УДК 581.192.7:632.938.2+632
ПРИРОДНЫЕ ЛИГАНДЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ФИТОСАНИТАРНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
Т.А. Рябчинская, Г.Л. Харченко, И.Ю. Бобрешова, Н.А.Саранцева
Федеральное государственное бюджетное научное
учреждение «Всероссийский научно-исследовательский
институт защиты растений» (Российская Федерация)
396030, п. Рамонь, Воронежская область
vniizr_direktor@mail.ru
Приводятся краткие сведения по биохимическим, физиологическим и генетическим аспектам механизмов действия биологически активных веществ-элиситоров из химической группы лигандов, а также результаты оценки эффективности полифункционального действия на растения нового биологического препарата Стиммунол, биопродуцентом действующих веществ-лигандов которого являют-ся почвенные олигохеты ВВЕДЕНИЕ
В агротехнологиях будущего в целях защиты сельскохозяйственных культур от фитопатогенов и других стрессовых воздействий негативных факторов среды наибольшую перспективу имеет метод фитоиммунокоррекции с помощью активаторов сигнальных систем клеток растений. Он позволяет не только усилить иммунный статус растений, их адаптационный потенциал, но и существенно повысить продуктивность, что, в конечном итоге, является наиболее важной задачей растениеводства. Таким образом, данный метод представляет новое направление агротехнологии, а именно компенсационную защиту, когда потери урожая, вызванные различными стрессовыми воздействиями, перекрываются прибавками, полученными в результате полифункционального действия иммуно- и рострегуляторов или фитоактиваторов.
Координация всех процессов жизнедеятельности растений осуществляется за счет работы сигнальных цепей (систем), которые сплетаются в сигнальные сети клеток. Сигнальные молекулы, представляющие собой, как пра-вило, интегральные мембранные белки, полипептидная цепь которых пронизывает толщу мембраны, включают в работу большинство гормонов. Разнообразные молекулы, инициирующие трансмембранную передачу сигналов, активируют белки-рецепторы в очень низких концентрациях (наноуровня). Активированный рецептор передает сигнал внутриклеточным мишеням непосредственно или через молекулы-мессенджеры белкам-ферментам. При этом модулируется их каталитическая активность или проводимость ионных каналов. В результате формируется определенный клеточный ответ, который, как правило, заключается в каскаде последовательных биохимических реакций. Таким образом, белки образуют своеобразную «молекулярную машину», которая, с одной стороны, воспринимает внешний сигнал, с другой, – обладает ферментной или иной активностью, моделируемой этим сигна-лом [1, 2, 3].
В качестве сигнальных молекул или элиситоров, проявляющих индукционную активность, могут выступать различные органические соединения-лиганды и их комплексы: аминокислоты, олигосахариды, полиамины, фенолы, гетероциклические и элементоорганические соединения, и в том числе некоторые пестициды и др. [3].Круг веществ, индуцирующих иммунные свойства и модулирующих различные ростовые процессы в растениях, расширяется с каждым годом. Разработано достаточно много препаратов-фитоактиваторов как биогенного (на основе ризобактерий и факультативных патогенных микроорганизмов и их метаболитов), так и абиогенного происхождения, представляющих собой продукты химического синтеза.
Активными компонентами биопрепаратов-фитоактиваторов из группы биологических фунгицидов (Планриз, Гамаир, Алирин-Б, Фитоспорин, Псевдобактерин-2) являются метаболиты инокулюма. Индуцировать образование фитоаклексинов, участвующих в иммунном ответе растений, могут смеси метаболитов, содержащихся в фильтратах культуральных сред после роста грибов и бактерий. Установлено, что в гомогенатах мицелия и спор грибов содержатся смесевые элиситоры образования фитоалексинов. Одними из основных природных индукторов являются смеси белковых соединений, пептидов и аминокислот. В состав липопротеинового комплекса метаболитов грибов входят также полиненасыщенные жирные кислоты и полисахариды [4].
На основе лиганда хитозана, представляющего класс олигосахаридов (глюкозамины), создан ряд препаратов-индукторов устойчивости растений [5]. Получают хитозан путем гидролиза хитиновой оболочки ракообразных.
