Endofity traw
zagrożenie naszych łąk i pastwisk?
Użytki zielone dostarczają wartościowej paszy, a przebywanie bydła na pastwisku ma działanie prozdrowotne. Jednakże niekiedy trawy są zainfekowane grzybami, których toksyny mogą wywoływać zaburzenia zdrowotne zwierząt i spadek ich produkcyjności. Zatem na co należy zwrócić uwagę?
tekst: DR HAB. BARBARA WIEWIÓRA, PROF. INSTYTUTU; PROF. DR HAB. GRZEGORZ ŻUREK, INSTYTUT HODOWLI I AKLIMATYZACJI ROŚLIN – PAŃSTWOWY INSTYTUT BADAWCZY W RADZIKOWIE
zdjęcia RYSZARD LESIAKOWSKI
W Polsce trwałe użytki zielone zajmują powierzchnię ponad 3 mln ha i stanowią ok. 30% powierzchni kraju. Najważniejsze rolniczo i ekonomicznie gatunki traw występujące w runi użytków zielonych to: życica trwała (Lolium perenne L.), kostrzewa łąkowa (Festuca pratensis Huds.), kostrzewa czerwona (Festuca rubra L.) oraz kostrzewa trzcinowa (Festuca arundinacea Schreb.). Gatunki te uważane są za głównych gospodarzy grzybów endofitycznych, które należą do rodzaju Epichloë i są zdolne do bezobjawowego zasiedlania tkanek roślinnych. Do typowych endofitów należących do tego rodzaju zaliczane są gatunki: Epichloë festucae var. lolii, współżyjący z życicą trwałą, Epichloë coenophiala, zasiedlający kostrzewę trzcinową, i Epichloë uncinata, występujący w roślinach kostrzewy łąkowej. Ogólnie szacuje się, że ok. 290 gatunków traw może być gospodarzami endofitów, a w skali całego świata grzyby te mogą zasiedlać 20–30% gatunków traw. Grzyby przenoszone są z nasionami, w których grzybnia zasiedla głównie warstwę aleuronową. Obecność charakterystycznie poskręcanej grzybni w roślinach lub nasieniu mówi nam o zasiedleniu traw przez endofity (ryc. 1).
Skutki obecności grzybów endofitycznych w trawach
Efekty współżycia tych grzybów z trawami mogą być zarówno pozytywne, jak i negatywne. Do pozytywów należą wzbudzanie mechanizmów odporności traw na stresy abiotyczne (suszę, zawartość metali ciężkich w glebie) i biotyczne (szkodniki, nicienie i choroby), a także wyższa wartość użytkowa zasiedlonych przez endofity traw i większa ich konkurencyjność w stosunku do traw niezasiedlonych. Jest to korzystne zwłaszcza w przypadku upraw trawnikowych. Ujemne skutki obecności endofitów w roślinach to możliwość wystąpienia groźnych chorób u zwierząt żywionych takimi trawami. Choroby te są efektem spożywania paszy zawierającej metabolity grzybów endofitycznych. Naukowcy zidentyfikowali kilka alkaloidów odpowiedzialnych za słaby rozwój zwierząt pasących się lub karmionych trawami zasiedlonymi przez endofity. Wśród tych związków są alkaloidy sporyszowe (klawiny, kwas lizergowy i jego amidy, ergopeptyny), które są odpowiedzialne za występowanie u zwierząt hodowlanych choroby zwanej „fescue toxicosis”. Toksyny te są produkowane przez endofity zasiedlające kostrzewę trzcinową i życicę trwałą. Objawy toksyczności chronicznej powodowanej przez tę grupę metabolitów (spadek masy ciała, zmniejszenie produkcji mleka, zmniejszenie przyrostów dobowych) występują przy dawce 0,2–0,4 ppm (mg ergowaliny/kg s.m.), zaś objawy chorobowe – przy dawkach 0,3–0,5 ppm (dla koni) i 0,4–0,7 ppm (dla bydła). Po raz pierwszy w symbiotycznych roślinach życicy trwałej zidentyfikowano także lolitrem (diterpeny indolu, paxilina, paxitriole, lolitriol) i fakt ten powiązano z neurotoksycznością u zwierząt, powodującą „ryegrass staggers”, czyli kołowaciznę rajgrasową. Choroba objawia się spadkiem produkcji mleka oraz zaburzeniami ze strony układu nerwowego (m.in. porażenie tylnych kończyn, spazmy).
