Анна Шаланда Нет сомнения, что вряд ли есть еще другие животные, которые сыграли бы столь важную роль в истории мира, как эти низкоорганизованные существа.
Ч. Дарвин.
Тайное когда-нибудь станет явным.
Их отношениям миллионы лет. Одних называют первыми землепашцами и ангелами Земли, других – фабриками кислорода и зелеными легкими нашей планеты. Они – дождевые черви и растения. Человек издревле пользуется плодами этих узаконенных природой контактов, часто даже не задаваясь вопросом об их сущности. Так что же лежит в основе растительно–червячных взаимоотношений? Корректный ответ на этот непраздный вопрос может дать экология — наука о взаимодействиях живых организмов и их сообществ между собой и с окружающей средой. Оглавление
1. Не пищей единой
2. Биологические контролеры
3. Беспозвоночные селекционеры 4. Аллелопаты – невидимки
5. Дождевые черви и «иммунитет» растений
5.1. Покопаемся в архивах, или краткий экскурс в историю проблемы
5.2. Эти загадочные элиситоры
5.3. Таинственные растительные сигналы
5.4. Микробно-червячная «фитогормонотерапия»
6. От совершенства природы – к совершенству промышленных технологий
Литература
1. Не пищей единой В этой статье многократно будут встречаться следующие аббревиатуры, смысл которых будет разъяснен в свое время: БАВ – биологически активные вещества
PGPB [plant growth promoting bacteria] – бактерии, стимулирующие рост растений
PGPR [plant growth promoting rhizobacteria] – ризобактерии, стимулирующие рост растений
SAR [systemic acquired resistance] – системная приобретенная устойчивость ISR [induced systemic resistance] – индуцированная системная устойчивость
ИУК – β-индолилуксусная кислота
Под названием «дождевые черви» или «земляные черви» в русском языке, в немецком – Regenwurme и английском – Еarthworm языках объединены семейства крупных почвенных беспозвоночных животных, относящихся к классу Малощетинковые (Oligochetae), типу Кольчецов (Annelidae), подтипу поясковых (Clitellata), семейству Люмбрицид (Lumbricidae). В строгом смысле слова эта группа не представляет собой таксономическую единицу, а выделена на основании особенностей экологии и некоторых морфофизиологических свойств включенных в нее семейств.
Почвенный покров представляет собой самостоятельную земную оболочку – педосферу (от греч. πέδον — грунт и σφαίρα — шар). Почва является продуктом совместного воздействия климата, растительности, животных и микроорганизмов на поверхностные слои горных пород. По В.И. Вернадскому, почва – это биокосное тело, состоящее одновременно из живых и косных тел (минералов, воды, воздуха, органических остатков).
Растения растут и развиваются в тесном контакте с почвой и ее обитателями на протяжении сотен миллионов лет. За это время Природа создала массу уникальных существ. И одни из них – дождевые черви, значение которых невозможно переоценить [1]. Они составляют основной компонент почвенной системы, и эти кажущиеся нам столь незначительными создания – настоящие оптимисты, которые молча «пашут» землю в течение миллионов лет и участвуют в рециклинге органических питательных веществ, способствуя образованию плодородного слоя почвы и эффективному росту растений. Роль дождевых червей в трансформации органических веществ была установлена Ч. Дарвиным, который называл их нерекрутированными солдатами человечества, а Аристотель – кишечником Земли.
Секрет долины Нила
Еще в древнем Египте существовал закон, строго ограничивающий вывоз червей из долины реки Нил, так как секрет высокого плодородия земель нильской долины заключался в большом количестве дождевых червей
Общепринятыми объяснениями положительного влияния дождевых червей на растения считают а) повышение минерализации органического вещества почвы и улучшение доступности питательных веществ растениям; б) изменение физико-химических свойств почвы, способствующее поступлению воды и кислорода; в) обогащение почвы питательными веществами. В свою очередь, дождевые черви получают «пакет» питательных веществ при разложении растительных остатков или выделении корневых экссудатов. Иными словами, в основе растительно-червячных взаимоотношений лежат пищевые интересы. «Ничего нового и интересного», – решит въедливый читатель.
Однако все не так просто! Такой «пищевой» подход не позволяет интерпретировать те случаи, когда продукты жизнедеятельности дождевых червей (экскременты) – копролиты (от гр. κοπρος – помет, кал и гр. λίθος – камень) – оказывают (как ни странно!) негативное воздействие на растения [2] или, как и сами черви, повышают их устойчивость к вредителям, паразитам и патогенам. Также «пищевая» гипотеза не в состоянии объяснить сильный ростостимулирующий эффект дождевых червей, присутствующих в бедной почве, тогда как в богатой почве он не столь выражен [3].
Червячная страшилка
В Интернете гуляет страшилка о вреде дождевых червей для комнатных растений. Дескать, эти существа поедают живые корешки наших горшечных любимцев. Не верьте! Дождевые черви питаются лишь органическими веществами, уже разлагающимися микроорганизмами-сапрофитами. Они физиологически не приспособлены к потреблению живой органики, хотя могут оказывать чисто механическое воздействие на корешки растений, находясь в ограниченном замкнутом пространстве горшка. В тесноте и не такое случается Поэтому не о хорошо изученных и подтвержденных многовековой практикой человечества трофических связях растений и дождевых червей пойдет речь. Давно замечено, но слабо изучено, что этих представителей флоры и фауны связывают не только «банальные» пищевые, а куда более загадочные и удивительные отношения [4], язык которых еще до конца не расшифрован.
