雨中漫步丨雨滴飞溅竟能传播植物病害

雨中漫步丨雨滴飞溅竟能传播植物病害【蔬菜卫士报 2001】

2019年美国康奈尔大学Sunghwan Jung课题组在PNAS杂志发表了题为“Vortex-induced dispersal of a plant pathogen by raindrop impact”的研究论文。该研究揭示了雨水撞击叶片形成的涡旋可传播病叶表面上的病原菌，这种涡旋使孢子散播至空气中，易于在植物界进行长距离传播。

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植物病原菌可以随空气进行长距离传播，这种传播可达数千米甚至跨越大陆。前期研究表明，下雨后会增加空气中锈菌孢子浓度，空中干燥孢子可在空气中停留长达数小时，从而为锈菌的长距离传播奠定基础。

该文以小麦叶锈菌为例，首先观察记录锈病孢子经雨滴形成的两种释放类型（图1）。1）经雨滴撞击后，部分孢子包裹雨滴并下落为“飞溅水滴”，见图1C中“Splash droplet”；2）雨水撞击叶片震荡后释放干燥孢子，见图1B中“Dry spores”。后者得出雨滴冲击后形成的数量和散播距离（图1D和E），雨滴下降速度越快，弹射出孢子数量越多、散播距离越远。后者释放类型强于前者。

作者模拟病菌传播理论飞行轨迹，玻璃珠模拟病菌孢子飞行原理，发现该现象差异较大（图2）。原因在于水滴冲击后孢子的轨迹符合弹道轨迹（ballistic trajectory），但随后形成一个涡旋（图2A、图3），推测这种涡旋是由水滴冲击叶片表面时形成的气流引起。

下面是用烟雾发生器观察了涡旋的形成（图4）。水滴接触叶片表面后向外伸展（图4B），同时形成气流，气流的速度和水滴下降速度成正比。水滴伸展长度达到最大半径时形成涡旋沿边界层横向扩散，这种涡旋形成后在20毫秒内立即消失（图4E），涡旋消失后在重力作用下沉降，从而形成图2A中的轨迹。

此外，本文介绍将涡旋运动、孢子的数量、惯性力、空气阻力考虑在内，重新模拟了孢子的运动方程，利用该方程计算得到的孢子轨迹与实际观察轨迹符合度较好（图5）。

综上所述，该研究表明雨滴冲击叶片时形成的涡旋对于病原菌的散播具有重要作用，这种涡旋使得孢子长距离传播病菌。当雨滴冲击锈菌侵染的病叶，雨滴撞击孢子导致叶子表面病菌释放，随后孢子遵循由雨滴形成的空气涡旋辅助的旋转轨迹。最后，水滴推动孢子行进更长的距离，从而到达边界层外被风吹走。通过这种由涡旋引起的扩散途径，锈菌孢子可从感病植株长距离传播至健康植株，甚至其他种植区或跨越大陆。

论文链接：https://www.pnas.org/content/116/11/4917

编译：陈利达  中国农业科学院蔬菜花卉研究所

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