Z danych literaturowych wynika, że karmienie bydła paszą zawierającą już 0,05 ppm ergowaliny może istotnie wpływać na fizjologię zwierzęcia (np. wzrost temperatury ciała u bydła poddanego działaniu wysokiej temperatury powietrza w czasie upalnego lata). Progowe zawartości ergowaliny w diecie, które wywołują objawy kliniczne, w USA zostały oszacowane na poziomie 0,4–0,7 ppm u bydła, 0,3–0,5 ppm u koni i 0,8–1,2 ppm u owiec. Graniczne wartości dla tego alkaloidu jednak mogą się zmieniać, ponieważ środowisko również odgrywa rolę w rozwoju klinicznych objawów choroby powodowanej przez ergowalinę. Jakkolwiek już stężenie na poziomie 0,2–0,3 ppm może powodować wymierne efekty fizjologiczne, np. zmniejszenie produkcji mleka czy zmniejszenie masy ciała, i dlatego może być potencjalną przyczyną wpływającą na wydajność zwierząt gospodarskich.
W wielu krajach, np. w Nowej Zelandii czy Stanach Zjednoczonych, choroby zwierząt wywoływane przez endofity stanowią poważny problem, jednak okres, w którym alkaloidy występują w trawach w najwyższych stężeniach, może nie pokrywać się z czasem wystąpienia objawów chorobowych u zwierząt. Powodem jest kumulowanie alkaloidów w tkance tłuszczowej. Stopniowe uwalnianie ich z tkanki tłuszczowej (np. pod wpływem wysokiej temperatury) tłumaczy również występowanie przez pewien czas objawów chorobowych u zwierząt przeniesionych z pastwiska o dużej zawartości tych alkaloidów na pastwisko, na którym nie stwierdzono ich obecności. Alkaloidy wpływają również na pobieranie pokarmu przez zwierzęta. Badania przeprowadzone w USA wykazały, że bydło wypasane na pastwiskach, gdzie rośliny były zakażone endofitami, spędzało mniej czasu na pobieraniu pokarmu niż bydło wypasane na terenach wolnych od endofitów. Wynika z tego, że bydło preferowało rośliny wolne od grzybów endofitycznych. Pobieranie przez zwierzęta paszy zawierającej szkodliwe dla nich alkaloidy nie pozostaje również bez wpływu na wydajność oraz jakość produktów pochodzenia zwierzęcego. Wyniki badań uzyskane w Australii wskazują, że bydło wypasane na pastwiskach porośniętych życicą trwałą z wysoką zawartością lolitremu B wytwarzało mleko gorszej jakości: zawierające mniej tłuszczu i białka oraz więcej komórek somatycznych, niż mleko pochodzące od zwierząt, które wypasane były na pastwiskach wolnych od endofitów.
W Polsce również pojawiają się informacje o zatruciach krów mlecznych ergowaliną (Marczuk i in. 2019), a obserwowane objawy chorobowe to zmiany w kształcie ogona oraz zmiany chorobowe oczu (od wytrzeszczu przez ropne zapalenie spojówek do całkowitej ślepoty, spowodowanej zmętnieniem soczewki). Oprócz tego w opisywanym przypadku doszło do obniżenia dziennej wydajności mlecznej i obniżenia zawartości białka w mleku. Doniesienia te, w połączeniu z wynikami badań mówiącymi o powszechnej obecności w runi pastwisk traw zainfekowanych przez grzyby endofityczne, powinny skłonić hodowców bydła oraz innych roślinożernych zwierząt gospodarskich do monitorowania występowania ilości alkaloidów wytwarzanych przez endofity, zwłaszcza lolitremu B oraz ergowaliny.
Susza sprzyja produkcji alkaloidów przez grzyby endofityczne
Ważnymi czynnikami warunkującymi proces produkcji alkaloidów przez grzyby endofityczne są warunki klimatyczne (przede wszystkim ilość opadów atmosferycznych i temperatura powietrza) panujące na terenie, na którym występują trawy zasiedlone przez endofity. Na stężenie alkaloidów w roślinie wpływa zarówno genotyp rośliny, rodzaj zasiedlonej tkanki, jak i pora roku oraz abiotyczne warunki środowiska. Wyniki badań szklarniowych wykazały, że koncentracja alkaloidów sporyszowych, do których należy ergowalina, w kostrzewie łąkowej była istotnie wyższa przy zwiększonej dawce nawozów azotowych oraz wyższa w pochwach liściowych w porównaniu do blaszek liściowych. Wzmożona produkcja alkaloidów przez grzyby endofityczne następuje wtedy, gdy roślina zasiedlona przez endofita zostaje poddana stresowi wywołanemu suszą.