Не одного любопытства, а практического применения ради сегодня ученые выделяют еще три механизма, с помощью которых дождевые черви влияют на рост растений:
• биоконтроль патогенов, паразитов и вредителей;
• стимуляцию микроорганизмов-симбионтов;
• продукцию сигнальных молекул (регуляторов роста растений) почвенными микроорганизмами.
Продвинутый читатель заметит, что во всех трех механизмах фигурируют микроорганизмы. Какова же их роль в растительно-червячных отношениях? Они – посредники или исполнители «воли» дождевых червей? Попробуем в этом поэтапно разобраться, прибегнув к экологическим законам.
2. Биологические контролеры
Возможность применения биологических объектов для защиты растений от фитопатогенов исследуется давно. Специалисты, занимающиеся данной проблемой, часто называют биологическую защиту растений с помощью других организмов биологическим контролем фитопатогенов [5]. В этом списке состоят и дождевые черви – санитары почвы. В литературе отмечены факты значительного сокращения численности патогенных организмов в процессе вермикомпостирования (от лат. vermes – черви и англ. compost – компост) – переработки органических отходов дождевыми червями. Потенциал вермикультуры (от лат. vermes – черв и англ. culture – разведение) в качестве способа уменьшения популяций патогенных микроорганизмов был доказан в лабораторных условиях еще в 1978 году [6]. А в марте 1997 года US EPA (Агентство по защите окружающей среды США) в сотрудничестве с American Earthworm Company провели совместный эксперимент на очистных сооружениях в городе Окои штата Флорида [7]. Эксперимент показал, что черви могут уменьшать популяции патогенных микроорганизмов всего лишь за 144 часа, причем достижение нормативных значений по концентрации фекальных колиформ происходило через 24 часа (98,7%), по сальмонеллам – через 72 часа (99,9%), по энтеровирусам – через 72 часа (98,82%), по яйцам гельминтов – через 144 часа (98,87%). В ходе вермикомпостирования большинство патогенов человека погибало за счет действия пищеварительных ферментов червей и полезной почвенной микрофлоры.
Им сибирка нестрашна
Известны результаты эксперимента со спорами сибирской язвы, способными сохраняться в почве до 100 лет [8]. При влажности 40-60% и аэробном разложении бациллы сибирской язвы в компосте погибали уже через 17 дней.
Технологические линии дождевых червей, на использовании которых и базируется одно из биотехнологических направлений – вермитехнология, являются продуцентами уникального органического удобрения – вермикомпоста, в России именуемого биогумусом. Этот продукт жизнедеятельности дождевых червей и его водный (компостный «чай») или щелочной экстракты хорошо зарекомендовали себя не только в качестве удобрения, богатого микро- и макроэлементами, гумусовыми соединениями и различными биологически активными веществами, но и в качестве биопестицидов– пестицидов (от лат. pestis — зараза и лат. caedo — убиватьь) биологического происхождения, подавляющих рост и размножение фитопатогенных грибов [9-14], бактерий [15], нематод [16-19], насекомых [20-22]. Своей пестицидной активностью вермикомпосты обязаны микробному сообществу [23], ведь вермикомпост, как уже говорилось, – это не только обогащенный питательными элементами субстрат, но и «живой» комплекс многочисленных и разнообразных микроорганизмов, вносимых в почву. Как оказалось, правильно приготовленные вермикомпосты лишены фитопатогенов, зато обилуют полезной микрофлорой. Высокое содержание в них дружественных микроорганизмов позволяет проводить биологический контроль патогенных организмов с помощью солидного «арсенала» средств борьбы: антибиотиков, ферментов, конкуренции за пищу и др. (об этом позже) [24, 25].
Аналогичная картина наблюдается и в почве ризосферы растений, аугментированной дождевыми червями [26, 27]. В частности, установлено, что внесение дождевых червей в почву сопровождается увеличением популяции флуоресцирующих псевдомонад и актиномицетов, обладающих супрессивным действием по отношению к возбудителям заболеваний растений (и об этом позже).
Далеко не все пестицидные эффекты вермикомпостов изучены в полной мере, а информация о них известна очень немногим. Более того, некоторые противники химических пестицидов пугаются, увидев в описании свойств вермикомпостов сведения об их БИОпестицидной активности Но ведь пестицид пестициду рознь!
3. Беспозвоночные селекционеры Пищеварительный тракт дождевых червей нестерилен. Он содержит в себе различные виды симбиотических бактерий, микроскопических грибов, актиномицетов, простейших, без которых эти беспозвоночные животные абсолютно не могут существовать. Это структурно организованное сообщество осуществляет переработку органических субстратов, обеспечивая себя и своего «хозяина» необходимыми элементами питания, витаминами, ферментами, удовлетворяет энергетические потребности, выделяет определенные антибиотические вещества и пр. Поэтому, граждане, не пытайтесь стерилизовать навоз и иже с ним, дабы приготовить корм для червей. Не удивляйтесь: такие чудаки встречаются [28]. Черви-гнотобиоты (от греч. gnotos – известный, определенный и bion, род. п. biontos – живущее), то есть безмикробные дождевые черви, – это потенциальные смертники! Микробное аборигенное сообщество кишечника дождевых червей представлено четырьмя физиологическими группами:
• активаторами роста растений;
• биоцидами;
• свободно живущими азотфиксаторами;
• солюбилизаторами (растворителями) фосфатов. Несомненно, все указанные группы важны не только для червей, но и для растений. Договорившись ранее, уважаемый читатель, не касаться взаимных пищевых интересов растений и дождевых червей, в дальнейшем будем уделять внимание микроорганизмам с биоцидным и фиторегуляторным действием.
