Biologijos (N 010) mokslo kryptis

Naglis Gudiškis

Evelina Maziliauskautė

Algirdas Valys

Biotiniai ir abiotiniai faktoriai neigiamai veikia augalus ir jų kokybę. Augalo rizosferos ir endosferos mikrobiota netiesiogiai didina augalo toleranciją šiems veiksniams,  stimuliuodami augalo atsparumo stresui atsaką, išskirdami antipatogeninius junginius ir vykdydami dirvožemio remediaciją. Vienas iš stresinių veiksnių – dirvožemio druskingumas – sukelia 27 mlrd. JAV dolerių derliaus nuostolius per metus. Padidėjęs druskos kiekis sumažina augalų gebėjimą absorbuoti vandenį. Panašus poveikis augalo ląstelių ir medžiagų apykaitos procesams stebimas esant sausrai. Ribotas maistinių medžiagų prieinamumas sausros sąlygomis neigiamai veikia augalų vystymąsi ir augimą bei sukelia oksidacinį stresą.

Biotinio streso veiksniai – kenkėjai ir patogenai, sukelia 20–30 % viso pasaulio derliaus nuostolius. Ligos, sukeltos dirvožemyje esančių grybinių mikroorganizmų, dėl nepakankamos sėjomainos ir patogenų sugebėjimo formuoti  atsparias išlikimo struktūras, yra sunkiai kontroliuojamos. Grybiniai patogenai, kolonizuodami augalą riboja vandens transportavimą į viršutinę augalų dalį. Dabartinė žemės ūkio praktika, kuriai būdingas didelės sintetinių trąšų ir pesticidų sąnaudos, neišsprendžia problemų ilgalaikėje perspektyvoje, todėl reikalingos naujos tvarios augalų apsaugos ir augimo skatinimo strategijos.

Augalų ligų sukėlėjai (patogenai) yra vieni svarbiausių mikrobiomo komponentų, darančių didelį poveikį augaluose-šeimininkuose vykstantiems tiek ekologiniams, tiek evoliuciniams procesams. Taip pat, fitopatogeniniai mikroorganizmai (bakterijos, grybai) sukelia žymius ekonominius nuostolius daugelyje pasaulio šalių – augalų ligos lemia vidutiniškai iki 30 % pasaulinio pasėlių derliaus, tad kasmet padaromi milijardiniai nuostoliai. Todėl ypač didelis dėmesys pradėtas skirti patogeninių mikroorganizmų sąveikai su pažeidžiamais augalais. Pastarųjų metų tyrimai pasaulyje, tame tarpe ir Europoje, dabar daugiausia nukreipiami siekiant išsiaiškinti, kokie konkrečiai virulentiškumo faktoriai daro poveikį augalų sveikatai. Geresnis patogeninių mikroorganizmų turimų savybių žinojimas, populiacijos struktūros ir dinamikos supratimas gali paskatinti efektyvesnių kontrolės priemonių ir pažangesnių bei specifinių diagnostikos protokolų kūrimą.

Augalų ligas sukeliantys patogenai pastaraisiais metais Lietuvoje tiriami fragmentiškai, tyrimų atliekama per mažai. Tačiau jie yra svarbūs epidemiologine prasme – tyrimai suteiktų naujos informacijos apie sukėlėjų paplitimą Lietuvoje, o plačiau žvelgiant – ir Europoje. Geresnis patogeninių mikroorganizmų populiacijų struktūros ir dinamikos supratimas galėtų paskatinti efektyvesnių kontrolės priemonių ir pažangesnių bei specifinių diagnostikos protokolų kūrimą. Numatomo darbo tyrimų tikslas – naudojant molekulinės biologijos metodus identifikuoti ir genetiškai apibūdinti ligų sukėlėją(-us) augaluose-šeimininkuose, įvertinti jų virulentiškumo faktorius.