Каждый из элиситоров, воздействуя на жизнедеятельность растительной клетки по определенному сигнальному пути через генетический аппарат, вызывает широкий комплекс реакций, как защитного (иммунного), так и гормонального характера, приводящих к изменению свойств самих растений, что позволяет им противостоять целому комплексу стрессовых факторов. При этом в растениях осуществляется ингибирующее или синергирующее взаимодействие различных сигнальных путей, сплетающихся в сигнальные сети [2]. Между сигнальными системами и геномом существует двусторонняя связь: с одной стороны, ферменты и белки сигнальных систем закодированы в геноме, с другой – сигнальные системы управляются геномом, экспрессируя одни и супрессируя другие гены. Этот механизм включает рецепцию, преобразование, умножение и передачу сигнала на промоторные участки генов, программирование экспрессии генов, изменение спектра синтезируемых белков и функциональный ответ клетки, например, индукцию иммунитета к фитопатогенам [1].
Определенным образом эффекты, возникающие при обработке растений иммуноиндукторами, родственны генной модификации, отличаясь от нее отсутствием количественных и качественных изменений самого генофонда. При искусственной индукции иммунных реакций наблюдаются только фено-типические проявления, характеризующиеся изменениями активности экспрессированных генов и характера их функционирования [6]. Тем не менее, вызванные обработкой фитоактиваторами растений изменения обладают определенной степенью стойкости, что проявляется в индукции пролонгирован-ного системного иммунитета, поддерживающегося в течение 2-3 и более месяцев, а также сохранении приобретенных свойств растениями в течение 1-2 последующих репродукций [7, 8]. Характер действия определенного элиситора и достигаемые эффекты находятся в самой тесной зависимости от силы формируемого сигнала или ис-пользуемой дозировки. Данные зависимости, как правило, имеют не прямолинейный, а синусоидальный характер, что может служить доказательством переключения сигнальных путей при их ингибирующих или синергирующих взаимодействиях [9]. Установлено также, что в условиях действия стрессовых факторов растения положительно реагируют на более низкие дозировки фитоактиваторов, что свидетельствует о более высокой выраженности их адаптогенного действия. Напротив, обработка данными веществами в больших дозировках, как правило, вызывала десенсибилизационные процессы в растениях, резко снижая иммунный статус растений и приводя к усилению восприимчивости растений к заболеваниям [10, 11].
Помимо устойчивости к фитопатогенам фитоактиваторы могут индуци-ровать как устойчивость, так и толерантность к вредным членистоногим, формируемую за счет изменения биохимизма и аттрактивности растений или других механизмов действия. Так, после обработки семян или растений ячменя не-которыми биофунгицидами и регулятором роста Альбит отмечалось снижение поврежденности листьев блошками и главных стеблей внутристеблевыми вре-дителями до 45 % и более [12]. ПРЕПАРАТ СТИММУНОЛ КАК ТИПИЧНЫЙ ПРЕДСТАВИТЕЛЬ
ГРУППЫ ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ФИТОАКТИВАТОРОВ
Некоторые авторы полагают, что для проявления оптимальной индуцирующей активности абиотических индукторов необходим комплекс соединений данного действия, а не отдельные вещества [13]. В связи с этим для повышения устойчивости растений к болезням часто используют многокомпо-нентные смеси [5].
В ФГБНУ «ВНИИЗР» был разработан биологический препарат-фитоактиватор Стиммунол на основе почвенных олигохет Nicodrilus caliginosus Sav. [14-16].
