Биологическая защита растений

В диких фитоценозах растения окружены разнообразными микроорганизмами, находящимися в зоне корней (ризосфера, ризоплана) и на поверхности листьев (филлоплана). Коэволюция этих микроорганизмов привела к возникновению гомеостаза внутри микробиоценозов, высокой сбалансированности численности разных видов. Вследствие этого фитопатогенные виды испытывают сильное давление со стороны сапротрофов, получившее название супрессивности почвы, и не накапливаются до концентраций, угрожающих существованию растительных популяций. Кардинальные экологические изменения в агроценозах (монокультура, пахота, внесение удобрений и т.п.) привели к исчезновению одних групп микроорганизмов (например, базидиальных грибов, доминирующих в природных ценозах) и изменению концентрации других (накопление несовершенных грибов и оомицетов, среди которых много фитопаразитов). В результате этого произошло накопление до критических размеров патогенных видов, ускорение эволюционных процессов в их популяциях, приводящее к увеличению патогенности, расширению круга растений-хозяев, преодолению факторов устойчивости растений. Без хотя бы частичного возврата к прежним взаимоотношениям между микроорганизмами, восстановления супрессивности почвы и поверхности растений одним только жестким использованием пестицидов (которые, к тому же, уничтожают и сапротрофных микроорганизмов в ризосфере и филлоплане) решить эти проблемы на длительный срок невозможно. Указанные задачи решает биологическая защита растений, основанная на использовании естественных врагов и конкурентов или их метаболитов для снижения численности или патогенных свойств вредных организмов.

Объекты биометода

Паразиты и хищники - организмы, непосредственно использующие другие организмы в качестве пищевого субстрата. Как перспективные для защиты растений паразиты, так и их хозяева, относятся к разным группам организмов.

1. Микопаразиты. На грибах паразитируют многочисленные виды других грибов (микофилов) и вирусов (миковирусы). Многие из них, в частности, наносят вред культуре шампиньонов. Некоторые микофильные

грибы высоко специализированы и развиваются только на грибах из одного семейства или порядка. Таковы грибы из родов Darluca и Tuberculina, развивающиеся в пустулах ржавчинных грибов, или паразит мучнисторосяных грибов Ampelomyces (синоним Cicinobolus).

Более перспективны к использованию в биологической защите неспециализированные микопаразиты. Широко распространенные в различных почвах грибы из рода Trichoderma способны паразитировать на мицелии и склероциях многих видов грибов. В России и в некоторых других странах созданы фирмы, размножающие различные штаммы триходермы для использования в качестве биопрепаратов для защиты растений. А микопаразит Coniothyrium minitans эффективен в борьбе с белой гнилью подсолнечника, фасоли, гороха и салата. Производством его препарата занимаются фирмы в Германии и Венгрии.

В целом, для успешного использования микопаразитов необходимы некоторые сведения о популяционных параметрах партнеров [1]. Обозначим показателем а скорость гибели хозяина (вирулентность паразита); показателем r — скорость роста численности популяции хозяина; NT — максимальную численность популяции хозяина, зараженной микопаразитом; К — максимальную плотность незараженной популяции хозяина в данных условиях жизни. Чтобы применение биологической защиты дало положительный эффект, показатель а должен превышать показатель г, а показатель NT должен быть ниже показателя К. Отсюда вытекает, что для успешного использования биометода необходим низкий показатель r (против моноциклических болезней успех выше, чем против полициклических) и высокий показатель К.

Биологический контроль может быть успешным при условии, что скорость гибели свободноживущей стадии гиперпаразита (р) была бы низкой, а частота успешных заражений (v) — высокой. Факультативные паразиты и антагонисты, такие как грибы из рода Trichoderma, почвообитающие бактерии, способны существовать и даже накапливаться и в отсутствие фитопатогенов, т.е. имеют очень низкий показатель р и высокий показатель v, а их хозяева (почвенные грибы) — возбудители корневых гнилей, вызывают обычно моноцикличсскис болезни, т.е. показатель а обычно превышает показатель r. Все это свидетельствует о перспективности использования почвообитающих микроорганизмов в качестве агентов биологической защиты. У облигатных грибов — микопаразитов, паразитов ржавчинных и мучнисторосяных грибов — более высокие показатели р и v, а их хозяева — полициклические паразиты — имеют высокие показатели r. Поэтому эффективность их использования в качестве агентов биологической защиты растений от болезней сомнительна.

2. Фитопаразиты. Многие грибы — паразиты растений — перспективны для борьбы с сорняками. Подбором соответствующих видов и штаммов грибов и разработкой технологии их производства и применения занимаются в ВИЗР, ВНИИФ. В частности проводится работа по использованию фитопатогенных грибов для борьбы с борщевиком, размножение которого создало большие проблемы во многих регионах России [2].

