Перспективные биотехнологические средства защиты растений

29.06.200956610
Возможность применения биологических объектов для защиты растений от фитопатогенов исследуется давно. Специалисты, занимающиеся этой проблемой, часто называют биологическую защиту растений с помощью других организмов биологическим контролем фитопатогенов [1, 2]. В списке таких организмов числятся и дождевые черви – продуценты уникального органического удобрения – биогумуса (вермикомпоста). Этот продукт жизнедеятельности дождевых червей и его водный экстракт (компостный «чай») хорошо зарекомендовали себя в качестве биопестицидов – препаратов, подавляющих рост и размножение фитопатогенных грибов [3-7], бактерий [8], нематод [9-12], насекомых [13-15].

Перечень работ, посвященных пестицидным свойствам вермикомпоста, несомненно, гораздо масштабнее. Примером тому может быть отчет Университета штата Канзас, в котором даются ссылки на многочисленные публикации, посвященные фунгицидным эффектам вермикомпостного «чая» [16]. Несмотря на это, в мировой практике биологической защиты растений с помощью вермикомпостов имеется лишь один коммерческий препарат – Антифунг (20% биогумус), разработанный в Польше [17, 18]. Причина такой ситуации кроется в недостаточной изученности механизмов фунгицидного действия вермикомпостов, многофакторном влиянии на качество компоста, разнообразии способов получения водных экстрактов вермикомпоста, неоднозначности результатов у разных авторов, нестабильности водных вытяжек, неотработанности способов сохранения их активности и др.

Среди ряда механизмов, лежащих в основе фунгицидного действия вермикомпоста и его водной вытяжки, ведущую роль играет микробное сообщество. В арсенале средств борьбы против различных групп микроорганизмов имеются антибиотики, ферменты и проч. Поэтому целенаправленное создание адекватных условий для преимущественного роста и размножения определенных микроорганизмов может способствовать накоплению продуцентов фунгицидных и фунгистатических веществ.

На современном этапе развития науки и практики индуцированный иммунитет растений приобретает все большее практическое значение в интегрированной системе защиты растений. Повышение устойчивости растений к болезням и вредителям под влиянием факторов биотической и абиотической природы представляет большой интерес для разработки альтернативных методов защиты растений. Индукторы, как правило, не обладают биоцидным действием, а воздействуют на вредный организм через растение, активируя его эндогенные защитные механизмы. Применение индукторов не сказывается отрицательно на экологии, не вызывает выработки у патогенов резистентности и часто кроме защиты от болезней и вредителей сопровождается повышением урожая культуры и его качества.

Вызывать приобретенную устойчивость могут биотические и абиотические индукторы. К биотическим индукторам относятся грибы, бактерии, вирусы или их продуценты, к абиотическим – химические вещества (биорегуляторы) или их смеси и физические средства (облучение, закаливание, воздействие магнитным полем, ультразвуковыми колебаниями и др.). Биотические индукторы получили название элиситоров.

Применение индукторов болезнеустойчивости растений является одним из эффективных приемов фитосанитарной оптимизации растениеводства. Препараты этого типа отличаются низкой токсичностью для полезной фауны, по эффективности действия на фитопатогенов зачастую не уступают фунгицидам химической природы, а меньшая стоимость и низкие нормы расхода делают их применение экологически выгодным. Использование индукторов болезнеустойчивости целесообразно как в системах интегрированной защиты растений, так и в экологизированных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур без применения или при ограниченном применении химических средств защиты.

В мировой практике защиты растений существует несколько коммерческих препаратов-индукторов болезнеустойчивости на основе элиситоров или сигнальных молекул [19]. Однако этот список не столь обширен, что связано с рядом причин. Одна из них – отсутствие в системе государственной регистрации класса индукторов резистентности растений как такового. Этот класс автоматически относят к пестицидам, что дискредитирует его и влечет за собой массу проблем бюрократического характера.

Другая причина – поиск учеными и исследователями элиситоров в достаточно труднодоступных объектах (например, хитин насекомых, крабов). К сожаленью, российская сельскохозяйственная наука незнакома или малознакома с тем, что вермикомпост может индуцировать системную резистентность растений к заболеваниям. В то же время имеются доказательства того, что компосты, как таковые, индуцируют системную резистентность растений к ряду заболеваний [20-24].