Находясь в постоянном контакте с обитателями почвы, дождевые черви нуждаются в эффективной иммунной защите, которая бы отличала полезных членов сообщества от опасных. И такова имеется! Но это тема для другого разговора, уважаемый читатель. А вот о механизмах избирательного подавления патогенных микроорганизмов стоит вкратце упомянуть.
Резидентная микрофлора пищеварительной системы дождевых червей приспособлена к жизни внутри нее, вплоть до того, что между слизистым составляющим кишечника и его бактериальным содержимым существует тесный физический контакт в виде выростов бактериальной клеточной стенки [29]. В кишечнике червей формируются условия, благоприятные как для аэробных, так и анаэробных микроорганизмов [30]. Тем не менее, микробиота, попадающая с органическим веществом в пищеварительный тракт дождевых червей, подвергается своеобразному селективному отбору [31, 32]. Так, некоторые бактерии активируются в процессе пассажа через кишечник, тогда как другие остаются без изменений или перевариваются ферментами – амилазой, целлюлазой, протеазой, липазой, хитиназой, уреазой и др. [33-35]. Благодаря такой избирательности, например, происходит 98%-ое снижение популяции общих колиформных бактерий, в том числе и E. coli, хотя уменьшения углерода всей бактериальной биомассы кишечника не наблюдается. Это указывает на специфическое подавляющее действие дождевых червей на бактерии данной группы [36]. Селекция поглощенных микроорганизмов в пищеварительной системе дождевых червей может быть обусловлена их конкуренцией с аборигенной микрофлорой кишечника (антибиозис) и/или избирательным подавлением отдельных групп микроорганизмов пищеварительными ферментами [37].
Загадочный феномен
Интересно заметить, что микробиота кишечника дождевых червей натощак характеризуется большим разнообразием и относительно низкой численностью, тогда как спустя один и семь дней после заглатывания пищи ее количество возрастает, а состав становится более однородным [38]. Этому целесообразному феномену имеется вполне материалистическое и интересное объяснение, с которым мы рекомендуем читателю ознакомиться самостоятельно, кликнув на ссылку (http://www.biomedsearch.com/nih/feeding-induced-switch-from-variable/19841743.html#fullText).
Расшифровка микробных сообществ стала возможной в последнее десятилетие прошлого столетия благодаря применению молекулярных методов исследования [39-42]: газовой хроматографии – масс спектрометрии (ГХ-МС), анализа конформационного полиморфизма однонитевой ДНК (SSCP), ПЦР, метаболомики и др., позволяющих определять жирные кислоты, белки, ДНК, РНК, 16s РНК, 23s РНК, ферменты и пр.
Таким образом, поработав «селекционерами», дождевые черви выдают «на-гора» высококачественный и безопасный [43] «продукт», который называть экскрементами язык не поворачивается. Поэтому и прижились «копролиты», «вермикомпост», «биогумус».
4. Аллелопаты – невидимки
Нормальный рост и здоровье растений определяется, в частности, сложными конкурентными взаимодействиями между разнообразными микроорганизмами, заселяющими семена (спермосфера), корни (ризосфера, ризоплана) и наземные вегетирующие органы (филлосфера, филлоплана) растений. Почва, пронизанная корневой системой растений, представляет собой сложную экологическую нишу, заселенную полезными, вредными и нейтральными для растений микроорганизмами. В то же время видовой состав вермикомпостов лишен патогенных организмов и представлен полезными почвенными бактериями, актиномицетами, микроскопическими грибами [44-46]. Особый интерес вызывают ростостимулирующие бактерии (PGPB) вермикомпостов, среди которых наиболее изучена группа свободноживущих и ассоциативных ростостимулирующих ризобактерий (PGPR). Увеличение количества PGPR отмечается в то время, когда антибиозис и конкуренция за источники питания со стороны полезной микрофлоры в процессе вермикомпостирования сопровождаются уменьшением численности патогенов. Специалисты такую последовательную и необратимую смену одного микробного сообщества другим называют сукцессией (от лат. succesio — преемственность, наследование). Ростостимулирующий эффект PGPR обеспечивается посредством четырех групп механизмов (рис. 1) [47, 48]:
• улучшения питания растений;
• контроля фитопатогенов;
• продукции регуляторов роста; • индуцирования системной резистентности (ISR) растений.
Рисунок 1. Гипотетическая схема комплексного взаимодействия PGPR копролитов дождевых червей и растений.
Если помните, уважаемый читатель, мы с Вами договорились тему питания не затрагивать. А вот другие механизма мы рассмотрим, поскольку они-то, очевидно, и лежат в основе тайного языка растительно-червячных отношений. Очевидно – потому что многие моменты этих взаимоотношений неизвестны и даже пока не изучались. Но ведь все тайное когда-нибудь становится явным!
Контроль фитопатогенов PGPR, входящие в состав вермикомпостов, осуществляют путем синтеза аллелопатических соединений (от др.-греч. ἀλλήλων (allelon) — взаимно и πάθος (pathos) — страдание):
• хелатирующих железо сидерофоров;
• антибиотиков;
• литических ферментов;
• ферментов детоксикации.
Железо – незаменимый фактор роста всех живых организмов. В условиях дефицита биодоступного железа PGPR продуцируют низкомолекулярные соединения – сидерофоры – для конкурентного поглощения ионов железа. Хотя сидерофоры различных бактерий отличаются по их способности связывать железо, все они лишают патогенных грибов этого элемента, сидерофоры которых обладают меньшим сродством к железу [49].
В список антибиотических соединений, продуцируемых PGPR, входят амфизин, 2,4-диацетилфлороглуцинол, цианистый водород, оомицин А, феназин, пиолутеорин, пирролнитрин, тензин, трополон и циклические липопептиды, производимые псевдомонадами; олигомицин А, канозамин, свиццермицин А, ксантобацин, продуцируемые Bacillus, Streptomyces, Stenotrophomonas [50, 51].
