基于病原体传播机制与途径的马铃薯传染病和寄生虫病生物风险水平评估方法学

本综述系统提出了一种基于病原体传播机制与途径参数的马铃薯传染病和寄生虫病生物风险定量评估方法。研究通过点值评分法对细菌、病毒、蠕虫和真菌等不同病原体进行威胁分析，建立了灵活的风险评估体系。该方法结合光学检测技术（如红外光谱、拉曼光谱等）与病原体数据分析，可显著提升病害诊断准确性，为开发综合性监测预警系统和制定作物保护措施提供科学依据，对保障粮食安全具有重要意义。

　　

引言

现代植物形态生理学研究方法需要综合性的手段。整合不同技术来实时获取植物生理和形态数据已成为行业共识，这种多方法融合的策略有助于及时发现病原体对植物生长的负面影响。实时监测植物病害不仅是保障粮食安全的关键环节——因为病原体不仅能摧毁作物，还会产生危害动物和人类的毒素——而且光学检测方法在此领域已展现出显著优势。与传统实验室方法（如聚合酶链反应(PCR)、酶联免疫吸附测定(ELISA)等生化技术）相比，光学分析具有非侵入性、快速、简便、成本较低等特点，能实现即时分析与结果输出。

常用的光学方法包括可见光和红外反射光谱、拉曼光谱、高光谱成像、时间分辨太赫兹光谱以及荧光检测技术。其中红外光谱和拉曼光谱在真菌病害诊断中应用最为广泛。然而，要开发全新的病害分析、诊断和预防方法，必须构建创新的植物感染风险评估体系。对马铃薯这种广泛种植的作物而言，土壤和有机肥料可能成为传染病与寄生虫病发生和传播的温床。

病原体对气候变化、消毒剂甚至专门培育的"抗病"品种的适应性问题日益突出。在医学领域，这一问题早在数十年前就已受到关注。随着抗菌化合物数量的增加，耐药菌株也呈现爆发式增长。在这场"竞赛"中，病原体占据明显优势：在合适条件下，新一代耐药细菌可在数日内感染植物材料，而新型抗菌药物或抗病品种的研发测试则需要数年时间。

此外，合成生物学技术的应用扩大了致病生物对象的范围，除了完整生物体外，还包括朊病毒（蛋白样感染颗粒）、插入序列(IS元件)、DNA转座子（细菌和真核生物）、逆转录转座子（病毒和非病毒）、质粒等移动遗传元件。有研究者指出，植物病害耐药菌株的增加与电磁污染水平（包括背景超高频辐射）之间存在相关性，推测电磁暴露可能以特定方式影响微生物的生理过程，改变其对环境逆境和植物检疫措施的抵抗能力。

化学诱导突变理论也得到广泛认同，该理论在研究耐药微生物菌株的出现以及细菌L-型的形成中得到证实。病毒复合体（如XA和XS复合体）会导致长期携带和慢性潜伏感染，使植物机体在病原体作用下缓慢而隐蔽地受损，最终可能引发继发感染或在干旱或营养缺乏导致免疫力急剧下降时造成致命中毒。因此，不仅需要开发抗病品种，还必须进行定期监测、威胁分析并对感染植株采取植物清除措施。只有采用综合方法解决由马铃薯高发病率引起的产量损失和种薯感染问题，才能最大限度减少传染病和寄生虫病对农业造成的年度损失。

材料与方法

传染病和寄生虫病的传播机制和途径多种多样，特定传播途径的流行程度取决于病原体的病因学、形态学和生理学特征。分析表明，马铃薯传染病和寄生虫病具有三种机制和五种传播途径。

通过生物风险因素传播机制和途径参数的简要描述，研究建立了Microsoft Excel数据库进行结果处理。

结果

基于病原体传播机制和途径参数的马铃薯传染病和寄生虫病生物风险评估方法包括以下阶段：首先分析感染源与特定病原体传播途径流行程度之间的关系；其次对传播途径在病原体扩散过程中的权重系数进行排序；最后根据传播机制和途径参数评估和排序生物风险水平。

感染源与传播途径关联性分析显示，马铃薯传染病和寄生虫病病原体的主要感染源为种植材料（40.4%）和土壤（46.1%）。其中土壤作为典型生境占11.5%，被真菌孢子污染的土壤占5.8%，含污染植物残留物的土壤占28.8%。活体载体作为感染源特征占7.7%，野生和杂草植物占5.8%。

传播途径权重排序确定了五种传染途径：生物性、接触伤口、接触表皮、接种性和机械性传播，其权重系数对应各途径的感染发生频率。

使用方程Y_rp = ∑(K_V^?K_mp)进行风险评估，其中Y_rp表示病原体感染风险水平，K_V为权重因子，K_mp为评级量表上传播机制和途径的重要性指标。根据计算结果，将每种病原体划分为对应特定生物风险水平的五个组别：2分以下为极低风险(VLR)；2-4分为低风险(LR)；5-7分为中等风险(MR)；8-10分为高风险(HR)；10分以上为极高风险(VHR)。

