Нужни са общи действия на учени, фермери, правителства и обществени организации за справяне с проблема

През октомври миналата година Световната здравна организация (СЗО) публикува класация на гъбичните патогени, които могат да заразят хората. Много от тях са развили резистентност към лечението и стават много опасни. Повече от 1.5 милиона души умират всяка година от гъбични заболявания. Списъкът на СЗО е първото глобално усилие за системно приоритизиране на наблюдението, научните изследвания и развитието и интервенциите на общественото здравеопазване за гъбични патогени.

Гъбичките обаче представляват и друга голяма, макар и косвена, заплаха за човешкото здраве. Учените вече предупреждават, че изменението на климата ще доведе до увеличаване на гъбичните атаки срещу земеделските култури, което ще застраши световната продоволствена сигурност.

Стотици гъбични заболявания засягат 168 култури, определени като важни за храненето на хората от Организацията по прехрана и земеделие (FAO) на Обединените нации. Въпреки широко разпространеното пръскане с фунгициди и засаждането на сортове, селектирани да бъдат по-устойчиви на болести, всяка година производителите по света губят между 10 и 23% от своите култури от гъбични заболявания и още 10 - 20% след прибиране на реколтата.

Всъщност петте най-важни калорични култури - ориз, пшеница, царевица, соя и картофи - могат да бъдат засегнати от гъбички. Загубите се равняват на достатъчно храна, която би могла да осигури изхранването на до 4 милиарда души и да им осигури 2000 калории на ден за една година. Очаква се обаче тези загуби да се увеличат в условията на глобално затопляне.

В списък от 2019 г. на 137 вредители и патогени, класирани според въздействието, гъбите доминират от първо до шесто място при болестите, засягащи всяка от 5-те най-важни калорични култури. Пшеницата, например, се отглежда на повече площ от всяка друга култура и осигурява около 18% от всички калории, консумирани в световен мащаб. Но само заагубите на реколта в световен мащаб от болестотворната гъба Zymoseptoria tritici, причиняваща Septoria tritici, основният патоген по пшеницата в умерените райони, варират от 5 до 50%. Загубите, причинени от ръжда по стъблата на пшеницата - Puccinia graminis - която често се среща в по-тропически климат, варират от 10 до 70% от реколтата.

Основни култури, като банани и кафе, които в много страни осигуряват приходи за закупуване на калорични култури, също са уязвими към гъбични заболявания.

Перфектната буря

Гъбите са изключително ефективни патогени. Те произвеждат огромни количества спори. При някои видове те могат да се запазят в почвата и да останат жизнеспособни до 40 години. При други видове спорите във въздуха могат да се разпръснат на разстояния, вариращи от няколко метра до стотици или дори хиляди километри. Ръждата по стъблата на пшеницата, например, произвежда спори, които могат да пътуват между континентите. Много други гъби произвеждат изобилен брой спори по-локално, като разпространяват болестта вътре и между съседни полета.

Гъбите проявяват освен това феноменална степен на генетична вариация и пластичност. Проучвания през последното десетилетие, обхващащи целия геном, са установили голямо генетично разнообразие между и в рамките на различните видове гъби. Наблюдава се и хоризонтален трансфер на генетичен материал - в някои случаи между гъбични видове или между гъби и бактерии или растения.

Сегашните сериозни проблеми са възникнали, защото адаптивността на гъбите се е срещнала със съвременните земеделски практики.

Повечето монокултури включват огромни площи с генетично еднакви растения. Най-голямата монокултура в света е поле с повече от 140 000 декара генетично еднородна пшеница в Канада. Монокултурите осигуряват идеални места за хранене и размножаване на такава плодовита и бързо развиваща се група организми като гъбичките. Освен това все по-широко разпространеното използване на противогъбични препарати, насочени към един гъбичен клетъчен процес (например съединения, наречени азоли, са насочени към ензим, необходим за образуването на гъбични клетъчни мембрани), доведе до появата на резистентност към фунгициди.

Заедно азолите, стробилурините и инхибиторите на сукцинат дехидрогеназата (всички те са противогъбични средства с едно прицелно действие) съставляват повече от 77% от световния пазар на фунгициди. Нещо повече, между 2021 г. и 2028 г. се предвижда пазарът на фунгициди да нараства с около 4.9% годишно - до голяма степен благодарение на нарастващата употреба в страните с ниски доходи.

Нашествие в нови територии

Важен въпрос е как въздействието на гъбичните заболявания върху земеделските култури ще бъде повлияно от изменението на климата. Въпреки че се знае малко за реакцията на основните растителни патогени, повишаващите се температури в Северното полукълбо ще стимулират развитието на нови температурни толеранси в гъбичните патогени и установяването на патогени, които преди това са били ограничени до по-южните региони. Всъщност от 90-те години на миналия век гъбичните патогени се движат към полюсите с около 7 километра годишно. Производители в Ирландия и Англия вече откриват инфекции с ръжда по стъблата на пшеницата, които обикновено се срещат в тропиците.