Что же касается дождевых червей, то имеются данные об их влиянии на повышение устойчивости растений к паразитам, в частности, к нематодам [25]. Важно отметить, что это влияние не связано с прямым воздействием на паразита, а ассоциируется с экспрессией в листьях генов, кодирующих ферменты липоксигеназу, фосфолипазу D и цистеиновую протеазу. В присутствии дождевых червей поражение риса нематодами достоверно снижалось на 82%.

С другой стороны, имеется множество работ по элиситорам, продуцируемым почвенными микроорганизмами, которые обнаруживаются и в вермикомпосте. Это наводит на мысль, что, благодаря этим микроорганизмам, вермикомпост должен индуцировать резистентность растений к заболеваниям. Основательных работ в этом направлении пока не проводилось. В литературе встречается упоминание, что опрыскивание растений гороха в фазе цветения вытяжкой вермикомпоста снижает заражаемость фузариозом на 6% по сравнению с контролем [26]. Однако авторы статьи не приводят данных, указывающих на то, что причиной снижения заболеваемости явилась именно индуцированная вермикомпостом устойчивость растений.

Учитывая ориентацию земледелия на применение экологически безопасных средств защиты растений, а также преимущества индукторов болезнеустойчивости на основе элиситоров, представляется целесообразным разработка нового препарата на основе вермикомпостов. Применение средств защиты растений, действие которых направлено на возбудителей заболеваний, рано или поздно приводит к формированию устойчивости патогенов к этим препаратам. Индукция резистентности растений к заболеваниям не имеет такого негативного последствия. Это перспективное направление в арсенале средств борьбы с фитозаболеваниями и паразитами растений.

Вермикомпост – это не только обогащенный питательными элементами субстрат, но и «живой» комплекс микроорганизмов, вносимый в почву. Поэтому взаимосвязь агрохимических параметров с численностью микроорганизмов и структурой микробоценоза удобрения является важным аспектом изучения свойств вермикомпостов и их влияния на агроценоз.

Значительная доля ценности вермикомпоста связана с населяющим его многочисленным и разнообразным сообществом микроорганизмов. Микробиота, попадающая с органическим веществом в пищеварительный тракт дождевого червя, подвергается своеобразному селективному отбору. Метаболический процесс переработки питательного субстрата червями оказывает значительное влияние на формирование структуры микробного сообщества в его конечном продукте – вермикомпосте. Для свежих копролитов характерно преобладание в них анаэробных форм микроорганизмов – деструкторов белков, целлюлозы, крахмала – над аэробными вследствие анаэробных условий в кишечнике дождевых червей.

Как показали результаты исследований [27], общая численность микроорганизмов изучаемого вермикомпоста была велика и составляла 80 000 000 000 клеток/г, при этом микробное сообщество отличалось достаточным разнообразием: 33 рода (44 вида).

В лучших образцах вермикомпоста в одном грамме насчитывается до 10 миллионов клеток микроорганизмов, что на порядок превышает численность микробов в навозе (в последнем содержится примерно 1,5-3,5 х 10 000 000 клеток). Ряд авторов считает состав микроорганизмов вермикомпостов сходным с микробоценозом черноземных почв. В вермикомпосте на основе навоза КРС наиболее активный рост свободноживущего азотфиксатора – азотобактера (Azotobacter chroococcum), который обогащает почву азотом. Здесь же преобладают грибы вида Trochoderma repens, играющие большую роль в деструкции целлюлозы.

Таблица.
Эколого-трофические группы микроорганизмов вермикомпоста на основе свиного навоза.


При рассмотрении эколого-трофических групп микроорганизмов (таблица). Было показано, что вермикомпост содержит большое количество анаэробных ферментаторов, осуществляющих деструкцию органического вещества до органических кислот, CO2 и H2. Доминирующими видами являлись Ruminicoccus sp. (21%), которые являются представителями нормальной микробиоты кишечного тракта млекопитающих, и Eubacterium sp. (17%) – характерные обитатели кишечного тракта свиней. В значительном количестве представлены Arthrobacter globiformis (10%) и микроскопические грибы (14%). В целом микробное сообщество можно считать сбалансированным по аэробно (44%) - анаэробным (56%) видам.

Основную массу микроорганизмов в копролитах дождевых червей составляют неспоровые бактерии (70%).

В созревшем вермикомпосте заметно увеличивается доля псевдомонад, актиномицетов, микроорганизмов, участвующих в трансформации органических и минеральных фосфатов, нитрификаторов, аэробных целлюлозоразрушающих, а также микробов, способных к деградации гумусовых веществ.