Гидролазы, хитиназы, пероксидазы, протеазы, β-1,3-глюканаза и др. – вот примеры литических энзимов, с помощью которых PGPR подавляют патогенные организмы [52].
Обезвреживание (детоксикация) PGPR факторов патогенности – еще один механизм биоконтроля патогенов. В частности, некоторые бактерии могут нейтрализовать токсин альбицидин, гидролизовать фузариновую кислоту [53]. Другие представители данной группы бактерий способны угнетать межклеточные коммуникации патогенных микроорганизмов (Quorum-sensing – QS), разрушая аутоиндуцированные сигналы и, таким образом, блокируя экспрессию генов вирулентности [54].
Quorum Sensing (QS)
«Чувство кворума» – это особый тип регуляции экспрессии генов бактерий, зависящей от плотности их популяции. QS-системы грамотрицательных бактерий включают низкомолекулярные аутоиндукторы – N-ацил-гомосеринлактоны (АГЛ), легко диффундирующие через клеточную стенку, и регуляторные белки, с которыми связываются аутоиндукторы. С помощью АГЛ, известного с начала 90-х годов прошлого столетия внутрипопуляционного фактора коммуникации грамотрицательных бактерий, осуществляется коммуникация бактерий – межклеточная передача информации между особями бактерий, принадлежащими к одному и тому же и разным видам, родам и даже семействам. Регуляторные системы типа QS играют ключевую роль в большом количестве процессов бактериальной клетки: они участвуют во взаимодействии многих бактерий с животными и растениями; в регуляции вирулентности бактерий; в синтезе различных экзоферментов, токсинов, антибиотиков.
5. Дождевые черви и «иммунитет» растений
До сих пор, дорогой читатель, мы говорили о борьбе как способе защиты, а вот теперь поговорим о защите как способе борьбы. И это самая интересная и загадочная тема нашей с Вами беседы. Так о чем это я?
У многих на слуху «вакцина», «прививка», «иммунитет». Зачастую феноменам, описываемым этими словами, мы обязаны жизнью. «Неужели все это может иметь хоть какое-то отношение к растениям и дождевым червям?!» – изумленно удивится непосвященной читатель. Как ни странно, может!
На проходившем в 1975 году в Ленинграде XII Международном ботаническом конгрессе у американских ученых возник вопрос: «Почему секция, посвященная устойчивости растений к болезням, названа «Иммунитет»? Разве русские нашли у растений антитела?» Известный японский фитохимик И.Уритани ответил, что название секции отражает традиции в русской фитопатологической литературе, пришедшие от Н.И.Вавилова, который в 1919 году написал книгу «Иммунитет растений к инфекционным заболеваниям». Действительно, в англоязычной фитопатологической литературе термин «иммунитет» встречается крайне редко, чаще пишут «resistance» (устойчивость, резистентность) [55]. К термину «иммунитет» присоседился термин «индуктор», следствием чего стало словосочетание «индуцированный иммунитет», также прижившееся в работах российских исследователей, тогда как в англоязычных публикациях фигурирует «induced resistance». 5.1. Покопаемся в архивах, или краткий экскурс в историю проблемы
Путь познания природы болезнеустойчивости растений тернист и противоречив. Чтобы получить хотя бы общие представления о механизмах, обеспечивающих устойчивость растительного организма к различного рода деструктивным воздействиям, и роли дождевых червей в этой защите, придется совершить небольшой экскурс в историю проблемы [56]. Это необходимо сделать еще и по причине большой терминологической и концептуальной неразберихи, острых дискуссий, имеющих место даже сейчас, несмотря на определенные достижения в данной области знаний.
Первая печатная работа, посвященная индуцированию устойчивости у растений, вышла в свет в 1901 году. За более чем вековую историю эта область знаний выросла в масштабную научную дисциплину, колоссальное практическое значение которой уже давно не вызывает сомнений. Терминологические путаницы, заблуждения, различные концепции – спутники трудного становления данного научного направления.
Первый этап – концепция «иммунизации», сформулированная по аналогии с вакцинацией людей и животных (инфицирование растений ослабленными культурами патогенных организмов, обработка экстрактами из патогенов и т.п.). На основании многочисленных экспериментальных данных был накоплен положительный опыт повышения устойчивости растений к фитопатогенам путем «иммунизации», хотя установить механизмы этого явления не представлялось возможным. Было показано, что повышение резистентности растений таким способом является неспецифичным (универсальным), краткосрочным и системным.
Второй этап – концепция фитоалексинов (от греч. phyto(n) — растение, alexo — охраняю, защищаю и лат. -in(e) — суффикс, обозначающий «подобный»). Высказывалось предположение, что под действием веществ, синтезируемых патогенами, в клетках растений индуцируется синтез токсинов – фитоалексинов, которые
а) являются ингибиторами развития широкого круга фитопатогенов и оказывают на них неспецифическое воздействие;
б) отсутствуют в неиндуцированных растениях и образуются лишь в ответ на действие индуцирующего фактора;
в) локально накапливаются в месте воздействия индуцирующего фактора и его ближайшем окружении.
Состояние резистентности не наследуется, а каждый раз заново приобретается при действии индуцирующего фактора.
Третий этап – концепция стресса Г.Селье, пришедшая в ботанику из физиологии животных. Были получены доказательства того, что любое достаточно сильное стрессовое воздействие, как биотическое, так и абиотическое, запускает в растениях последовательность одних и тех же защитных реакций, следствием которых становится неспецифическое, краткосрочное, системное повышение устойчивости к повторному действию стрессоров. Эта последовательность защитных реакций была названа «неспецифическим адаптационным синдромом», а один из симптомов этого синдрома – «системной приобретенной устойчивостью» (SAR) [57]. С середины 1980-х гг. явление приобретенной устойчивости растений стало рассматриваться именно в таком контексте.
