Проблемы резистентности и стратегия применения системных фунгицидов

Системные фунгициды не содержат недостатков, присущих контактным. Они проникают внутрь растения и мигрируют в нем, убивая находящийся там мицелий. В связи с этим не обязательно, во-первых, добиваться тщательной обработки всех наземных частей растения, во-вторых, столь же ответственно относиться к выбору сроков первого и последующих опрыскиваний и, в-третьих, можно уменьшить число обработок, так как фунгицид, находящийся внутри растения, сохраняется дольше, чем на поверхности. Поэтому открытие первых системных фунгицидов было с энтузиазмом принято аграриями. Однако уже через несколько лет появились сообщения, что в ряде мест системные фунгициды перестали защищать растения от болезней. Выделенные из этих мест штаммы фитопатогенных грибов проверили в лаборатории и обнаружили, что эти ранее высокотоксичные препараты на них не действуют. Грибы приобрели к фунгицидам резистентность. Фитопатологи столкнулись с проблемой, с которой ранее пришлось считаться энтомологам (муха потеряла чувствительность к ДДТ, а паутинный клещик — к фосфорорганическим инсектицидам), а еще ранее — врачам (лечение болезней антибиотиками вызвало привыкание к ним патогенных бактерий — стафилококков, стрептококков и др.).

Фитопатологи ранее с этим явлением практически не встречались, так как использовали, по преимуществу, контактные фунгициды, большинство которых имеет настолько широкий спектр своего воздействия на клетки, что возникновение резистентности к ним — явление маловероятное. Если препарат, подобно фунгициду каптану, взаимодействует с серосодержащими группами в белке, то он будет разрушать любой белок, так как все белки имеют в составе содержащие серу аминокислоты, а если он, подобно тяжелым металлам, разрушает клеточные мембраны, то будут страдать от него любые клетки. Такие препараты называются мультисайтовыми (полисайтовыми), ибо они повреждают многие звенья обмена веществ и структуры клетки (сайты). Так, контактные фунгициды из группы карбаматов инактивируют свыше 20 ферментов, одновременное изменение которых просто невозможно.

Действие многих системных фунгицидов иное: поскольку они проникают внутрь растений, они не должны быть токсичными для них, т.е. они ингибируют только отдельные, грибные сайты, изменение которых может сделать гриб устойчивым к препарату без потери жизнеспособности. Например, популярный в прошлом веке фунгицид беномил (у нас он более известен под коммерческим названием фундазол) связывается с очень важным для жизни клетки белком тубулином. Из этого белка построены микротрубочки, которые образуют внутриклеточный цитоскелет и растягивают удвоившиеся хромосомы к полюсам во время митозов. Из тубулина построены микротрубочки не только грибов, но всех эвкариот, однако тубулин растений и позвоночных животных с беномилом не связывается (или связывается при использовании очень высоких концентраций беномила), поэтому они нс чувствительны к беномилу. Значит, возможны изменения и грибного тубулина, при которых он перестанет связывать беномил без потери своих биологических функций. Такие изменения возникают в результате точковых мутаций гена, контролирующего синтез тубулина; подобные мутации получены экспериментально и обнаружены в природе у штаммов грибов, потерявших чувствительность к препарату. Фунгициды, воздействующие на единичные сайты в клетке, называют моносайтовыми.

По мере расширения сортимента системных препаратов и площадей, обрабатываемых ими, нарастали и проблемы, связанные с резистентностью к ним фитопатогенных грибов. Исследование этих проблем показало, что, как и в медицине, в фитопатологии привыкание к фунгицидам протекает двумя путями, которые медицинские микробиологи назвали стрептомициновым и пенициллиновым (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Развитие устойчивости бактерий к антибиотикам ^[1]:

число пассажей — количество пересевов культуры бактерии на среду с антибиотиком для адаптации — отбора резистентных мутантов; сплошная линия — устойчивость к пенициллину, пунктирная — устойчивость к стрептомицину;