Было установлено, что в экстракте биомассы олигохет присутствует широкий набор веществ, потенциально обладающих элиситорным действием, и в том числе различные лиганды (аминокислоты, полиамины, олигосахариды и др.). Механизмы действия их в настоящее время изучены недостаточно, но экспериментально показано, что ряд аминокислот (валин, пролин, изолейцин, глицин, глутамин, аргинин, фенилаланин) при обработке семян ячменя в крайне низких дозировках (от 0,01 до 0,5 мл/т семян) вызывали индукцию защитных реакций и модифицировали активность отдельных ростовых процессов. Подобное действие было установлено и у N-изопропилэтилен-диамина. В качестве стабилизатора в препарате используется этанол, и как наполнитель – полиакриламидный гидрогель. Было установлено, что данные вещества также оказывают влияние на растения. Этиловый спирт при экзогенном нанесении на семена ячменя в норме расхода 5 мл/т при лабораторных исследованиях показал существенные иммуноиндуцирующие свойства (биологическая эффективность по гельминтоспориозу – 28,2%, фузариозу – 39,1 %). Увеличение длины ростков и колеоптилей составило соответственно 42,6 % и 10,0 %. Полиакриламидный гидрогель (0,1 % ) при норме расхода 9 мл/т способствовал снижению пораженности проростков гельминтоспориозом на 10 %, фузариозом – на 52 %. В полевых условиях после предпосевной обработки семян сахарной свеклы данным лигандом индуцированный системный иммунитет выразился в снижении пораженности листьев сахарной свеклы мучнистой росой до 33 %, при этом масса корнеплодов возросла на 13 %. По-видимому, в качестве элиситора в данном случае выступали радикалы акриламида.
Таким образом, наши исследования показали, что очень многие органические соединения в крайне низких концентрациях оказывают на растения сигнальное действие, индуцируя проявление как иммунных, так и ростовых процессов.
На основании вышеизложенных фактов можно предположить, что растения воспринимают наноконцентрации органических и некоторых неорганических веществ в качестве информационных сигналов и определенным образом на них отвечают. В то же время существует некоторый порог восприятия растениями физиологически активных веществ (доза), при превышении которого реакции растений блокируются, или наблюдается деструктивное действие реагента, что особенно характерно для некоторых гербицидов (группы 2,4-Д). Познание механизмов восприятия растениями информационных сигналов откроет перспективу управления их развитием и достижения наиболее полной реализации генетически заложенного в них адаптационного и продуктивного потенциала. В настоящее время мы находимся только в начале этого непростого пути.
Вследствие высокой сложности механизмов сигнального действия фитоактиваторов, разработка технологических регламентов их применения идет эмпирическим путем проб и ошибок. Однако практика их использования уже в настоящее время доказывает высокую перспективность данных инструментов управления ростом и развитием растений.
Разработанный нами препарат Стиммунол прошел полевую апробацию на ряде сельскохозяйственных культур. На ячмене в результате предпосевной обработки семян в норме расхода 2,5 мл/т (по действующему веществу) достигался высокий фунгистатический эффект в отношении корневых гнилей (биологическая эффективность в фазу молочно-восковой спелости – до 47 %), прибавка урожая составила 14,6 % (6,4 ц/га) [17].
Оптимальным приемом использования Стиммунола в период вегетации ячменя является однократная обработка в фазу начала выхода в трубку. При этом иммунизирующие эффекты (биологическая эффективность) достигали 73 % в отношении корневых гнилей, прибавка урожая составляла 11-22 % и формировалась в основном за счет увеличения продуктивной кустистости и отдельных параметров структуры урожая [17].
На озимой пшенице фунгистатическое действие на относительно невы-соком инфекционном фоне (развитие 7-8 % ) составляло от 24 до 95 % в зависимости от вида возбудителя. Прибавка урожая достигала 26-28 % [18].
При предпосевной обработке Стиммунолом семян сахарной свеклы максимальная биологическая эффективность против корнееда составляла 24-37 %, иммунизирующий эффект по отношению к мучнистой росе достигал 28 % при высоком уровне развития патогена в контроле – 71 %. Максимальная прибавка урожая за счет полифункционального действия препарата составляла 43 %. Установлено, что в период вегетации данной культуры целесообразно однократное применение Стиммунола в фазу 5-6 пар настоящих листьев. Иммунизирующий эффект по отношению к мучнистой росе составлял 54- 83 %, прибавка урожая достигала 18 % [18].
На клевере после однократной обработки растений при весеннем от-растании побегов наибольшую рострегулирующую активность препарат показал в норме расхода 2,5 мл/га (по действующему веществу), а иммунизирующую (биологическая эффективность против бурой пятнистости 85,4 % )– в дозировке 7,5 мл/га. Прибавка урожая зеленой массы варьировала от 32,5 до 52,0 %. Существенно возрастала и генеративная продуктивность растений (увеличение количества соцветий на 30-35 % ) [19].