Четвертый этап – концепция элиситора (от англ. elicit – выявлять, вызывать). Элиситоры – биотические (эндогенные и экзогенные) или абиотические факторы, индуцирующие в растениях неспецифический комплекс защитных реакций (неспецифический адаптационный синдром), одним из проявлений которого является кратковременное индуцирование неспецифической устойчивости. Пятый этап – концепция системного подхода, согласно которой защитные реакции у растений не могут быть объяснены как проявление какого-либо конкретного физиологического механизма и определяются взаимодействием самых различных компонентов единой системы – растительного организма. Гипотезы, построенные на системном подходе, не смогли в полной мере объяснить явление приобретенной устойчивости, механизмы ее проявления и регуляции и свидетельствовали о научном кризисе в данной области знаний.
Шестой этап – раскрытие механизмов формирования системной устойчивости посредством так называемых сигнальных систем клеток растений [58]: а) салицилат-зависимой, б) системин-зависимой, в) системы распознавания биогенных элиситоров. Эти сигнальные системы запускают серию универсальных сигнальных каскадов, которые и формируют системную резистентность [59].
Квинтэссенция этого экскурса в историю проблемы такова: одним из важнейших механизмов, обеспечивающих защиту растительного организма от различного рода деструктивных (стрессовых) воздействий (биотических и абиотических), является системная приобретенная устойчивость (SAR). Повышение резистентности растений таким способом является неспецифичным (универсальным), краткосрочным и системным. Это означает, что: а) в ответ на действие самых различных деструктивных факторов растение отвечает одной и той же универсальной реакцией (неспецифичность);
б) состояние повышенной устойчивости растения сохраняется им лишь на непродолжительный промежуток времени и затем утрачивается (краткосрочность);
в) воздействие на один орган растения сопровождается временным повышением устойчивости остальных его органов, удаленных от места воздействия (системность).
К сожалению, в настоящее время по-прежнему непросто охарактеризовать всю последовательность метаболических процессов, в результате которых формируется системная резистентность растений, не говоря уже о роли дождевых червей в этом феномене, кои сами по себе, как и продукты их жизнедеятельности, стрессорами не являются. Тем не менее, кое-что мы можем поведать Вам, любознательный читатель. Во-первых, разберемся с элиситорами.
5.2. Эти загадочные элиситоры
Вызывать приобретенную устойчивость могут биотические и абиотические факторы, которые в научной литературе часто называют индукторами. Это не совсем корректно, так как слово «индуктор» является общепринятым термином молекулярной генетики и поэтому его использование при описании приобретенной устойчивости (SAR) растений крайне нежелательно, а следует применять термин «элиситор». К экзогенным биотическим элиситорам относятся грибы, бактерии, вирусы, насекомые-фитофаги, почвенная микрофауна и их метаболиты. Иными словами, все естественные биотические контакты растений в той или иной мере связаны с элиситорами. Эндогенные биотические элиситоры являются производными веществ самого растения, возникающими в ходе патологического процесса (например, олигомеры пектина клеточных стенок растений, образующиеся в результате их деструкции патогенном). К абиотическим элиситорам принадлежат химические вещества (соли тяжелых металлов, пестициды) или их смеси и физические воздействия (излучения, перепады температур, механические повреждения и пр.).
Биотические стресс-факторы растений
Фитофаги (насекомые, травоядные животные) и нематоды, питаясь растениями, наносят механические повреждения.
Патогены–некротрофы немедленно убивают клетки растения и питаются ресурсами уже убитых клеток (могут существовать на растительных остатках). Патогены–гемибиотрофы инфицируют живые ткани растений, отключая у них систему защиты, но после определенного срока убивают инфицированные клетки и питаются ресурсами уже убитых клеток (необходимы живые растения, но могут существовать и на растительных остатках). Патогены–биотрофы используют ресурсы живых клеток растения, отключая у них систему защиты (для их существования необходимы живые клетки растений). Вирусы, заселяя живые клетки растений, размножаются в них (необходимы живые клетки).
Следует иметь в виду, что не всякий элиситор является стрессором (например, эндогенные элиситоры или вещества, продуцируемые PGPB), и не всякий стрессор является элиситором (например, летальные стрессоры). Попросту говоря, экзогенные биотические элиситоры могут продуцироваться не только вредоносными, но и весьма дружественными для растений организмами, то есть существуют элиситоры, которые безвредны по отношению к клеткам растения и потому не могут рассматриваться как стрессоры (группа биогенных элиситоровбиогенных элиситоров). Это очень важно для понимания механизмов формирования системной резистентности растений при действии как PGPB, так и дождевых червей и продуктов их жизнедеятельности, поскольку, как Вы понимаете, они какого-либо отношения к фитопатологии не имеют. Но об этом позже.
Химическая природа биотических элиситоров самая разная. Это представители многих классов органических веществ (в частности, углеводов, белков, липидов, олигосахаридов, гликопротеидов, карбоновых кислот), синтезируемые патогенными организмами, а также фитогормоны этилен, абсцизовая, жасмоновая и салициловая кислоты, полипептид системин и некоторые другие соединения, образующиеся в клетках растений и продуцируемые фитостимулирующими бактериями (PGPB) [60].