Šis darbas prisidėtų įgyvendinant 2022–2026 m. Gamtos tyrimų centro mokslinių tyrimų ir eksperimentinės plėtros programą „Kenksmingų medžiagų, patogenų ir nepalankių veiksnių sklaida besikeičiančioje aplinkoje rizikos vertinimo ir aplinkos kokybės gerinimo kontekste (TARŠA)“.

Pastaraisiais dešimtmečiais vienas iš didžiausią grėsmę miškų ekosistemoms keliančių veiksnių – ypač spartus invazinių organizmų (patogenų, vabzdžių ir kt.) plitimas. Jį skatina klimato kaita ir intensyvi tarptautinė prekyba, tokiu būdu invazinės rūšys patenka į naujas teritorijas ir sukelia didžiulius ekonominius ir ekologinius nuostolius. Pripažįstama, kad vienas tokių invazinių patogenų – tai guobų (Ulmus L.) marą (angl. Dutch Elm Disease, santrump. DED) sukeliantys Ophiostoma (Ascomycota) grybiniai mikroorganizmai. Per pastaruosius 100 metų ši liga sunaikino milijonus guobų medžių visame pasaulyje. Yra skelbiama, kad guobų maro sukėlėjai greitai evoliucionuoja: tyrimais įrodyta, kad tarp O. novo-ulmi porūšių turimų genų vyksta hibridizacija. Todėl tikima, kad patogenai turi didelį potencialą sudaryti vis agresyvesnius hibridus, kurie išstums mažiau agresyvius, kaip kad nutiko su O. ulmi rūšimi – kai kuriose šalyse šis patogenas nebeaptinkamas arba aptinkamas labai retai, pavieniais atvejais.
Pagal naujausius tyrimus atliktus Lietuvoje – kol kas nustatyta tik viena O. novo-ulmi rūšis, t. y. O. novo-ulmi ssp. novo-ulmi porūšis ir dviejų porūšių hibridas O. novo-ulmi ssp. novo-ulmi x ssp. americana. Tačiau vis dar lieka neaišku, kokiu būdu jie yra susiformavę, kaip ir iš kur plinta (O. novo-ulmi ssp. americana taip ir nebuvo aptikta). Taip pat paskelbti tyrimai apie mikobiotos skirtumus lyginant sveikus ir DED pažeistuose medžiuose aptinkamus, tačiau buvo pasiremta tik pasireiškusiais požymiais, kurie buvo priskirti DED, tačiau nevertinta koks porūšis ir (ar) hibridas yra paplitęs ir ar tai irgi galėjo turėti įtakos mikobiotos skirtumams pažeistuose augaluose. Todėl reikalingi detalesni, platesnio masto tyrimai – doktorantūros tyrimų metu tikimasi palyginti šalyje aptinkamų patogenų turimas savybes. Darbų metu būtų kaupiamos žinios apie ligos epidemiologiją, biologines ir ekologines guobų maro sukėlėjo (ar sukėlėjų) savybes. Molekulinių tyrimų pagalba būtų tiriamos patogenų populiacijų savybės, tokiu būdu būtų gauta daugiau informacijos apie populiacijų struktūrą, hibridų formavimosi galimybes ir kitos savybės, taip pat būtų sukaupta daugiau informacijos apie patogeno plitimo biologiją ir galimus plitimo kelius.

Klimato kaitos sąlygojamų veiksnių poveikis Žemės organizmų funkcionavimui ir ekosistemų būklei yra šiuo metu globaliai aktuali tema. Manoma, kad klimato kaita sukelia dažnesnius ekstremalius reiškinius, įskaitant gausius kritulius, stiprų vėją, karščio bangas ir sausras, galinčius sutrikdyti augalų augimą ir padaryti augalus pažeidžiamesnius. Klimato kaitos tyrimai rodo, kad daugelis augalų ateityje patirs didesnį stresą ir bus mažiau produktyvūs. Prognozuojama, kad karštais auginimo sezonais žemės ūkio augalų derlius gali sumažėti keliomis dešimtimis procentų. Todėl augalų reakcijos į besikeičiančias sąlygas ištyrimas svarbus ne tik fundamentine, bet ir praktine prasme.