Повишаването на температурите може също така да повлияе на взаимодействията между растенията и техните микробиоми, включително ендофитни гъбички, които живеят в растенията. Безобидните ендофитни гъби могат да станат патогенни, тъй като растенията променят своята физиология в отговор на промените в околната среда. Освен това толерантността към по-високи температури при гъбичките може да увеличи вероятността почвени патогени да прескачат гостоприемници и да станат патогенни при животни или хора.

Прогнозите за следващите 30 години са населението на Земята да достигне 9.7 милиарда души. Заради натиска върху хранителната система от нарастващата човешка популация, човечеството е на път да се изправи пред безпрецедентни предизвикателства пред производството на храни.

Възможното противодействие

По-добрата защита на културите от гъбични заболявания ще изисква много по-единен подход от постигнатия досега. Нужно е по-тясно сътрудничество между фермери, селскостопанската индустрия, селекционери на растения, биолози, правителства и политици, дори филантропски финансиращи организации.

Вече не е достатъчно да се съсредоточите върху изчистване или изгаряне на болни растителни тъкани, върху конвенционалните методи за отглеждане на растения с отделни гени за устойчивост на болести, или върху пръскането предимно с фунгициди с едноцелево действие. Производителите и другите заинтересовани страни трябва да използват различни технически иновации за по-ефективно наблюдение, управление и ограничаване на болестите по растенията. Вече се разработват или използват няколко подхода за защита на културите. В комбинация те могат да помогнат на фермерите да поддържат добивите си през следващите десетилетия.

Преди всичко е откриването и разработването на противогъбични средства. Разработването на фунгициди до голяма степен е основно в агрохимическата индустрия. Досега се разчиташе на случайно откриване на противогъбични средства след широкомащабно изследване на съединения, като страничните продукти на фармацевтичната индустрия. От 80-те години на миналия век се залага и на синтеза на химически варианти на известни съединения, като стробилурините и азолите.

Време е да се отдалечим от зависимостта от фунгициди с едно целево действие и да потърсим съединения, които са насочени към множество клетъчни процеси в патогена. През 2020 г. интердисциплинарен изследователски екип в Университета на Ексетър, Обединеното кралство, разкри интересна кандидат-молекула - липофилен катион, който е насочен към няколко гъбични процеса (включително синтеза на пренасящата енергия молекула ATP, както и като програмирана клетъчна смърт). Тази молекула осигурява значителна защита на културите срещу Septoria tritici blotch при пшеница, ориз и панамска болест при бананите.

Друг подход е да се увеличи разнообразието в земеделските полета. Засаждането на смеси от семена, които комбинират няколко сорта култури, носещи различни гени за устойчивост, може да забави еволюцията на патогените.

През 2022 г. при около 25% от общото производство на пшеница в Дания са използвани смесени сортове, които носят допълващи се гени за устойчивост на болести. Това съвместно начинание (включващо животновъди, фермери, еколози и учени) дава обещаващи резултати за намаляване на появата както на петна от Septoria tritici, така и на жълта и кафява ръжда, без да се стига до загуба на добив.

Особено важно е ранното откриване и наблюдение на заболяването. То включва използването на изкуствен интелект, сателити, инструменти за дистанционно наблюдение (като дронове). Трябват стимули, които да убедят фермерите да съобщават за болести, както и проекти за общностна наука, които ангажират обществеността при докладването на болести по растенията (както при културите, така и при дивите видове).

Данните, събрани чрез изкуствен интелект, научни проекти в общността и т.н., могат да бъдат интегрирани с климатични данни, получени от метеорологичните служби и да помогнат за създаването на модели, които прогнозират кога и къде ще се появят гъбични заболявания по растенията. По-точните прогнози биха могли на свой ред да помогнат за ранна намеса за ограничаване на загубата на реколта.

Друг подход е да се повишат устойчивостта на болести и имунитетът на растенията. Стандартните практики включват въвеждането в даден сорт на един или два гена, които придават резистентност към определено заболяване, известни като R гени. Патогените могат да преодолеят тази резистентност за няколко години. В същото време може да минат10-20 години докато нови сортове с гени, открити при изследванията, навлязат в практиката. Включването на два или повече R-гена може да разшири усточивостта към разнообразие от патогени. Но теренните проучвания сочат, че резистентността, постигната чрез това средство, може да бъде краткотрайна.