Несмотря на многообразие биотических элиситоров, их объединяет одно важное свойство: эти соединения «работают» не против патогенетических факторов, а оказывают влияние на растение, повышая его устойчивость к широкому спектру стресс-факторов. Если речь идет о биотических стресс-факторах (в частности, патогенах, вредоносных насекомых и нематодах), то обработка растений экзогенными биотическими элиситорами, в отличие от химических пестицидов, не сопровождается формированием устойчивости у возбудителей фитозаболеваний и вредителей. О практической значимости этого феномена мы поговорим в заключение нашей беседы.
5.3. Таинственные растительные сигналы
Во-вторых, уважаемый читатель, чтобы понять, каким образом дождевые черви влияют на индуцирование системной резистентности растений, нужно иметь хотя бы общие представления о хемосигнальных системах растений. Это достаточно хорошо изученный раздел физиологии растений [58, 61], из которого мы позаимствуем самую малость информации. В настоящее время известно несколько классов различных по химической природе сигнальных молекул экзогенного и эндогенного происхождения, которые выполняют функции гормонов в клетках растений и контролируют их рост, дифференцировку, апоптоз, широкий спектр физиологических и биохимических процессов, в том числе и формирование SAR или ISR. Основными представителями фитогормонов являются ауксины, гиббереллины, цитокинины, этилен, брассиностероиды, жасмоновая и абсцизовая кислоты. Некоторые из них структурно близки к гормонам животных, грибов, бактерий. Для восприятия генерируемых фитогормонами сигналов и их преобразования в конечный ответ клетки растений используют различные по своей структурно-функциональной организации хемосигнальные системы, запускающие универсальные сигнальные каскады – аденилатциклазный, кальциевый, липоксигеназный, МАР-киназный, НАДФН-оксидазный, NO-синтазный, протонный, фосфатидный, митохондриальный, хлоропластный.
В рамках нашей беседы нецелесообразно останавливаться на сложных многоступенчатых процессах, однако придется обратить Ваше внимание, уважаемый читатель, на следующее [62]:
1. В ответ на деструктивное стрессовое немеханическое воздействие биотрофов в растительных клетках запускается салицилат-зависимый путь формирования системной приобретенной резистентности (SAR). Важную роль в регуляции устойчивости играет салициловая кислота.
2. В ответ на деструктивное стрессовое механическое воздействие некротрофов и фитофагов в растительных клетках запускается системин-зависимый путь формирования системной приобретенной резистентности (SAR). Важную роль в регуляции играют жасмоновая кислота и этилен.
3. В ответ на безвредное воздействие биогенных элиситоров в растительных клетках запускается система распознавания биогенных элиситоров и формирования индуцированной системной резистентности (ISR).
Феномены приобретенной системной резистентности (SAR) и индуцированной системной резистентности (ISR) фенотипически схожи, то есть внешние проявления реакции растения на деструктивное и безвредное воздействия направлены на его защиту от реальных и потенциальных стресс-факторов, соответственно. Однако ISR, в отличие от SAR, не сопровождается видимыми (внешние проявления) и невидимыми (генетические, молекулярно-биохимические) патологическими «симптомами» (рис. 2).
У них судьбы разные
При действии элиситоров различной природы первичным оказывается какой-то один сигнальный путь, однако впоследствии он активирует другие пути, что может привести к их интерференции, вплоть до взаимной инактивации или значительного усиления резистентности растений [63]. Против ряда патогенов существуют независимые от SAR и ISR защитные системы, в индукции которых принимают активное участие абсцизовая и β-масляная кислоты. Выяснилось также, что защитные реакции растений могут носить не только неспецифический, но и высокоспецифичный характер. Растения имеют высокоспецифичные рецепторы, которые распознают те или иные метаболиты фитопатогенов и запускают реакцию запрограммированной гибели инфицированных клеток (апоптоз).
Хотя химическая природа многих биогенных элиситоров известна давно, механизмы их распознавания и запуска ими реакций индуцирования ISR до сих пор не совсем ясны [64]. На примере PGPR предполагается, что биогенные элиситоры распознаются гликопротеиновыми рецепторами на поверхности плазмалеммы растения-хозяина, после чего запускается каскад реакций, приводящий к накоплению фитоалексинов, лигнификации клеточных стенок и другим защитным реакциям. Считается также, что важная роль в передаче сигнала от биогенных элиситоров принадлежит системину. Высказывается предположение, что вслед за распознаванием биогенных элиситоров происходит включение системин-зависимого и связанного с ним салицилат-зависимого сигнальных каскадов, однако механизмы этой активации остаются загадкой (рис. 2) [65].  Рисунок 2. Гипотетическая схема системных сигнальных путей растений при воздействии непатогенных ризобактерий PGPR копролитов дождевых червей, фитопатогенов и механическом повреждении насекомыми. ISR, обусловленная PGPR, как правило, независима от салициловой сигнальной системы и не связана с изменениями в экспрессии генов резистентности, а ассоциируетсяс запуском защитных механизмов [66]. Непатогенные ризобактерии не индуцируют синтез патогенетических протеинов (PRs). Вместо этого они проявляют более быструю или сильную активацию защитных механизмов, зависящих от жасмонатного пути, повышая уровни пероксидазы, фенилаланин-аммонийной лиазы, неидентифицированных фитоалексинов, полифенольных оксидаз и халькон-синтазы.
JA – жасмоновая кислота, жасмонатный путь. SA – салициловая кислота, салицилат-зависимый путь. SAR – системная приобретенная резистентность. ISR – индуцированная системная резистентность. NPR – неэкспрессированные гены патогенобусловленных протеинов. PRs – патогенобусловленные протеины. 1 – 5 – первоисточники компиляции: 1 [67], 2 [68], 3 [69, 70], 4 [71], 5 [72].