Tyrimais yra parodyta, kad aukštesnė nei įprasta temperatūra lemia fiziologinius ir morfologinius augalo pokyčius. Ji paspartina augalų gyvenimo ciklą, augalai subręsta greičiau, todėl kinta fotosintezės intensyvumas ir mažėja derlius. Klimato kaitos poveikyje keičiantis augalų konkurencinėms sąlygoms iškyla būtinybė stiprinti žemės ūkio augalų gyvybines galias. Trūksta informacijos, kaip stresinės sąlygos paveiks augalų fiziologines reakcijas ir kokios draugiškos aplinkai priemonės gali būti naudingos žalingam poveikiui reproduktyvių organų formavimuisi sumažinti.

Tyrimai bus vykdomi natūraliomis lauko sąlygomis ir modelinėmis sąlygomis laboratorijoje. Žemės ūkio augalų produktyvumą nulemiančių procesų valdymo priemonių paieškai bus naudojami biostimuliatoriai. Modelinių klimato kaitos sąlygų ir biostimuliatorių poveikis ekonomiškai naudingų augalų funkcionavimui ir produktyvumui bus vertinamas taikant fiziologinius-biocheminius ir morfometrinius metodus. Prognozuojamų klimato sąlygų modeliavimas leis tirti galimą poveikį išteklių tvarumui bei atlikti priemonių jo apsaugai paiešką.

Numatomas doktoranto dalyvavimas tarptautiniuose mokslo renginiuose, kursuose, mokymuose. Darbo rezultatai bus viešinami tarptautinėse mokslinėse konferencijose ir publikuojami mokslo žurnaluose referuojamuose Clarivate Analytics Web of Science (CA WoS).

Siekiant paspartinti augalų augimą ir padidinti jų konkurenciją su piktžolėmis, tiek visame pasaulyje tiek ir Lietuvoje naudojami herbicidai. Piktžolių konkurencija yra vienas iš svarbiausių biotinių streso veiksnių, lemiančių pasėlių produkcijos sumažėjimą. Yra nustatyta, kad herbicidai sukelia abiotinį stresą augalams. Įvairaus stiprumo abiotiniai ir biotiniai veiksniai turi įtakos augalų vystymuisi, augimui ir galiausiai jų produktyvumui. Pasėlių konkurencija su nepageidaujamomis augalų rūšimis lemia mažesnį derlingumą, nepaisant to herbicidai yra laikomi pagrindine efektyvia nepageidaujamų augalų – piktžolių naikinimo priemone šiuolaikinėje augalininkystėje, padedanti apsaugoti pasėlių derlių, ekonominį pelną ir mažinanti augalų tarpusavio konkurenciją. Herbicidų bendras sunaudojimo mastas nemažėja visame pasaulyje, įskaitant ir Lietuvą. Taigi, norint išvengti perteklinio herbicidų naudojimo, itin svarbu išanalizuoti  biologiškai aktyvių, ekologiškų preparatų naudojimo galimybes, siekiant paspartinti augalų augimą, eliminuoti nepageidaujamą herbicidų poveikį augalams, ir galiausiai, sumažinti herbicidų naudojimą žemės ūkyje. Šiam tikslui įgyvendinti gali pasitarnauti augalų probiotiniai preparatai, tačiau jų naudojimo potencialas dar nėra iki galo ištirtas. Būtina išsiaiškinti jų įtraukimo galimybes į augalų auginimo augalų auginimo biotechnologinius paketus, vykdant Europos žalio kurso strategiją, įtraukiant naujas technologijas vystant tvaraus ūkininkavimo politiką. Norint išsiaiškinti probiotinių preparatų potencialą, eliminuojant herbicidų sukeltą žalą augalams, bus atliekama biometrinių ir biocheminių (streso lygio markerių, fermentinės ir nefermentinės apsaugos sistemos ir hormoninės sistemos) parametrų analizė.