Повечето R-гени кодират протеини с нуклеотидно свързващо място и богата на левцин повтаряща се област, които действат като рецептори в растителната клетка. Тези рецептори разпознават определени молекули, произведени от патогени. Растенията обаче притежават по-ранна система за откриване на патогени, включваща извънклетъчни рецепторни протеини, които разпознават патогенни молекули, като хитин и глюкан, които присъстват в клетъчната стена на гъбичките. Тези рецептори са известни като рецептори за разпознаване на образи (PRR). Този тип „стимулиране на имунитета“ може да се комбинира с нови сортове, редактирани с R-гени, за да се осигури по-трайна и по-широка резистентност към основните патогени.

В Европа значителна пречка пред използването на този бърз и ефективен подход е обществената и политическа съпротива срещу използването на трансгенни растения.

Затова е възможно да се заложи на биологични препарати. Това са широка категория продукти, получени от живи организми. Точно както интересът към пробиотиците в медицината нарасна през последното десетилетие, така се увеличи и интересът към използването на биологични продукти за защита на културите. Това се доказва от прогнозирания ръст на инвестиции от правителствата и заинтересованите страни.

Стратегиите, които в момента се проучват, включват използването на живи антагонисти на растителни патогени, като гъбата Trichoderma spp., и пръскане на култури с естествени антимикробни съединения, като полиоксини, които инхибират синтеза на хитин (например цинкова сол на полиоксин D). Щамовете на Trichoderma могат да възпрепятстват гъбичните фитопатогени или индиректно, например чрез конкуренция за хранителни вещества и пространство, или директно, чрез паразитиране по гъбичките. През последното десетилетие изследователите са идентифицирали други гъбични и бактериални ендофити, които могат да помогнат за потискане на болестта.

Растенията не растат сами - те се свързват с различни микробни общности, които могат да играят роля в развитието им, в устойчивостта на стрес и на болести. През последното десетилетие нови методи разкриха съществуването на полезни микробни мрежи. Откритието, че някои микробни видове винаги се срещат съвместно, докато други никога не го правят, е съществено при проектирането на съобщества от микроби, които могат да бъдат внесени в почвата за насърчаване на растежа на растенията и подобряване на защитата от болести. Предизвикателство е пренасянето на тези открития от лабораторни условия на полето. Трябва обаче да се гарантира, че синтетичните, полезни микробни общности продължават да съществуват, след като бъдат въведени, че не влияят неблагоприятно на местните микробиоти или че самите те не стават патогенни.

Сериозни усилия на изследователи и новосъздадени технологични компании са насочени и към възможните начини за използването на РНК за по-добра защита на културите срещу гъбични заболявания. Става дума за системи за трафик, базирани на естествена РНК интерференция. Проучват се два възможни начина за използване на РНК.

Един от тях, наречен индуцирано от гостоприемника генно заглушаване, разчита на генетичната модификация на културите. Но този подход е дълъг, скъп и не може да бъде приложен в много страни, където генетично модифицираните растения остават забранени.

Затова основният фокус е върху индуцирано от пръскане генно заглушаване, при което РНК се прилага директно върху растенията като нова, екологична и негенетично модифицирана стратегия за защита на културите. Все още обаче са необходими изследвания, за да се разбере как тези външни РНК се поемат и транспортират между растителните и гъбичните клетки. Освен това, въпреки че се постига напредък в прилагането на РНК, остават въпроси относно стабилността на молекулите.

Нужен ли е глобален орган

за здравето на растенията

Между януари 2020 г. и януари 2023 г. Съветът за изследвания и иновации на Обединеното кралство е отпуснал около 686 милиона щатски долара за изследвания на COVID-19. През същия период са похарчени около 30 милиона долара за изследване на гъбични култури. Като се има предвид, че продоволствената сигурност поражда здраве и благополучие, селското стопанство и фермерите са несъмнено толкова важни за човешкото здраве, колкото медицината и доставчиците на здравни грижи.

Справянето със заплахата за човешкото здраве, породена от гъбични заболявания по културите, ще изисква по-голяма ангажираност с проблема и повече инвестиции в изследвания от правителства, филантропски организации и частни компании.

Международната конвенция за растителна защита (IPPC) е орган, подкрепян от FAO, който има за цел да защити световните растителни ресурси от патогени. Той е много по-малко известен от други органи, които се занимават със заплахи за човешкото благополучие, като СЗО. 180-те държави-членки, които са подписали договора IPPC, трябва да работят заедно, за да променят това.

Тъй като вирусите и бактериите доминират като агенти на човешки заболявания, те получават много повече внимание, отколкото гъбичките. И все пак в земеделието гъбичките са най-важните причинители на болести. Списъкът на СЗО с гъбични патогени, които заразяват хората, е стъпка към привличане на повече внимание. Но справянето с най-големите заплахи за продоволствената сигурност, а оттам и за човешкото здраве, трябва да включва преодоляване на опустошителните въздействия, които гъбите оказват и ще продължат да оказват върху доставките на храна в света.