Как видим, несмотря на активный интерес исследователей к изучению системы распознавания биогенных элиситоров (в том числе и червячных) и формирования индуцированной системной резистентности, осталось еще немало загадок.
5.4. Микробно-червячная «фитогормонотерапия»
Поскольку дождевые черви и продукты их жизнедеятельности не являются стрессорами для растений, то их, очевидно, стоит рассматривать как биогенные элиситоры. Какова природа этих элиситоров?
В тканях дождевых червей [73-75, 109] и их копролитах [76] были обнаружены регуляторы роста растений. Это гормоноподобные соединения [77] (ауксины, гиббереллины, цитокинины, этилен, абсцизовая и салициловая кислоты), которые многими исследователями были включены в группу биогенных элиситоров, и другие биологически активные вещества негормональной природы (витамины, ферменты, аминокислоты и др.), регулирующие рост. Важно заметить, что указанные фиторегуляторы имеют микробное происхождение и определяются в значительных количествах [78, 79]. Это говорит о том, что в свое время дождевые черви неплохо «поработали», стимулируя рост и активность PGPB [39, 80, 81]. Микробная активность копролитов дождевых червей в 10-20 раз выше таковой микроорганизмов почвы и других органических субстратов [82].
В копролитах, кроме того, были идентифицированы гумусовые субстанции [2], обладающие ауксиноподобной активностью, и целый ряд других БАВ. Ауксиноподобный эффект гуминовых веществ связывают с наличием в их составе β-индолилуксусной кислоты (ИУК), находящейся в низкомолекулярной гуминовой фракции, активность которой определяется низкой молекулярной массой и высоким содержанием ароматических, карбоксильных и фенольных групп [83, 84].
Таким образом, регуляторами роста растений копролиты дождевых червей обязаны а) микробному сообществу, продуцирующему фитогормоны; б) гумусовым соединениям, сорбирующим эти БАВ; а также в) низкомолекулярной фракции гуминовых веществ.
Микробное «братство» пищеварительной системы дождевых червей обогатило копролиты легкорастворимыми и светочувствительными фитогормонами и, абсорбировав их на гумусовых частицах, превратило в суперстабильное биоудобрение с пролонгированным механизмом действия [85]. Вермикомпост признан богатым источником многих соединений, регулирующих рост растений [86]. Они могут оказывать различное влияние на растения. Например, ауксины и цитокинины ответственны за усиление роста растений посредством модификации их морфогенеза, а этилен, салициловая и жасмоновая кислоты, низкомолекулярная гуминовая фракция индуцируют устойчивость к стресс-факторам [87, 88].
Фитогормоны являются высокоактивными веществами, действующими в очень низких концентрациях (до 10-15 М). Поскольку их содержание в вермикомпостах может быть относительно высоким, а композиционный состав различным, то использовать такие биоудобрения нужно не «на глаз», а строго соблюдая рекомендации по применению. Для нормального роста необходимо не просто присутствие гормонов, а их определенное соотношение, поскольку действие одних гормонов часто антагонистично действию других. Полагаю, уважаемый читатель, теперь мы сможем объяснить факты негативного влияния вермикомпостов на растения, о которых говорилось в самом начале нашей беседы?
Следовательно, вермикомпост – это уникальный природный продукт, сочетающий в себе удобрительные, ростостимулирующие, фитопатогенконтролирующие и индуцирующие системную резистентность растений свойства [89].
Рекомендуем
Механизмы удобрительных, ростостимулирующих и фитопатогенконтролирующих эффектов вермикомпостов достаточно неплохо изучены и вписываются в классические постулаты из учебников по физиологии растений, биологии почв и фитопатологии. Мы рекомендуем читателю самому в этом убедиться, открыв вузовские учебники [87, 90-92].
В то же время, несмотря на огромный массив информации о влиянии дождевых червей и продуктов их жизнедеятельности на повышение устойчивости растений к действию стресс-факторов, сведения о механизме этого феномена весьма ограничены. Доминирующее число исследований базируется лишь на констатации факта как такового [19] или предположениях о существовании неких механизмов влияния дождевых червей на биохимию растений, вызывающих повышение устойчивости к стресс-факторам [93, 94]. Тем не менее, имеются данные о положительном влиянии дождевых червей на экспрессию в листьях растений генов липоксигеназы – первого фермента, играющего важную роль в регуляции жасмонатного пути, фосфолипазы D и цистеиновой протеазы [19]. Следовательно, воздействие дождевых червей на растения в плане ISR аналогично таковому непатогенных ризобактерий PGPR (рис. 2), что подтверждает высказанное выше предположение о принадлежности веществ, продуцируемых дождевыми червями, к группе биогенных элиситоров. Более того, проводится параллель между механизмами влияния PGPR и дождевых червей на растения [95].
Напомним, что ISR, вызванная PGPR, не связана с изменениями в экспрессии генов резистентности, а обусловлена запуском защитных механизмов. Аналогичная картина наблюдается и в случае с дождевыми червями. В частности, установлено, что присутствие дождевых червей в почве может сопровождаться повышением синтеза защитных глюкозинолатов (природных пестицидов) у крестоцветных растений [96, 97]. При повреждении растительных тканей фермент мирозиназа катализирует превращение глюкозинолатов в различные метаболиты – изотиоцианаты, нитрилы и эпитионитрилы. Эти соединения вовлекаются в активную защиту, уменьшая повреждающее действие вредителей и патогенов.