数据分析表明，细菌性病原体在传播机制和途径参数方面主要表现为低风险（33.3%）和中等风险（33.3%），而高风险（16.7%）和极高风险（16.7%）较为少见。中等风险水平主要见于植原体，高和极高风险则多见于引起各类腐烂病的种特异性植物病原体，包括在我国广泛传播的马铃薯褐色腐烂病原体（Ralstonia solanacearium，低温株系R2b3），该病原体为检疫对象。该组平均得分6.8，对应中等风险水平。

所有蠕虫病原体均表现为极高风险水平（组平均得分10.9）。茄科植物受多种蠕虫寄生，最常见的是线虫。由于储存和种植标准的违规操作，可能发生植物蠕虫病，如球孢线虫病（病原体：Globodera rostochiensis和Globodera pallida，TRL=10.7）、在一些国家被检疫的茎线虫病（病原体：Ditylenchus destructor Thorne，TRL=11）和根结线虫病（病原体：Meloidogyne hapla Chitwood，TRL=11）。

病毒性病原体在传播机制和途径参数方面主要表现为高风险水平（72.7%），18.2%为中等风险，仅9.1%具有低生物风险水平。该组平均得分7.8，对应高风险水平。值得注意的是，病毒复合体在病原体传染方面具有最大可塑性，这主要源于疾病临床症状表现的潜伏性。大多数病毒病原体的感染源是种植材料（63.6%），因为潜伏病毒形式在块茎收获和储存阶段几乎无法检测。病毒因子在马铃薯种植和发芽后激活，降低生产力并对产量产生不利影响。

活体载体（27.3%）也是病毒病原体的重要传染源：桃蚜（Myzus persicae传播L病毒和马铃薯Y病毒）和线虫Paratrichodorus minor、P. pachydernus、Tr. pachydernus、Trichodorus similis，这些线虫体内R病毒（Rattle virus/Tobacco rattle virus/Tobacco variegation virus/Tuber necrosis virus）的病毒粒子可保持带毒能力长达5年。

值得注意的是，对马铃薯帚顶病毒(PMTV)而言，感染源是被携带PMTV病毒粒子的粉孢菌（Spongospora subterranea）游动孢子污染的土壤。这些孢子在土壤中可存活长达18年，等待适宜的发芽条件。因此，马铃薯会感染复合病害（病毒+真菌）。

真菌病原体在传播机制和途径参数方面，75%表现为极高风险水平，10%为高风险，15%为中等风险。该组平均得分9.8，对应高风险水平，接近极高风险阈值。值得注意的是，真菌是马铃薯病原体中最广泛的类群。

最重要的真菌病原体包括：引起早疫病的Alternaria spp.(Yrp=10.6，摄入可能引起过敏)；引起马铃薯癌肿病的检疫性病原体Oospora pustulans(Yrp=10.6)；引起马铃薯"橡胶腐"的Endomyces geotrichum(Yrp=10.6)；引起疫霉病（疾病发展速率高）的Phytophthora infestans(Yrp=10.6)；引起茎溃疡病（可能成为具有严重后果和高产量损失的植物流行病）的Phoma exiqua(Yrp=10.6)；引起镰刀菌病（发展速率高，块茎受害时可能呈潜伏形式，对种植材料质量产生负面影响并威胁未来产量损失）的Fusarium spp.(Yrp=10.6)。

总体而言，根据传播机制和途径参数，10.9%的马铃薯传染病和寄生虫病病原体具有低风险水平，19.6%具有中等风险，26.1%具有高风险，43.5%具有极高风险。

风险等级与病原体分类学归属之间存在一定规律性：在低风险组中，80%的病原体具有细菌性病因，仅20%为病毒性；中等风险组中，44.5%为细菌性，33.3%为真菌性，22.2%为病毒性；高风险组中，66.6%为病毒性，16.7%为真菌性，16.7%为细菌性；极高风险组中，75%为真菌性，15%为蠕虫性，10%为细菌性。

通过俄罗斯植物保护中心2020-2024年的统计数据，分析了病原体传播生物风险水平与马铃薯病害发生面积之间的相关性。结果显示，过去五年中俄罗斯联邦最广泛的马铃薯传染病原体是晚疫病病原体Phytophthora infestans（五年平均年感染面积53.67公顷），其次是 Alternaria 属真菌引起的早疫病（45.04公顷），第三位是立枯丝核菌Hypochnus solani引起的丝核菌病（42.79公顷）。这些真菌性病原体均属于极高风险组(VHR-10.6)。