При обработке фитоактиватором клубней картофеля перед посадкой в норме расхода 1,5 мл/т отмечался высокий иммунизирующий эффект: снижение пораженности клубней различными заболеваниями варьировало от 40 до 87 % в зависимости от вида патогена. За счет полифункционального действия (усиление процессов фотосинтеза, увеличение ассимиляционной поверхности листьев и массы клубней, стимуляция клубнеобразования) прибавка урожая составляла от 19 до 37 %. При однократной обработке Стиммунолом (4 мл/га по действующему веществу) вегетирующих растений в фазу бутонизации урожайность относительно контроля увеличилась на 49,3 % [20].
В процессе исследований испытывались различные препаративные формы Стиммунола и разные регламенты его применения на нескольких сельскохозяйственных культурах. Эффективность препарата зависела от многих факторов, таких как норма его расхода, срок проведения обработки, видовой состава возбудителей заболеваний и уровень инфекционного фона, погодные условия, сказывающие на физиологическое состояние растений, и другие. В таблице приведены максимальные значения основных показателей, определяющих иммунизирующее действие фитоактиватора и прибавку урожая, получаемую за счет его полифункционального действия. На разных инфекционных фонах иммунизирующее и фунгистатическое действие препарата существенно различалось, как правило, биологическая эффективность его с увеличением степени развития того или иного заболевания в контроле снижалась.
Таблица. Иммунизирующее действие препарата-фитоактиватора Стиммунол и влияние его на продуктивность растений по результатам 6-летних полевых исследований (максимальные значения показателей)
 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Многолетними исследованиями препарата Стиммунол, имеющего в комплексе действующих веществ природные сигнальные вещества-лиганды, на различных сельскохозяйственных культурах были выявлены следующие направления и эффектцы действия:
– модификация иммунного статуса растений;
– фунгистатическое действие на грибные патогены;
– пролонгированное системное иммунизирующее действие;
– модификация ростовых процессов в различных органах растений;
– модификация фотосинтетических процессов;
– влияние на скорость прохождения фенологических фаз;
– стимуляция цветения, плодо- и клубнеобразования;
– влияние на качественные показатели продукции (стекловидность, содержание белка, сахаров, клейковины); – адаптогенное действие, стимуляция антистрессовой активности;
– воздействие на другие компоненты агроценоза, в частности, вредных фитофагов;
– эпигенетическое сохранение отдельных приобретенных полезных свойств в следующей репродукции растений (на яровом ячмене).
За счет стимуляции антистрессовой активности эффективность препарата повышалась в условиях действия стрессовых факторов среды (высокая температура воздуха, недостаток почвенной влаги в период засухи).
Многокомпонентность препарата Стиммунол, его биологическое проис-хождение, обусловливающее определенную природную сбалансированность и взаимозаменяемость действующих веществ, определяют его полифункциональность и широкий спектр культур, на которых возможно применение нового фитоактиватора.
Таким образом, наличие в составе многих препаратов группы регуляторов роста растений, и в частности, Стиммунола, комплекса природных лигандов, определяет такие важные свойства их, как экологическая безопасность и полифункциональность действия. Обработка ими растений при оптимальных технологических регламентах обеспечивает значительное увеличение продуктивности сельскохозяйственных культур, а также компенсацию потерь от ком-плекса вредных объектов и негативных факторов среды, что позволяет прогнозировать широкую перспективу их использования в будущих экологизирован-ных фитосанитарных технологиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гречкин А.Н., Тарчевский И.А. Сигнальные системы клеток и геном // Биоорганическая химия. 2000. т. 26. № 10. с. 779-781.
2. Тарчевский И.А. Сигнальные системы клеток растений. – М: Наука. 2002. 294 с.
3. Филиппов П.П. Как внешние сигналы передаются внутрь клеток // Соровский образовательный журнал. 1998. № 3. с. 28-34.
4. Damiels D.L. Pisatin-inducing components in filtrates of virulent and avirulent Fusarium solani cultures // Physiol. Plant Pathol. 1976. v. 8. р. 9-19.