Высказывается предположение, что, несмотря на длительную эволюционную дивергенцию, PGPR, дождевые черви, а также почвенные простейшие и коллемболы модулируют рост растений посредством одного и того же механизма, то есть с помощью сигнальных молекул. Для подтверждения данной гипотезы необходимо иметь возможность различать ситуации, когда дождевые черви
а) сами продуцируют сигнальные молекулы;
б) десорбируют старые сигнальные молекулы из почвы и органических субстратов; в) потребляют и переваривают бактерии, выделяющие сигнальные молекулы в почву или субстрат;
г) стимулируют PGPR или другие бактерии, продуцирующие сигнальные молекулы.
Это предполагает проведение специальных исследований для определения возможного общего сигнального пути, участвующего во взаимоотношениях растений и почвенных организмов. Подтверждение данной гипотезы может внести поправку в экологическую теорию, преимущественно базирующуюся на трофических связях организмов.
Получены сведения о влиянии дождевых червей на экспрессию генов, контролирующих стрессовые реакции растений на механическое повреждение и избыток активных форм кислорода [3].
Сравнительно недавно [98, 99] описан ИУК-пероксидазный сигнальный путь формирования индуцированной системной резистентности в растениях. В процессе индукции устойчивости участие пероксидаз определяется не только генерацией высокотоксичных молекул Н2О2, но и установлением структурных барьеров в результате стимуляции пролиферации процессов лигнификации и суберизации клеточной оболочки, формирования перекрестных сшивок полисахаридов клеточной стенки, опосредованных окислением их компонента – феруловой кислоты. Ученые пришли к выводу о существовании специфического центра связывания индолилуксусной кислоты в молекуле пероксидазы. Наличие ИУК в составе гуминовых веществ копролитов дождевых червей сопровождается их способностью не только стимулировать рост клеток, но и повышать уровень пероксидазы, то есть индуцировать системную устойчивость.
Таким образом, несмотря на ограниченность и разрозненность сведений о механизмах индуцирования системной устойчивости растений дождевыми червями, напрашиваются вполне закономерные выводы:
1. Взаимоотношения дождевых червей и растений основаны не только на трофических связях, но и на обмене химическими сигналами, тем самым подтверждая существование в Природе универсального языка – языка молекулярных сигналов.
2. Растительно-червячные взаимоотношения следует считать сложными и комплексными ввиду множества механизмов, их обусловливающих.
3. Свойства почвы и ее обитатели, прежде всего микробное сообщество, физиология растений и поведение дождевых червей определяют и оказывают влияние на эти механизмы [3].
6. От совершенства природы – к совершенству промышленных технологий
Вот мы и приблизились к заветному концу, многотерпеливый читатель! Поскольку мы, люди, страдаем антропоцентризмом, было бы непростительной шибкой не указать на ту выгоду, которую Homo sapiens пытается извлечь для себя, любимого, из растительно-червячных отношений.
Человек во все времена стремился взять на вооружение все лучшее у Природы, имеющей во много раз более солидный возраст. Функциональное своеобразие и совершенство простейших микроорганизмов, растений и животных будет вечно оставаться предметом научного познания мира. Знания, полученные от такого мудреца с жизненным опытом в миллионы лет, берутся на вооружение конструкторами, врачами, учеными и инженерами многих отраслей науки и производства. Именно многофункциональность некоторых животных и растений имеет немалый и оправданный интерес для ряда видов деятельности человека и предпринимательства. Синтез хорошо апробированных самостоятельных решений и технологий нередко позволяет полнее использовать опыт Природы для одновременного решения достаточно сложных задач.
На современном этапе развития науки и практики индуцированный иммунитет растений приобретает все большее практическое значение в интегрированной системе защиты растений [100]. Повышение устойчивости растений к болезням и вредителям под влиянием факторов биотической и абиотической природы представляет большой интерес для разработки альтернативных методов защиты растений. Применение средств защиты растений, действие которых направлено на возбудителей заболеваний, рано или поздно приводит к формированию устойчивости патогенов и вредителей к этим препаратам. Индукция резистентности растений к заболеваниям и вредителям не имеет такого негативного последствия. Элиситоры, как правило, не обладают биоцидным действием, а воздействуют на вредный организм через растение, активируя его эндогенные защитные механизмы. Применение элиситоров не сказывается отрицательно на экологии и часто кроме защиты от болезней и вредителей сопровождается повышением урожая культуры и его качества. Это перспективное направление в арсенале средств борьбы с фитозаболеваниями и паразитами растений [101].
Учитывая ориентацию земледелия на применение экологически безопасных средств защиты растений, а также преимущества индукторов болезнеустойчивости на основе элиситоров, представляется целесообразным разработка и применения препаратов на основе вермикультуры и вермикомпостов.
В практике защиты растений существует ряд коммерческих препаратов-индукторов болезнеустойчивости на основе элиситоров или сигнальных молекул (бактериальных культур, хитозана, органических кислот) [102]. Однако этот список не столь обширен, как хотелось бы, что связано с рядом причин. Одна из них – отсутствие в российской системе государственной регистрации агрохимикатов 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 сожалению, российская сельскохозяйственная наука малознакома с тем, что вермикомпост может индуцировать системную устойчивость растений к заболеваниям. В то же время имеются доказательства того, что компосты индуцируют системную резистентность растений к ряду заболеваний [103-107], а микроорганизмы, входящие в состав вермикомпостов, являются продуцентами биогенных элиситоров. Но основательных работ в этом плане в нашей стране проводилось мало. В мировой практике биологической защиты растений с помощью дождевых червей и продуктов их жизнедеятельности все же имеются коммерческие препараты – Антифунг (Польша) [108] и Стиммунол ЕФ (Россия) [74, 75, 109]. Будем надеяться, что со временем этот список пополнится новыми перспективными препаратами – экологически безопасными средствами защиты растений.
Популярная версия статьи опубликована по следующему адресу: http://www.biomolecula.ru/content/1366
| 