Общее количество анаэробных видов в вермикомпосте превышает численность аэробных, как и в навозе. Однако количество псевдомонад увеличивается в готовом продукте в 5 раз и суммарное количество аэробных грамотрицательных видов (Pseudomonas aeruginosa, Sphingomonas sp., Flavobacterium sp., Stenotrophomonas maltophilia) в вермикомпосте выше, чем в навозе, более чем 2 раза.

Применение зрелых вермикомпостов, колонизированных мезофильными бактериями и грибами, проявляется в увеличении биологического разнообразия почв. Микробное разнообразие усиливает стабильность агроэкосистем путем снижения содержания патогенных популяций. Установлено, что активность фермента дегидрогеназы – показателя микробного дыхания – в вермикомпостах в 100 раз выше, чем в искусственной среде роста Metro-Mix. Отмечено заметное повышение активности и других ферментов – бета-глюкозидазы, уреазы.

Существенный рост количества микоризной популяции корней бобов наблюдался при внесении в почву компостированного навоза, причем отмечена своеобразная динамика: если на 21-е сутки выращивания бобов колонизация составляла всего лишь 5%, то на 66-е сутки она возросла до 58%.

Высокое содержание полезной микрофлоры в компостах и вермикомпостах позволяет проводить биологический контроль патогенных грибов. Биоконтроль проводится посредством активации и взаимодействия почвенных микроорганизмов, которые конкурируют с патогенными микроорганизмами за источники или продукцию антибиотиков. Патогенные споры в обогащенных компостами почвах более густо покрыты полезными грибами и бактериями, что ограничивает их инфекционность. Эти полезные популяции часто паразитируют на гифах патогенных грибов. Кроме того, потребляя аминокислоты, углеводы, летучие спирты и альдегиды, выделяемые корнями и тканями растений, разлагающимися растительными остатками, полезная микрофлора уменьшает источники питания, необходимые для прорастания спор грибов.

В то время как антибиозис и конкуренция за источники питания со стороны полезной микрофлоры ведут к уменьшению количества патогенных грибов, происходит увеличение количества ростостимулирующих ризобактерий [plant growthpromoting rhizobacteria (PGPR)], что ведет к росту индуцированной системной резистентности растений (ISR). ISR означает супрессию заболеваний растений посредством усиления физиологической защиты против грибов, бактерий, вирусов. Преимущественно за счет присутствия Bacillus spp. и Pseudomonas spp. происходит увеличение количества и активности ферментов хитиназы, бета-1 и 3-глюканазы, пероксидазы и других патогенобусловленных протеинов, а также аккумуляция антимикробных низкомолекулярных субстанций и образование протективных биополимеров растений (лигнин, каллоза, гликопротеины).

Шаланда А.В., к.б.н., для журнала «Коммерческая Биотехнология»

