Нова концепція використання індукторів системної стійкості рослин при вирощуванні агрокультур
Синтетичні засоби захисту, які прямо впливають на клітину патогена, вважаються швидким і простим методом боротьби зі шкідниками та бур’янами в сільському господарстві, але їх використання може призвести до серйозних наслідків для здоров’я людини та навколишнього середовища. У першій частині статті доктора біологічних наук Сергія Хаблака висвітлено перспективи розроблення препаратів, що індукують системну стійкість рослин як альтернативи синтетичним ЗЗР.
Дослідження з усього світу показують можливий негативний вплив на здоров’я синтетичних засобів захисту, які зазвичай використовуються в сільському господарстві. Виявлено кореляцію між професійним впливом пестицидів і розвитком різноманітних захворювань, починаючи від респіраторних і закінчуючи різними видами раку. Тому світове сільське господарство потребує впровадження нової аграрної концепції щодо використання засобів захисту при вирощуванні культур, яка є більш безпечною для самих фермерів, людей загалом та навколишнього середовища.
Хімічний захист рослин традиційно був заснований на застосуванні пестицидів, токсичних для патогенних організмів. Використання фунгіцидів пройшло у своїй історії три етапи. Фунгіциди першого та другого поколінь (неорганічні та органічні контактні препарати) неспецифічні, мають широкий спектр дії на різні гриби і не пошкоджують рослини лише тому, що активно поглинаються грибними клітинами, але не проникають у тканини рослини через кутикулу. Ці особливості створюють труднощі в тактиці хімічних обробок, бо необхідно, по-перше, дуже ретельно покривати поверхню рослин, що обробляються, і, по-друге, багаторазово повторювати обробки. Фунгіциди третього покоління системні органічні препарати специфічні для окремих груп грибів та не токсичні для рослин. Вони проникають у рослини, поширюються у тканинах і вбивають патогенів, що містяться не тільки на поверхні, а й усередині рослини. Тому їх застосування значно зручніше, ніж застосування контактних фунгіцидів. Однак їхня сайт-специфічність (дія на окремі специфічні структури та ланки метаболізму) призводить до того, що модифікація чутливого сайту може призвести до часткової або повної втрати чутливості до препарату. Тому тривале застосування системних препаратів зазвичай призводить до втрати їх ефективності внаслідок накопичення резистентних штамів паразита.
Останнім часом розробляється четверте покоління засобів захисту. До складу цих препаратів входять речовини, дія яких спрямована не на знищення фітопатогенів, а на зниження їхньої патогенності та підвищення захисних властивостей рослин. Їх називають еліситорами або індукторами системної стійкості рослин, що представлені речовинами біотичної та абіотичної природи (ендогенні або екзогенні по відношенню до рослин), які розпізнаються рослинами як сигнали небезпеки та у відповідь на які культура запускає свої захисні механізми, здатні знизити наслідки біотичних та абіотичних стресів. Еліситори після їх розпізнавання рослинами запускають сигнальні системи, що призводять до експресії пов'язаних із захистом генів і, відповідно, підвищується стійкість рослин.
Еліситори відрізняються від традиційних синтетичних засобів захисту тим, що дія синтетичних пестицидів спрямована безпосередньо на патогени та комах, тоді як еліситори діють як сигнальні (тобто в дуже низьких концентраціях) речовини не на патогени, а безпосередньо на рослини, змушуючи їх повніше реалізовувати свій захисний генетичний потенціал шляхом індукції імунних відгуків. Унаслідок такого впливу рослина справляється з інфекцією та шкідниками за допомогою власних метаболітів. Крім індукції імунітету рослин, дія еліситорів поліфункціональна і також може бути безпосередньо спрямована на знищення фітопатогенів.
Такі препарати мають низку переваг порівняно зі справжніми фунгіцидами:
- Знижено небезпеку для людей, організмів, які не є мішенями дії препарату, та навколишнього середовища внаслідок високої специфічності та відсутності біоцидності агентів.
- Підвищення резистентності до хвороботворних агентів рослин-господарів, позбавлених генів стійкості, дозволяє використовувати найкращі з агрономічної точки зору сорти.
- Знижується небезпека накопичення резистентних до фунгіцидів штамів патогенів.
- Індукування стійкості на горизонтальному рівні створить більш тривалий захист рослин, ніж при застосуванні фунгіцидів, і вимагатиме нижчих концентрацій специфічних для господаря речовин.
- Більшість індукторів стійкості поліфункціональні, тобто знижують чутливість рослин до грибів, бактерій, вірусів, а іноді також до нематод і комах.
Для біоконтролю багатьох фітопатогенів успішно використовують бактерії роду Pseudomonas, що живуть у ризосфері (особливо часто вид Р. fluorescens), які належать до групи бактерій, що сприяють росту рослин (plant growth-promoting bacteria — PGPB). Наприклад, рослини огірка, томату та гвоздики, вирощені з насіння, обробленого спорами деяких бактеріальних штамів, значно менше уражуються збудниками листових плямистостей та фузаріозного вілта. Було встановлено, що одним із механізмів дії, що зумовлює захисний ефект цих бактерій, є індукована системна стійкість (ISR).