1 — Klebsiella; 2 — Micrococcus

После контакта со стрептомицином бактерии сразу приобретают высокий уровень резистентности к нему, который больше уже не растет. Следовательно, одной точковой мутации (одного шага) достаточно для возникновения высокоустойчивых штаммов. Летальная доза фунгицида в результате одной мутации увеличивается в десятки и сотни раз. Устойчивость к таким фунгицидам можно назвать одношаговой. Подобную характеристику имеют бензимидазолы, в частности, беномил (фундазол), обладающий широким спектром антигрибного действия, но не токсичный для оомицетов, и фениламиды, например, металаксил (ридомил), напротив, высоко токсичный для оомицетов, но не для настоящих грибов.

Пенициллиновый тин устойчивости, как видно из рис. 4.4, контролируется многими генами, каждый из которых имеет невысокий фенотипический эффект и ненамного повышает устойчивость, но мутации разных генов обладают кумулятивным действием, поэтому резистентность растет постепенно (многошагово). Подобным свойством обладают многие системные и трансламинарные фунгициды, в частности, ингибиторы синтеза стеринов (имидазолы, гриазолы и др.).

Упомянутые две группы фунгицидов (много- и одношаговые) по-разному влияют на динамику популяций грибов. Препараты первой группы после первых же обработок уничтожают все чувствительные штаммы, но штаммы устойчивые создают новый пул популяции, причем чем больше проводится химических опрыскиваний, тем интенсивнее происходит увеличение численности новой популяции (рис. 4.5, 1). При применении препаратов второй группы сдвиг генотипического состава популяции паразитов от чувствительной к устойчивой протекает постепенно (рис. 4.5, 2). ¹

Рис. 4.5. Динамика изменения резистентности к разным типам фунгицидов паразитических популяций при многократных обработках ^[2]

Указанные выше моно- и полисайтовые группы препаратов имеют еще одно важное различие. Мутации резистентности к первым фунгицидам относительно нейтральны, т.е. устойчивые к ним штаммы могут не отличаться от чувствительных ни по жизнеспособности, ни по патогенности. Поэтому они быстро накапливаются и не вытесняются чувствительными штаммами даже после прекращения обработок данным препаратом. Устойчивость к фунгицидам из второй группы может сопровождаться снижением общей приспособленности и патогенности, поэтому временное прекращение использования данного фунгицида способствует исчезновению резистентных к нему штаммов из паразитической популяции. Например, в Голландии фунгицид дитеримол перестал защищать от поражения мучнистой росой огурцы и был заменен другими препаратами. Но через шесть лет его защитное действие восстановилось. Правда, повторный рост резистентных штаммов гриба оказался более быстрым, чем первичный (по-видимому, существует некая "генетическая память" в их геноме). Следовательно, для задержки времени накопления резистентных штаммов, возникающих вследствие многошаговых мутаций, нельзя ни в коем случае снижать концентрацию препарата в рабочем растворе ниже рекомендованной инструкциями. Концентрация препарата должна превышать летальную дозу на порядок или даже больше, чтобы оставаться токсичной даже для мутантов с повышенной устойчивостью. Для препаратов первой группы этот прием не достаточен, нужны иные стратегии, представленные далее.

Применение системных фунгицидов создало те же проблемы, что и применение ВУ в селекции: высокая эффективность в год введения сменяется частичной или полной потерей эффективности через несколько лет вследствие накопления резистентных клонов. Контактные фунгициды, напротив, дают эффект, сравнимый с ГУ: недостаточно высокая эффективность, но стабильность во времени. Следовательно, стратегия применения системных фунгицидов должна быть сходной со стратегией применения ВУ, только вместо максимального генетического разнообразия сортов должно быть использовано максимальное химическое разнообразие фунгицидов. Достичь этого можно двумя путями: использованием смесей фунгицидов и их чередованием.