高风险组(HR-8.6)包括引起"花叶"和卷叶现象的病毒和病毒复合体：马铃薯X病毒、马铃薯S病毒(SX病毒复合体)、马铃薯A病毒(AX病毒复合体)、马铃薯M病毒、马铃薯K病毒（病毒复合体：MX、KX、MS、KS)，以及引起植物维管组织坏死——"黑胫病"的病原体（Pectobacterium属代表）。该组病原体的年平均感染面积相当，病毒性病原体为7.33公顷，细菌性病原体（P. carotovorum subsp. carotovorum、P. atrosepticum、P. carotovorum subsp. brasiliensis、P. wasabiae）为6.39公顷。

中等风险组(MR-6.5)包括引起卷叶现象的马铃薯卷叶病毒(PLRV)和引起斑驳花叶的马铃薯条纹病毒（Yo、Yn、Yc、Yntn、Ynw、Yz、Yze株系），这些病原体的五年平均年感染面积为3.31公顷。

讨论

光学方法在农业中应用广泛，与PCR、ELISA等传统实验室方法相比，光学分析具有非侵入性、快速、简便、成本较低等优势，能实现快速分析和结果输出。通过荧光和拉曼光谱技术，研究人员发现了致病性和非致病性真菌种类和菌株在光学特性上的差异，在激发-发射矩阵中存在两个显示最大差异的区域。

然而，这些研究未能确定侵染发生的性质，也无法评估植物间疾病传播情况。结合本研究开发的感染传播方法，将能够提供感染传播预测并制定消除其传播的预防措施。

国内外科学家对病毒、类病毒和病毒复合体引起的马铃薯疾病发生和传播进行了深入研究；对细菌性病原体（Clavibacter michiganensis subsp. Sepedonicus (Cms)、Ralstonia solanacearium (RS)、Candidatus Liberibacter solanacearium (Lso)、Pectobacterium、Dickeya、Bacillus、Pseudomonas属代表及Mollicutes纲植原体）对马铃薯的致病作用特点进行了探讨；对金线虫、苍白线虫和茎线虫引起的马铃薯疾病动态进行了研究和描述；对真菌性病原体（Colletotrichum atramentarium、Oospora pustulans、Streptomyces scabies、Spongospora subterranea、Helminthosporium solani、Synchytrium endobioticum、Phoma exiqua、Fusarium spp.、Pythium ultimum、Ascochyta lycopersici Brunaud及Alternaria、Verticillium等属真菌）对马铃薯的致病作用特点进行了分析。

现有研究成果显示了马铃薯疾病问题研究方法的多样性和深度。本方法涵盖了46种马铃薯病原体的特征，包括病毒性、细菌性、蠕虫性和真菌性病因。人工智能植物病害检测系统建模研究也为该领域提供了新的技术路径。

最终，将马铃薯植物病害检测领域的现代方法与本研究提出的方法相结合，将有助于开发综合性感染传播监测和预测系统，从而能够及时采取有效的作物保护措施。光学方法与病原体数据分析的结合将提高诊断准确性和预防效率，促进农业可持续发展。

结论

根据传播机制和途径参数对马铃薯传染病和寄生虫病发生和传播的生物风险水平分析与评估，可得出以下结论：

绝大多数病原体（26.1%高风险和43.5%极高风险）在传播机制和途径参数方面表现出高水平的风险特征。细菌性病原体主要表现为低风险（33.3%）和中等风险（33.3%），病毒性病原体主要表现为高风险（72.7%），真菌性病原体主要表现为极高风险（75%），蠕虫性病原体全部表现为极高风险（100%）。

病因学组在传播机制和途径参数方面呈现出与风险水平分组相关的规律性：低风险组中80%为细菌性病因；中等风险组中最典型的是细菌性（44.5%）和真菌性（33.3%）病因；高风险组中多数为病毒性病因（66.6%）；极高风险组中多数为真菌性病因（75%）。

高和极高风险水平最典型于引起各类腐烂病的种特异性细菌性植物病原体、植物蠕虫病、病毒复合体和真菌病。值得注意的是，病毒复合体和真菌在病原体传染方面具有最大可塑性，真菌是马铃薯病原体中最常见的类群。

病毒复合体的传染可塑性主要源于疾病临床症状表现的潜伏性。感染源是种植材料，因为潜伏病毒形式在块茎收获和储存阶段几乎无法检测。病毒因子在马铃薯种植和发芽后激活，降低生产力并对产量产生不利影响。

真菌传染的可塑性不仅源于疾病的高潜伏可能性，还源于孢子形成能力带来的高传播速率。孢子通过风和雨水长距离传播，导致田间植物传播和侵染的不可预测性，致使种植材料储存期间病原体检测困难。

病毒和真菌孢子对块茎的潜伏污染形式需要密切关注，因为受感染的种植材料质量较低，对未来产量损失构成威胁。因此，本研究团队提出的方法将增强监测、威胁分析以及马铃薯植物治疗和健康植株与感染植株分离措施的应用可能性。