколов Ю. Г. Методические указания по дистанционной диагностике посевов зерновых культур, пораженных фитопатогенами. / Ю. Г. Соколов, В. Т. Садковский, И. А. Костенко и др. // Сборник Высокопроизводительные и высокоточные технологии и методы диагностики и фитосанитарного мониторинга. – М.: РАСХН, 2007. – С. 15-26.
7. Соколов Ю. Г. Рекомендации по применению средств контроля инфекции и параметров среды при защите растений от болезней / Ю. Г. Соколов, Н. А. Евсюков, В. Т. Садковский // – М., 1994,- 33 с.
8. Соколов Ю. Г. Определитель заспоренности растений / Ю. Г. Соколов, В. Т. Садковский, Ф. Ф. Худой и др. // Патент на полезную модель № 100621, 2010. Опубл. 2010, Бюлл. № 35.
9. Костенко И. А. Дистанционная диагностика очагов поражения пшеницы и риса / И. А. Костенко, Ю. Г. Соколов, В. Т. Гончаров и др. //Защита и карантин растений. - 2004. – С. 40-44.
10. Садковский В. Т. Пробоотборник воздуха / В. Т. Садковский Ю. Г. Соколов, Ф. Ф. Худой и др. // Патент на полезную модель № 171238, 2017. Опубл. 2017, Бюлл. № 15.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Nadykta V. D. Biologicheskaya zashhita rastenij - osnova fitosanitarnoj stabilizacii agroekosistem i ekologicheskogo zemledeliya [Biological plant protection is the basis of phytosanitary stabilization of agroecosystems and ecological agriculture ] / V. D. Nadykta, G. V. Volkova, V. I. Dolzhenko // Zashhita i karantin rastenij. [Protection and quarantine of plants]. - 2010. - № 11. - P. 9-11. [in Russian]
2. Shumilov Yu. V. Zheltaya rzhavchina pshenicy trebuet osobogo vnimaniya [Yellow rust of wheat requires special attention] / Yu. V. Shumilov, G. V. Volkova // Zashhita i karantin rastenij. [Protection and quarantine of plants]. - 2013. - № 8.  - P. 13-14. [in Russian]
3. Sanin S. S. Epifitotii bolezney zernovih kultur: teoriya i praktica [Epiphytotics of cereal crops diseases: theory and practice] / S. S. Sanin// Izbrannyye trudy [Selected works]. - М., 2012. – 415p. [in Russian]
4. Yevsyukov N. A. Tekhnicheskiye sredstva osnashcheniya tekhnologiy fito-sanitarnogo monitoringa [Technical equipment of phyto-sanitary monitoring technology] / N. A. Yevsyukov, V. T. Sadkovskiy, YU. G. Sokolov // Zashchita i karantin rasteniy [Protection and quarantine of plants]. - 2013. – P. 43-45. [in Russian]
5. Chenkin A. F. Metodika po organizatsii i uchetu vrednykh organiz-mov [Methodology for the organization and accounting of harmful organisms] /A. F. Chenkin, G. S Belozerova, D. Ya. Komkov//. – M.: Tsentr nauchno-tekhnicheskoy informatsii [Center for scientific and technical information]. - 1993. – P. 66. [in Russian]
6. Sokolov Yu. G. Metodicheskiye ukazaniya po distantsionnoy diagno-stike posevov zernovykh kul'tur, porazhennykh fitopatogenami [Guidelines for remote diagnostics of crops of grain crops affected by phytopathogens]. /Yu. G. Sokolov, V. T. Sadkovskiy, I. A. Kostenko and others // Sbornik Vysokoproizvoditel'nyye i vysokotoch-nyye tekhnologii i metody diagnostiki i fitosanitarnogo monitoring [Collected high-performance and high-precision technologies and methods for diagnostics and phytosanitary monitoring.]. – M.: RASKHN, 2007. – P. 15-26. [in Russian]
7. Sokolov Yu. G. Rekomendatsii po primeneniyu sredstv kontrolya in-fektsii i parametrov sredy pri zashchite rasteniy ot bolezney [Recommendations on the use of infection control devices and environmental parameters in protecting plants against diseases] / Yu. G. Sokolov, N. A. Yevsyukov, V. T. Sadkovskiy// – M., 1994, - 33 p. [in Russian]
8. Sokolov Yu. G. Opredelitel' zasporennosti rasteniy [The determinant of the spread of plants] / Yu. G. Sokolov, V. T. Sadkovskiy, F. F. Khudoy and others // Patent na poleznuyu model [Patent for useful model]' № 100621, 2010. Opubl. 2010, Byull. № 35. [in Russian]
9. Kostenko I.A. Distantsionnaya diagnostika ochagov porazheniya pshenitsy i risa [Remote diagnosis of lesions in wheat and rice]/ I.A. Kostenko, YU.G. Sokolov, V.T. Goncharov i dr. // Zashchita i karantin rasteniy [Protection and quarantine of plants]. - 2004. – P. 40-44. [in Russian]
10. Sadkovskiy V. T. Probootbornik vozdukha [Air sampler] / V. T. Sadkovskiy Yu. G. Sokolov, F. F. Khudoy and others // Patent na poleznuyu model [Utility model patent]' № 171238, 2017. Opubl [Published]. 2017, Byull [Newsletter]. № 15. [in Russian]