Моделирование корня болезни сельскохозяйственных культур

Появление желтеющих участков на поле сахарной свеклы — тревожный сигнал для фермеров. Это может означать наличие «корневого бешенства» (ризомании) и потенциальное снижение урожайности сахара на 50–60%.

Болезни вроде ризомании — впервые выявленной в Италии почти 60 лет назад и теперь встречающейся во всех основных регионах выращивания сахарной свеклы — частая и повторяющаяся проблема в растениеводстве, ежегодно снижающая потенциальные урожаи.

Селекция на устойчивость к болезням и применение пестицидов достигли значительных успехов в защите растений. Но такие стратегии не всегда осуществимы, особенно для новых эпидемий, для которых методы могут ещё не существовать. Другой путь, известный как сдерживание, — уничтожение урожая и запрет на дальнейшее выращивание культуры на заражённой ферме.

Оценка эффективности любой защиты урожая крайне важна. Математические модели, отслеживающие и прогнозирующие болезнь, такие как созданные профессором Крисом Гиллиганом и его командой в Департаменте наук о растениях, помогают предоставить политикам и регуляторам основу для принятия ключевых стратегических решений.

Ризомания сахарной свеклы — одна из многих болезней растений, которые смоделировали кембриджские учёные. Их работа в тесном сотрудничестве с государственными политиками из Департамента по вопросам окружающей среды, продовольствия и сельского хозяйства (Defra) помогла оценить эффективность стратегий сдерживания этой потенциально разрушительной болезни и обуздать потенциал будущей эпидемии.

Оставаться на шаг впереди вируса

«Сложность ризомании в том, что инфекция может протекать бессимптомно, а патоген — вирус некротического пожелтения жилок свеклы — может легко распространяться почвенным грибом через перемещение заражённой почвы, — объяснил профессор Гиллиган. — Фактически, к моменту, когда фермер обнаруживает симптомы на своих полях, он уже невольно экспортирует патоген на общей сельхозтехнике подрядчиков на поля соседей».

Энергичные меры по сдерживанию болезни, принятые Министерством сельского хозяйства, рыболовства и продовольствия (MAFF, ныне Defra), включали ежегодные обследования, уничтожение симптоматичных растений в масштабах поля и запрет на посев сахарной свеклы на поражённых полях. Сахарная промышленность ввела дополнительную меру в масштабах фермы: фермеры, обеспокоенные болезнью на соседней ферме, могли передать свою квоту на выращивание свеклы фермерам в регионах с меньшим риском.

Обе схемы были прекращены, когда появился частично устойчивый сорт сахарной свеклы. Однако вирус продолжает эволюционировать, и появился агрессивный штамм, преодолевающий устойчивость ранее резистентных сортов, что подчёркивает важность продолжения разработки устойчивых сортов и оценки эффективности стратегий контроля.

Математическая модель, разработанная группой Гиллигана, изучила относительный успех сдерживания в масштабах поля против масштабов фермы, используя данные о первоначальном заражении ризоманией в Восточной Англии в 2000 году.

Их симуляции смогли предсказать взаимосвязь между эффективностью сдерживания и поведением фермеров: как в плане их осведомлённости о болезни на полях соседей, так и в плане их нежелания рисковать (готовности передать свою квоту, как только соседи обнаружат ризоманию).

«Симуляции показывают, что подход в масштабах поля не предотвращает вторжение, потому что к моменту появления симптомов вирус уже распространился, — объяснил профессор Гиллиган. — Однако подход в масштабах фермы работает хорошо, при условии, что большинство фермеров продают свою квоту, как только их соседи обнаруживают болезнь. Интересно, что модель показывает, что эта стратегия устойчива к несоблюдению — для её работы должны соблюдать большинство, но не все фермеры».

Исследование по сопоставлению контроля с присущими эпидемии масштабами изначально финансировалось MAFF и British Sugar PLC. Теперь оно продолжается в разработке математического инструментария для прогнозирования результатов стратегий контроля с целью защиты сельскохозяйственных культур во всём мире и обеспечения продовольственной безопасности.