В смесевой препарат должны входить фунгициды, имеющие разные механизмы действия на грибную клетку, чтобы не было перекрестной устойчивости. Смесь фунгицидов полезна в том случае, когда входящие в нее препараты обладают синергизмом, т.е. усиливают действие друг друга. Например, смесь защитного фунгицида тирама (ТМТД) и системного хлоронеба эффективнее предохраняет горох от корневых гнилей, чем каждый препарат в отдельности. Хлоронеб слабее, чем тирам, подавляет грибы, находящиеся на семенах и вызывающие плесневение семян и проростков, но способен проникать в ткани корня, длительное время сохраняться в них и защищать всходы от корневых гнилей, возбудители которых находятся в почве.

Однако при использовании смесей возможно и противоположное их взаимодействие — антагонизм, при котором смесь менее эффективна,

чем каждый препарат в отдельности. Поэтому рекомендуют в лабораторных условиях определять концентрации отдельных препаратов и их смесей, вызывающие гибель 50% спор (эффективная доза — ED_5o). Фактор синергизма (ФС) определяют по формуле

ФС = ЕД₅₀ смеси / {[ ЕД₅₀(1) + ЕД₅₀(2)] / 2},

где ЕД₅₀( 1) и ЕД₅₀(2) — полулегальные дозы каждого препарата в отдельности.

Если ФС > 1,8, то препараты обладают синергизмом, если ФС < 0,5, то — антагонизмом, и смешивать их нецелесообразно.

Для предупреждения адаптации паразитов к системному фунгициду его рекомендуют мешать с контактным препаратом, как будто имитируя сорт, сочетающий ВУ и ГУ. Например, системный фунгицид ридомил, используемый для борьбы с фитофторозом картофеля и томата, фирмы выпускают в смеси с контактным препаратом манкоцебом (коммерческое название смеси - "ридомил-МЦ"). Однако полной аналогии между смесью сортов и смесью фунгицидов нет и быть не может; после нанесения смесь разделится: системный компонент уйдет внутрь, а контактный останется на поверхности; через несколько дней он будет смыт дождями и останется один системный, отбирающий из популяции резистентные мутанты. Поэтому специалисты рекомендуют, чтобы контактный препарат составлял не менее 3/4 частей смеси, и при многократных опрыскиваниях смесевой препарат чередовался с одним контактным.

Многолетние испытания различных схем по использованию смесей препаратов и их чередования показали, что такие схемы могут задерживать, но не устранять накопление резистентных к системным фунгицидам мутантов. Поэтому рекомендуется вообще использовать системные фунгициды моносайтового действия с одношаговым возникновением устойчивых к ним штаммов только при крайней необходимости, и даже в таких случаях — только в смесях с контактными.

Проблема резистентности оказалась настолько серьезной, что фирмы, производящие фунгициды, создали международную ассоциацию по разработке способов противодействия быстрой потере эффективности коммерческих препаратов — Fungicide Resistance Action Committee (FRAC), пригласив для работы в ней специалистов — фитопатологов, биохимиков, химиков. По рекомендации FRAC весь сортимент фунгицидов был разделен на два класса. Первый класс включает 45 групп фунгицидов, по отношению к которым возникновение резистентности возможно и представляет опасность: бензимидазолы (беномил), фениламиды (ридомил), карбоксамиды (оксатиин), ингибиторы хинона (стробулирины) и др. Во второй класс (группа М) вошли девять групп фунгицидов, проблема резистентности к которым не стоит (неорганические препараты, контактные органические фунгициды и пр.). При составлении смесей желательно использовать вещества из первого и второго класса, но ни в коем случае нельзя смешивать фунгициды, входящие в одну группу.

Наконец, как и "мозаику сортов", желательно создавать "мозаику фунгицидов" — обрабатывать соседние поля, занятые одной культурой, разными фунгицидами, опять же относящимися к разным группам FRAC.