Біологізація рослинництва: наскільки вона реальна в умовах України. Чи можна протиставити біопрепарати та хімічні ЗЗР?
В останнє десятиліття індукована стійкість почала знаходити практичне застосування у захисті рослин. Ефективність препаратів, які індукують системну стійкість рослин, може перевершувати ефект стандартних пестицидів. При цьому збільшується рівень захищеності рослин від стресу та патогенів за одночасного збільшення врожайності та якості продукції. Це відкриває реальні перспективи переходу від небезпечних препаратів до сучасних біологічних методів захисту рослин від хвороб і шкідників. Потенціал такого напряму тільки починає відкриватися. Для його розвитку потрібне поглиблення і розширення фундаментальних досліджень молекулярних механізмів імунітету рослин, а також розроблення нової методології практичного застосування таких препаратів і створення систем захисту, що ґрунтуються на застосуванні засобів захисту, які індукують системну стійкість рослин.
У багатьох випадках захисний ефект від застосування грибних та бактеріальних антагоністів пов'язаний з їхньою здатністю продукувати речовини, токсичні для фітопатогенів (наприклад, антигрибні та антибактеріальні пептиди, такі як пептаіболи Trichoderma і Gliocladium, циклопептиди Pseudomonas) або ферменти, що перешкоджають їх росту (наприклад, хітінази, ендогалактоуронази та протеази, у тому числі субтилізин та інші серинові протеази). Антагонізм, зумовлений токсичними метаболітами та ферментами, прийнято називати антибіозом. Іноді до поняття антибіоз включають і здатність біоконтролюючих мікроорганізмів синтезувати сидерофори.
Результати досліджень молекулярних механізмів патогенності та стійкості при хворобах рослин показали, що деякі метаболіти біоконтролюючих мікроорганізмів, як і метаболіти фітопатогенів, розпізнаються рослиною та виступають неспецифічними еліситорами, що індукують у рослині системну набуту стійкість (SAR). Такими еліситорами є, наприклад, бактеріальні ліпополісахариди, флагеллін та білки холодового шоку, продукт часткової деградації грибного хітину — хітозан, деякі білки Trichoderma harzianum, T. viride, непатогенних штамів Fusarium sambucinum.
Захист рослин також може бути заснований на використанні прямого гіперпаразитизму деяких мікорорганізмів на фітопатогенних грибах. Такі гіперпаразити, як Trichoderma spp. та ооміцет Pythium oligandrum паразитують на грибних фітопатогенах, включаючи види родів Botrytis, Fusarium і Phytophthora, пригнічують розвиток збудників in planta. Якщо обробка рослин мікопаразитами передує їх зараженню, то її можна розглядати як один із видів перехресного захисту. Крім того, показано, що паразитичні для фітопатогенів мікроорганізми можуть брати участь у біоконтролі, індукуючи захисні відповіді в оброблених рослинах, у тому числі SAR (системна набута резистентність) та ISR (індукована системна резистентність).
З наведених вище прикладів слід відзначити, що один мікроорганізм може реалізувати одночасно кілька видів активності, що перешкоджає розвитку хвороби (антибіозис + індукувавння стійкості + мікорпаразитизм або ж антибіозис + індукування стійкості тощо). Таким чином, найбільш важливими механізмами біоконтролю як способу перехресного захисту є:
- Антибіоз внаслідок продукції мікроорганізмами-анатагоністами антибіотичних (антигрибних та антибактеріальних) сполук та ферментів, включаючи хітіназу.
- Конкурентна колонізація поверхні кореня, а також конкуренція за джерела заліза у ґрунті.
- Індукування системної набутої стійкості неспецифічними еліситорами антагоніста. Зокрема, ліпополісахариди бактерії є індукторами SAR у оброблених рослин. Багато штамів псевдомонад, що використовуються для біоконтролю, продукують 1-аміноциклопропан-1-карбоксилат (АСС) дезаміназу — регулятор рівня рослинного гормона етилена.
- Прямий паразитизм агентів біоконтролю, таких як штами Trichoderma spp. по відношенню до патогенних грибів.
Польові досліди свідчать про те, що обробка рослин біогенними еліситорами є високоефективною і позбавлена недоліків, властивих фунгіцидам. Вона характеризується:
- вищою екологічною безпекою, оскільки заснована на активізації природних механізмів стійкості рослин;
- системністю та тривалістю захисної дії, низькими концентраціями;
- участю у прояві стійкості багатьох захисних систем, що знижує ймовірність накопичення резистентних форм паразитів;
- комплексним захисним ефектом проти різних фітопатогенних грибів, бактерій, нематод і, можливо, вірусів;
- відсутністю токсичної дії на організми, які не є мішенями;
- відсутністю у врожаї токсичних хімічних речовин;
- у деяких випадках стимулюванням ростових процесів у оброблених рослин; ідентифікацією процесів ранової репарації.
Сергій Хаблак, агроном, д.б.н., співробітник Інституту харчової біотехнології та геноміки
Далі буде.
Читати також: Застосування інгібіторів азоту — одна з основних технологій вуглецевого землеробства
Думка редакції SuperAgronom.com може не збігатися з точкою зору автора. Редакція не несе відповідальності за достовірність і тлумачення наведеної інформації і виконує роль виключно носія.