3. Энтомопаразиты встречаются среди грибов, бактерий и вирусов. Впервые предложил использовать энтомопатогенные грибы для борьбы с вредными насекомыми знаменитый биолог И. И. Мечников. Он описал энтомопатогенный гриб Metarhizium anisoplae и создал в Одессе лабораторию по разведению грибов — паразитов насекомых. Сейчас во многих странах для борьбы с вредными насекомыми используют грибы из рода Entomophthora, а также анаморфы аскомицетов Beavena hassiana, Verticillium lecania и др.

Среди многих паразитирующих на растениях бактерий практическое применение нашел вид Bacillus thuringiensis, продуцирующий белок (5-токсин), высокотоксичный для насекомых, но не для растений и теплокровных животных. Размноженными в ферментерах клетками этой бактерии опрыскивали леса и поля, страдающие от массового нашествия насекомых-вредителей. Бактериальный ген, контролирующий синтез токсина, введен в геном некоторых сельскохозяйственных культур (картофеля, хлопчатника и т.д.) генноинженерными методами.

В некоторых странах (например, в Канаде) для борьбы с вредителями леса применяют вирусы — возбудители полиэдрозов и гранулезов насекомых.

4. Нематофаговые грибы. Многие почвенные сапротрофные грибы образуют свернутые в кольцо гифы мицелия. Если нематода случайно заползет внутрь такого ловчего кольца, то кольцо от контакта с се телом сжимается и начинает выделять ферменты, разрушающие покровы нематоды, которые постепенно растворяют все ее тело. Другие грибы охотятся на нематод с помощью разнообразных выростов мицелия — гарпунов, липких шариков и пр. При контакте с телом проползающей мимо нематоды они прилипают к ней и выделяют пищеварительные ферменты. Использование этих грибов перспективно для подавления концентрации свободно живущих в почве нематод, которые питаются корнями растений и переносят фитопатогенные вирусы.

Антагонисты — это организмы, которые занимают ту же нишу, что и паразиты, и вследствие более высокой скорости размножения или химического подавления вытесняют из нее фитопатогенов. С точки зрения перспективности для биологической защиты рассмотрим несколько групп антагонистов.

1. Конкуренты за сайты в клетках и тканях хозяев. Родственные вирусы, относящиеся к одной таксономической группе (см. гл. 1), интерферируют между собой. Это явление получило название перекрестной защиты и выражается в том, что в клетке, зараженной каким-либо штаммом вируса, последующее заражение родственным штаммом становится невозможным или ослабленным. В фитопатологии это явление, сходное по своему эффекту с вакцинацией, используется не столь интенсивно, как в медицине, так как слабо патогенный штамм вируса, которым вакцинируют растения для защиты от высоко патогенного штамма, может, во-первых, измениться в сторону повышенной патогенности, а во-вторых, вместе с некоторыми иными вирусами проявить не антагонизм, а синергизм (см. гл. 1). Тем не менее в некоторых странах получены положительные результаты от практического использования перекрестной защиты. В нашей стране этот прием внедрен в систему защиты тепличных томатов от ВТМ. В Институте общей генетики им. П. И. Вавилова РАН был выделен слабопатогенный штамм ВТМ, исследованы его биологические и молекулярные свойства и разработана методика защиты с его помощью помидоров от патогенных штаммов. Описанные выше опасности в данной методике сведены к минимуму:

ВТМ не распространяется насекомыми, поэтому патогенный мутант, даже возникнув, не сможет быстро распространиться;

— теплица представляет собой замкнутое пространство, в котором популяции растений и вирусов изолированы от других таких же популяций.

Подобный способ защиты от грибных патогенов предложен в лесоводстве. Возбудители корневых гнилей древесных пород — базидиомицеты корневая губка (Heterobasidium annosum) и осенний опенок (Armillaria spp.) — расширяют очаги поражения, заражая корни соседних деревьев мицелием, выходящим из зараженных уже корней. Новые очаги создаются базидиоспорами, ростки которых внедряются через свежеоголенную древесину. Особенно интенсивно заражаются свежие пни на вырубках. Для предотвращения этого разработаны технологии заражения свежих пней препаратами, содержащими споры и мицелий быстро растущих сапротрофных базидиомицетов (Poria giganthea, вешенка — Pleurotus spp.) на лесосеках. Аналогичное явление наблюдается с полевыми растениями: если их семена бросить па вспаханную почву, они прорастут и образуют всходы, а если на целинную, то никаких всходов не будет, так как место уже занято.

2. Продуценты антибиотиков и токсинов. Многие почвообитающие бактерии, актиномицеты и грибы в лабораторных и полевых опытах подавляют развитие фитопатогенных грибов, связанных с почвой. Например, некоторые штаммы псевдомонад супрессируют развитие возбудителя корневой гнили злаков Geumannomyces graminis вследствие выделения антибиотика феназина. Многие фирмы, как в России, так и за рубежом, производят препараты бактерий из родов Arthrobacter, Bacillus, Pseudomonas и некоторых других, рекомендуемые для защиты гвоздики от фузариоза, яблони от фитофтороза, табака и пшеницы от корневых гнилей, картофеля от смешанных гнилей клубней.