W ostatnich latach znaleźć można wiele informacji na temat ocieplenia klimatu, które w Polsce wyniosło 0,9°C średniorocznej temperatury powietrza, a także o występujących w naszym kraju suszach, które obejmowały znaczne obszary. Na pastwiskach coraz częściej obserwuje się miejsca, w których pomimo długich okresów suszy rosną zielone rośliny. Może to być spowodowane m.in. zasiedleniem ich przez grzyby endofityczne. W świetle tych danych problem endofitów nabiera coraz większego znaczenia, gdyż na terenach objętych głęboką suszą będą przeżywały tylko trawy zasiedlone przez endofity, a to może stanowić zagrożenie dla zwierząt.
Zainteresowanie prowadzeniem badań nad gatunkami grzybów endofitycznych zasiedlających trawy w Europie jest stosunkowo niskie. Ma to związek z rzadkim występowaniem przypadków chorób wywoływanych przez alkaloidy wytwarzane przez endofity wśród bydła w Europie. Jednakże europejskie trwałe użytki zielone, istotne z punktu widzenia produkcji zwierzęcej, zawierają w składzie runi gatunki traw (np. życicę trwałą, kostrzewę trzcinową) powszechnie zasiedlane przez grzyby z rodzaju Epichloë, a liczba gatunków traw zasiedlonych przez nie w Europie jest większa niż w przypadku innych kontynentów. Europejskie trwałe użytki zielone wykazują dużą różnorodność gatunkową, co może ograniczać potencjalny negatywny wpływ endofitów na zwierzęta.
Obserwacje w Polsce
W Polsce badania nad grzybami z rodzaju Epichloë były prowadzone dotychczas na niewielką skalę, chociaż wynika z nich, że mikroorganizmy te zasiedlają nasiona i rośliny powszechnie występujących gatunków traw. W badaniach przeprowadzonych w IHAR-PIB stwierdzono, że grzyby te często zasiedlają gatunki traw, zwłaszcza te o znacznej wartości żywieniowej. W trakcie badań przeanalizowano trawy zebrane na ponad 300 użytkach zielonych w Polsce i stwierdzono, że rośliny z 230 miejsc są zasiedlone przez te grzyby, co stanowi ponad 76% (rycina 2). Obecność grzybów endofitycznych obserwowano w roślinach ekotypów: życicy trwałej (Lolium perenne L.), życicy wielokwiatowej (Lolium multiflorum Lam.), kostrzewy łąkowej, kostrzewy czerwonej (Festuca rubra L.), kostrzewy trzcinowej, kostrzewy nitkowatej (F. capillata Lam.), kostrzewy olbrzymiej (F. gigantea L.), kostrzewy owczej (F. ovina L.), tymotki łąkowej (Phleum pratense L.), wiechliny łąkowej (Poa pratensis L.) oraz śmiałka darniowego (Deschampsia caespitosa (L.) P.B.). Gatunkami najczęściej zasiedlanymi przez endofity na krajowych trwałych użytkach zielonych były: życica trwała (ponad 30% frekwencja endofitów), życica wielokwiatowa (75%), kostrzewa łąkowa (74,5%), kostrzewa trzcinowa (37%), kostrzewa czerwona (ponad 40%) i kostrzewa owcza (23,5%). Wymienione trzy pierwsze gatunki należą do najwartościowszych traw pastewnych i są jednocześnie stałymi komponentami niemalże wszystkich mieszanek siewnych dostępnych na rynku krajowym.
Nasze dotychczasowe badania wskazują, że grzyby z rodzaju Epichloë zasiedlają również nasiona polskich odmian i mieszanek traw pastewnych. Przebadaliśmy ponad 360 prób nasion odmian i rodów różnych gatunków traw i stwierdziliśmy, że nasiona te są zasiedlone średnio na poziomie 6,2–6,8% dla kostrzewy czerwonej i tymotki łąkowej, 9,1% dla kostrzewy trzcinowej, 12,5–14,2% odpowiednio dla życicy trwałej i kostrzewy łąkowej oraz 32,6% dla nasion kostrzewy owczej. Przeprowadziliśmy także analizy nasion traw wchodzących w skład 10 mieszanek łąkowo-pastwiskowych dostępnych na rynku, które zostały zakupione w losowo wybranych sklepach branży ogrodniczo-nasiennej na terenie województw mazowieckiego i podlaskiego. Uzyskane wyniki wykazały, że we wszystkich badanych mieszankach, niezależnie od ich przeznaczenia i składu gatunkowego, obecne były nasiona zasiedlone przez grzyby z rodzaju Epichloë. Mieszanki charakteryzowały się zróżnicowanym stopniem zasiedlenia, wahającym się od 8,5% do 33,5%. Badania wykonane na komponentach gatunkowych mieszanek wskazały, że endofity występowały najczęściej w ziarniakach życicy trwałej (w 9 mieszankach na 10 badanych) i kostrzewy czerwonej (w 5 mieszankach na 7 badanych).
