Борьба с губительной болезнью сельхозкультур с помощью математики
Международная группа исследователей использовала математическое моделирование для поиска новых способов борьбы с некрозом смертельным кукурузы (maize lethal necrosis, MLN) — новой болезнью, представляющей серьёзную угрозу продовольственной безопасности в Африке к югу от Сахары.
MLN возникает в результате взаимодействия двух вирусов: вируса крапчатости кукурузы (maize chlorotic mottle virus, MSMV) и вируса из группы потивирусов, часто — вируса мозаики сахарного тростника (sugarcane mosaic virus, SCMV). Традиционное моделирование фокусировалось на изучении только одного вируса за раз. Смоделировав совместное распространение этих двух вирусов-коинфектантов в течение и между сезонами выращивания, команда пролила новый свет на болезнь, что поможет фермерам эффективно с ней бороться.
Исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Phytopathology, показывает, что лучший способ контроля MLN — это комбинация севооборота, использования свободного от вирусов «чистого семенного материала», выбраковки больных растений и контроля насекомых-вредителей. Также были выявлены различия в возможностях крупных и мелких производителей по предотвращению потерь урожая кукурузы.
«Крупные производители имеют больше средств на инсектициды и покупку чистого семенного материала, что может значительно снизить уровень заболевания. Севооборот — важная составляющая контроля для мелких фермеров — прерывает передачу вируса от сезона к сезону, но требует координации между фермерами, чтобы вирус не накапливался на соседних полях. К сожалению, без значительных инвестиций в обучение фермеров это остаётся более реалистичным для крупных хозяйств, которые, как правило, лучше организованы и имеют большие площади», — сказал доктор Ник Каннифф, эксперт по математической биологии из Кембриджского университета.
Моделирование эффектов двух вирусов, заражающих одно растение, проводится редко, несмотря на частоту такого явления в реальном мире. Этот подход актуален для других регионов мира, где MLN становится угрозой для производства кукурузы, например, Юго-Восточной Азии и Южной Америки. Он также может помочь в борьбе с другими губительными болезнями растений, вызываемыми комбинациями патогенов, такими как вирусная болезнь батата в Африке или тунгро риса в Азии.
«Мы разработали новую основу для моделирования вирусов-коинфектантов, даже когда доступно не очень много биологической информации. Когда два вируса заражают растение, они могут взаимодействовать, вызывая гораздо более серьёзные симптомы и большие потери урожая. Если вы фермер, зависящий от дохода с выращиваемой кукурузы, заражение MLN может быть разрушительным», — отметил Каннифф.
Кукуруза — одна из основных продовольственных культур в Африке к югу от Сахары. MLN распространяется в Кении последние шесть лет, вызывая потери урожая до 90% в наиболее пострадавших регионах. Это влияет не только на доступность пищи, но и на местные доходы и занятость. Исследование было сосредоточено на MLN в Кении, где потери урожая особенно высоки, хотя болезнь распространилась и на другие страны Африки. Заражённые растения погибают преждевременно или часто оказываются бесплодными, что резко снижает урожайность. Большая часть кукурузы в стране производится на мелких и средних фермах, которые менее способны противостоять угрозам своему производству, чем крупные ресурсоёмкие хозяйства.
Исследование стало результатом работы группы NIMBioS по многоуровневым вирусным патогенам растений, в которую вошли математики, экологи, фитопатологи и эволюционные биологи. Работа финансировалась Национальным институтом синтеза математической и биологической науки.