Токсичность бактерий можно повысить генноинженерными методами. Например, в штаммы бактерий, хорошо колонизирующих корни растений, перенесен ген токсинообразования из Bacillus thuringiensis. Инокуляция почвы такими штаммами защищала корни от поражения насекомыми. Многие актиномицеты продуцируют фермент хитиназу, разрушающий хитин в клеточных стенках грибов. Антагонизм, обусловленный токсичными метаболитами и ферментами, называют антибиоз.

Некоторые грибы и бактерии живут внутри растений. Эти эндофитные микроорганизмы также могут выделять токсичные для патогенов вещества. В гл. 1 было рассказано о грибах — эндофитах кормовых злаков, которые своими алкалоидами защищают растения от насекомых и жвачных животных. Кроме собственных антибиотических веществ эндофиты можно нагрузить дополнительными соединениями с помощью генноинженерных методов. Например, в ксилеме бермудской травы обитает бактерия Clavibacter xyli. В ксилеме кукурузы при искусственной инокуляции накапливается до 108 клеток этой бактерии на 1 г ткани стебля. Получены трансгенные штаммы эндофита, продуцирующие антигрибные вещества.

3. Конкуренты за железо. Железо играет центральную роль в энергетическом метаболизме аэробных микроорганизмов. Поэтому они конкурируют между собой за получение железа из дефицитных источников с помощью сидерофоров — низкомолекулярных соединений, хелирующих (связывающих) железо. В клетку металл передается через специфические рецепторы, находящиеся на мембранах. Разные сидерофоры имеют неодинаковую активность захвата железа. Например, катехол гидроксаматы флюоресцирующих псевдомонад имеют в 10 раз большее сродство к железу, чем гидроксаматы грибов. Каждый тип сидерофора может соединяться только с определенным рецептором, что обусловливает сложные конкурентные взаимоотношения в почвенном микробоценозе. Конкуренция за железо с почвенными бактериями приводит к подавлению прорастания спор грибов и роста гиф. Проводится отбор и селекция штаммов бактерий, имеющих высоко активные сидерофоры для биологической защиты растений от грибных патогенов.

Ингибиторы патогенных свойств паразитов растений. Некоторые микроорганизмы, значительно не влияя на жизнеспособность паразитов растений, снижают их патогенные свойства. Например, непатогенный штамм возбудителя бактериального увядания пасленовых Ralstonia solanacearum разрушает токсин — фузариевую кислоту — и тем самым защищает томаты от фузариоза.

Большой интерес представляет явление гиповирулентности грибов, вызванное заражением вирусами, которые имеют двухцепочечную РНК. Зараженные вирусом штаммы возбудителя рака каштанов Ctyphonecttia parasitica имеют пониженную скорость роста, слабую пигментацию мицелия, женскую стерильность (не формируются плодовые тела), уменьшенное конидиеобразование и потерю патогенных свойств. Поскольку вирус может передаваться от больных штаммов здоровым в результате слияния их мицелиев (анастомозам), была разработана технология обработки каштанов пастой, содержащей смесь гиповирулентных штаммов. Вследствие распространения вирусов в настоящее время в Европе более половины природных штаммов крифонектрии стали гиповирулентными.

Индукторы защитных реакций растений.

1. Микоризные грибы. Микоризованные грибами корни растений слабее поражаются возбудителями болезней, чем немикоризованные. Это обусловлено следующими обстоятельствами:

— при базидиальной (эктотрофной) микоризе грибные гифы образуют чехол вокруг корня механическую преграду на пути паразитов;

многие микоризообразующие грибы производят антибиотики, подавляющие рост фитопатогенов;

— проникая в корень, микоризные грибы индуцируют образование защитных веществ зараженным растением, препятствующих внедрению паразитов.

Именно поэтому микоризация растений — важный прием сельскохозяйственной биотехнологии. Во ВНИИСХМ созданы препараты и разработаны технологии микоризации растений.

2. Сапротрофы. Многие почвообитающие бактерии и грибы, населяющие ризосферу, не токсичны для фитопатогенных организмов, но защищают от них растения вследствие индукции защитных реакций самого растения. На некоторые выделяемые ими в процессе жизнедеятельности метаболиты растения отвечают возникновением так называемой системной приобретенной устойчивости (Systemic acquired resistance, SAR). Вследствие этого ризосферные микроорганизмы могут усиливать защиту не только против почвообитающих фитопатогенов, но и против грибов, поражающих надземные части растений — листья, цветки и т.и. Изучением механизмов индукции SAR почвообитающими микроорганизмами и использованием этого явления в защите растений от болезней интенсивно занимаются во многих научных учреждениях. В частности во ВНИИФ у непатогенного штамма гриба Fusarium sambucinum выделен белок, индуцирующий SAR; этот белок можно применять как биопрепарат или использовать для повышения системной неспецифичсской устойчивости растений генноинженерными методами.