5. Тютерев С.Л. Научные основы индуцированной устойчивости расте-ний. С-Пб.: Наука. 2002. 328 с.
6. Озерецковская О.Л. Проблемы специфического фитоиммунитета // Физиология растений. 2002. т. 49. № 1. с. 148-154.
7. Лыкова Н.А. Эффект превегетации. Экологические последействия. С.-Пб.:Наука. 2009. 311 с.
8. Рябчинская Т.А., Бобрешова И.Ю., Харченко Г.Л., Саранцева Н.А. Отдаленное последействие обработки фитоактиваторами на последующую репродукцию ячменя ярового // Современные иммунологические исследова-ния, их роль в создании новых сортов и интенсификации растениеводства: матер. науч.-практич. конф., Большие Вяземы, 18 ноября 2009 г. Большие Вязёмы. 2009. с. 173-179.
9. Рябчинская Т.А., Харченко Г.Л., Саранцева Н.А., Бобрешова И.Ю, Злотников К.М. Полифункциональное действие препарата Альбит при предпосевной обработке семян яровой пшеницы // Агрохимия, 2009. № 10. С. 39-47.
10. Рябчинская Т.А., Харченко Г.Л., Саранцева Н.А., Бобрешова И.Ю., Злотников А.К. Биохимические и физиологические предикторы индуцированного иммунитета при обработке растений иммуноиндукторами группы Альбит // Вестник защиты растений. С.-Пб. – Пушкин. 2008. № 2. с. 34-41.
11. Озерецковская О.Л., Васюкова Н.И. При использовании элиситоров для защиты сельскохозяйственных растений необходима осторожность // При-кладная биохимия и микробиология. 2002. т. 38. № 3. с. 322-325.
12. Бобрешова И.Ю., Рябчинская Т.А., Харченко Г.Л., Саранцева Н.А. Неспецифическое действие рострегуляторов // Фитосанитарная безопасность агроэкосистем: матер. Междунар. науч.-практич. конф., Новосибирск, 7-9 июля 2010 г. Новосибирск. 2010. с. 29-30.
13. Deare P.B., Sawant D.M. Management of powdery mildew by Trichoderma spp. Culture filtrates // J. Macharastra Agr. Univ. 2000. v. 25. № 3. р. 253-254.
14. Рябчинская Т.А., Харченко Г.Л., Саранцева Н.А., Бобрешова И.Ю. Способ защиты растений: Пат. 2305927, РФ // Б.И. 2007. № 10.
15. Рябчинская Т.А., Харченко Г.Л., Саранцева Н.А., Бобрешова И.Ю. Способ защиты растений: Пат. 2008132178, РФ // Б.И. 2010. № 26.
16. Рябчинская Т.А., Харченко Г.Л., Саранцева Н.А., Бобрешова И.Ю. Способ защиты растений: Пат. 2010118905, РФ // Б.И. 2012. № 1.
17. Саранцева Н.А. Новый иммуно- и ростстимулятор на яровом ячме-не / Н. А.Саранцева, Т.А. Рябчинская, Г.Л. Харченко, И.Ю. Бобрешова // Фи-тосанитарное обеспечение устойчивого развития агроэкосистем: матер. докл. Междунар. науч.-практич. конф. Орел. 18-20 марта 2008 г. Орел, 2008. С. 282-285.
18. Бобрешова И.Ю. Новый полифункциональный активатор фитоим-мунитета и обоснование перспектив его применения на различных сель-скохозяйственных культурах. Автореф. дисс. канд. с.-х. н. Воронеж. 2012. 24 с.
19. Харченко Г.Л., Бобрешова И.Ю., Рябчинская Т.А., Саранцева Н.А. Новый перспективный фитоактиватор иммунитета и продуктивности на кле-вере // Фитосанитарная безопасность агроэкосистем: матер. Международ. на-уч.-практич. конф., Новосибирск, 7-9 июля 2010 г. Новосибирск, 2010. С. 281-283.
20. Харченко Г.Л., Бобрешова И.Ю., Рябчинская Т.А., Саранцева Н.А. Отечественный биопрепарат Стиммунол на картофеле / Л. Харченко, // Защи-та картофеля. – 2011. – № 2. – С. 31-34.
| 