Znaczne zasiedlenie materiału siewnego mieszanek pastewnych dostępnych na rynku krajowym może być przyczyną niezamierzonego wprowadzenia endofitów na tereny dotychczas od nich wolne w trakcie zakładania bądź renowacji istniejących łąk i pastwisk. Jeżeli zaś wprowadzimy z nasionami endofity produkujące szkodliwe dla zwierząt alkaloidy, to jednocześnie stworzymy zagrożenie dla zwierząt hodowlanych. Badania przeprowadzone na pastwiskach obsianych życicą trwałą wykazały, że nawet jeżeli pastwisko zakładane było przy użyciu materiału siewnego wolnego od endofitów lub zasiedlonego w niewielkim stopniu, to w kolejnych latach użytkowania stopień zasiedlenia nasion wzrastał. Zjawisko to można tłumaczyć pozostałością w glebie nasion zakażonych endofitami lub selektywnością bydła w zjadaniu roślin zawierających endofity, szczególnie tych, które są zdolne do produkcji alkaloidów.
Przeprowadzone badania potwierdzają, że endofity zasiedlające trawy na terenie Polski są zdolne do produkowania ergowaliny, która jest jednym z trzech, obok lolitremu i peraminy, najczęściej wytwarzanych alkaloidów przez E. coenophialum i E. lolii. Wymienione gatunki endofitów zasiedlają zarówno trawy z rodzaju Festuca (kostrzewa), jak i należące do rodzaju Lolium (życica). Trawy te dosyć często występują w runi łąk i pastwisk na terenie naszego kraju, więc z dużym prawdopodobieństwem można przyjąć, że alkaloid ten może stanowić największe zagrożenie dla wypasanego bydła.
Badania wykonane w IHAR-PIB wykazały, że spośród 11 gatunków traw zasiedlonych przez endofity tylko w przypadku grzybów endofitycznych zasiedlających rośliny wiechliny łąkowej i tymotki łąkowej nie stwierdzono, aby wytwarzały one ergowalinę. W przypadku pozostałych badanych prób obserwowano znaczne zróżnicowanie w ilości produkowanego alkaloidu, wahające się średnio od 0,011 ppm dla życicy wielokwiatowej do 0,868 ppm dla kostrzewy trzcinowej. Jednocześnie stwierdzaliśmy znaczne ilości ergowaliny dla poszczególnych badanych prób, np. 1,517 ppm dla próby kostrzewy trzcinowej czy 1,058 ppm dla próby życicy trwałej.
Uzyskane w naszych badaniach wyniki (przedstawione powyżej) dotyczące zawartości ergowaliny w roślinach traw sugerują, że w niektórych przypadkach mogłoby to spowodować wystąpienie objawów chorobowych u bydła. Zostało to niedawno wykazane w pracy Marczuk i in. (2019), gdzie potwierdzono i opisano przypadki zatrucia ergowaliną w stadzie krów mlecznych, głównie rasy holsztyńsko-fryzyjskiej. Przedstawione fakty powinny skłonić zarówno naukowców, jak i hodowców bydła do zintensyfikowania prac mających na celu określenie, czy w niektórych przypadkach do zachorowań zwierząt oraz spadku ich wydajności nie przyczyniły się endofity traw i wytwarzane przez nie szkodliwe alkaloidy.
Zalecenia dla hodowców bydła
Potwierdzenie obecności grzybów endofitycznych w roślinach jest kłopotliwe z uwagi na brak jakichkolwiek objawów ich występowania. Jedynie badania polegające na oznaczeniu zawartości alkaloidów lub identyfikacja mikroskopowa charakterystycznej grzybni w tkankach roślinnych mogą być dowodem na ich obecność. Badania tego typu powinny być jednak zlecane jednostkom, które zajmują się tym rutynowo. Dla bezpieczeństwa spasanych na pastwiskach zwierząt należy mieć pewność, że użytki zielone oraz mieszanki nasion stosowane do ich zakładania bądź renowacji są wolne od grzybów endofitycznych. Jednocześnie wiedząc, że grzyby te przenoszone są głównie z materiałem siewnym, hodowcy bydła powinni wywierać presję na instytucje stanowiące prawo nasienne, aby zobligowały producentów mieszanek traw pastewnych do podawania informacji o obecności endofitów. Wprowadzenie konieczności umieszczenia takich informacji na opakowaniach z nasionami traw odmian pastewnych rejestrowanych w Polsce zapobiegnie wprowadzaniu endofitów na użytki przeznaczone do wypasu lub na paszę dla zwierząt.