Список литературы


1. Боронин А.М. Ризосферные бактерии рода Pseudomonas, способствующие росту и развитию растений. //Соросовский образовательный журнал. – 1998. - №10. – С.25-31.
2. Помазков Ю.И., Заец В.Г. Биологическая защита растений (краткий курс). Для студентов III курса специальности «Агрохимия». – М.: Изд-во РУДН, 1997. – 116с.
3. Szczech M., Rondomanski W., Brzeski M.W., Smolinska U., Kotowski J.F. Suppressive effect of a commercial earthworm compost on some root infecting pathogens of cabbage and tomato. //Biological Agriculture and Horticulture. – 1993. – Vol.10. - #1. – P.47-52.
4. M.M.Szczech. Suppressiveness of Vermicompost against Fusarium Wilt of Tomato. //J.Phytopathology. – 1999. – 147. – P.155-161.
5. Szczech M., Smolinska U. Comparison of Suppressiveness of Vermicomposts Produced from Animal Manures and Sewage Sludge against Phytophthora nicotianae Breda de Haan var.nicotianae. //J.Phytopathology. – 2001. – Vol.149. - #2. – P.77-82.
6. Rivera M.C., E.R. Wright, M.V. Lopez, D.Garda, M.Y. Barrague. Promotion of growth and control of damping-off (Rhizoctonia solani) of greenhouse tomatoes amended with vermicompost. //International Journal of Experimental Botany. – 2004. – P.229-235.
7. Rivera M.C., Eduardo R.Wright, M.V.Lopez, M.C.Fabrizio. Temperature and dosage dependent suppression of damping-off caused by Rhizoctonia solani in vermicompost amended nurseries of white pumpkin. //International Journal of Experimental Botany. – 2004. – P.131-136.
8. M.S.Krause, T.J.J. De Ceuster, S.M.Tiquia, F.C.Michel Jr., L.V.Madden, H.A.J.Hoitink. Isolation and Characterization of Rhizobacteria from Composts That Suppress the Severity of Bacterial Leaf Spot of Radish. //Phytopathology. – 2003. – Vol.93. - #10. – P.1292-1300.
9. .Q.Arancon, C.A.Edwards, S.S.Lee. Management of plant parasitic nematode populations by use of vermicomposts.
10. S.Varadarasan, L.S.Ranganathan. Management of plant parasitic nematodes in cardamom with organic amendments. //Spice India. – July 2005.
11. S.Varadarasan, L.S.Ranganathan. Management of plant parasitic nematodes in cardamom with organic amendments. //Spice India. – July 2005.
12. Blouin M., Zuily-Fodil Y., Pham-Thi et al. Belowground organism activities affect plant aboveground phenotype, inducing plant tolerance to parasites. //Ecology Letters. – 2005. – Vol.8. - #2. – P.202-208.
13. S.Sharma, K.Pradhan, S.Satya, P.Vasudevan. Potentiality of Earthworms for Waste Management and in Other Uses – A Review. //The Journal of American Science. – 2005. – 1(1). – P.4-16. http://www.americanscience.org
14. Hendrik C. Eksteen. The importance of no-till and mulch as integral farming practice to control pests in organically grown crops. – Материалы II Международной конференции «Дождевые черви – источник плодородия». – Владимир, 2004.
15. N.Q.Arancon, P.A.Galvis, C.A.Edwards. Suppression of insect pest populations and damage to plants by vermicomposts. – 2003. http://www.sciencedirect.com
16. Chandrappa Gangaiah. Suppression of septoria leaf spot (Septoria lycopersici) and early blight (Alternaria solani) of tomato using aerated compost tea. – Kansas State University. Department of Horticulture. College of Agriculture. – 2004.
17. http://www.marolex.ru/htm_pl/porady_2003-01.htm
18. Дружневска Й. Пригодность биопрепаратов для ограничения Rhizoctonia solani. – Conference “Biological method in Integrated Plant Protection and Production”. – Poznan, Poland. – 15-19 May 2006.
19. С.Л.Тютерев. Индуцированный иммунитет – новое направление в интегрированной защите растений. – Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Индуцированный иммунитет сельскохозяйственных культур – важное направление в защите растений». – Большие Вяземы Московской области. – 2006. – С.8-11.
20. B.Pharand, O.Carisse, N.Benhamou. Cytological aspects of compost-mediated induced resistance against Fusarium crown and root rot in tomato.//Phytopathology. – 2002. - #92. – P.424-438.
21. W.Zhang, W.A.Dick, H.A.Hoitink. Compost-induced systemic acquired resistance in cucumber to Pythium root rot and anthracnose.// Phytopathology. – 1996. - #86. – P.1066-1070.
22. W.Zhang, D.Y.Han, W.A.Dick, K.R.Davis, H.A.Hoitink. Compost and compost water extract-induced systemic acquired resistance in cucumber and Arabidopsis. //Phytopathology. – 1998. - #88. – P.450-455.
23. H.A.J.Hoitink, M.S.Krause, O.Y.Han. Suppression of plant diseases by composts.//HortScience. – 1997. – 32. – P.184-187.
24. M.S.Krause, T.J.J. De Ceuster, S.M.Tiquia et al. Isolation and characterization of Rhizobacteria from composts that suppress the severity of bacterial leaf spot of radish. //Phytopathology. – 2003. – V.93. - #10. – P.1292-1300.
25. M.Bloin, Y.Zuily-Fodil et al. Belowground organism activities affect plant aboveground phenotype, inducing plant to tolerance to parasites.//Ecology Letters. – 2005. – V.8. - #2. – P.202-208.
26. Н.Е.Павловская, В.И.Зотиков, Г.А.Борзенкова, Е.Ф.Захарова, Н.И.Ботус. Индуцирование устойчивости зернобобовых культур. //Защита и карантин растений. – 2006. - №10. – С.22-23.
27. Н.В. Кузьмина, О.В. Никифорова, Н.В. Верховцева. Влияние вермикомпостов на свойства дерново-подзолистой почвы и продуктивность агроценоза. //Материалы научно-практической конференции «Дождевые черви и плодородие почв». – Владимир, 2004.

Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Вернуться к списку статей