Микробные препараты для сельского хозяйства / Тема 1

Тема 1

Цель и задачи курса «Микробные препараты для сельского хозяйства. Становление микробиологического метода защиты растений»

Целью изучения дисциплины является показать роль микробных препаратов в защите растений от вредителей и болезней, улучшении минерального питания и стимуляции роста растений. В процессе изучения курса мы с вами рассмотрим теоретические основы применения микроорганизмов для борьбы с вредителями и болезнями культурных растений, ознакомимся с основными группами энтомопатогенных микроорганизмов (бактериями, грибами, вирусами) и болезнями, возбудителями которых они являются, ознакомимся с основными микробами-антагонистами возбудителей болезней растений, а также с методами выделения, селекции и культивировании перспективных штаммов микроорганизмов, ознакомимся с наиболее широко известными микробными препаратами, используемыми для защиты растений от вредных организмов, биоудобрениями и стимуляторами роста растений микробного происхождения, с технологиями их производства и применения.

Плодородие почвы в значительной степени определяется ее фитосанитарным состоянием, под которым принято понимать уровень загрязнения сельскохозяйственных угодий сорняками, фитопаразитами и фитопатогенами. Суммарная потеря урожая сельскохозяйственных культур от болезней, вызываемых различными патогенными организмами, достигает в Украине 50 %. Потенциальные потери от сорных растений составлют (в среднем за год): для зерновых – 35 %, сахарной свеклы – 43 %, овощных культур – 49 %, винограда – 46 %, кормовых культур – 28 %. Высокие потери урожая сопровождаются снижением качества оставшегося, а при хранении сельскохозяйственной продукции они дополнительно достигают 60 – 80 %.

Бурное развитие химии и переход сельского хозяйства на интенсивные технологии привело к появлению и применению огромного разнообразия химических веществ для борьбы с вредителями и болезнями культивируемых видов. Первоочередное место заняли пестициды – ядовитые химические вещества, используемые для борьбы с вредителями, болезнями и сорняками. Однако только небольшая часть (около 10 %) применяемых и вносимых в окружающую среду пестицидов достигает цели; основная же масса этих веществ вызывает гибель полезных организмов, аккумулируется в биологических объектах, нарушает равновесие в природных экосистемах и биоценозах, загрязняет почвы, водоемы, воздух. Химические пестициды не обеспечили при этом полную защиту сельскохозяйственных культур; большое число насекомых и сорняков остались неконтролируемыми и продолжают наносить огромный вред сельскому хозяйству. Более того, вредители начинают приобретать резистентность к пестицидам. Появились данные о том, что для уничтожения некоторых вредителей приходится применять сверхвысокие дозы пестицидов, в тысячи раз превосходящие начальные дозы токсикантов в первые годы их применения. В настоящее время в литературе описаны сотни видов членистоногих, резистентных к различным пестицидам (карбаматам, пиретроидам, фосфорорганическим соединениям).

Таким образом, применение пестицидов вступило в явное противоречие с глобальной проблемой защиты окружающей среды. В настоящее время все большее развитие получает понимание необходимости биологизации средств борьбы с фитопатогенами, вредителями и сорняками.

Биологическая защита растений базируется на мероприятиях, направленных на регуляцию численности наиболее опасных вредных организмов с помощью методов биологического воздействия (использование паразитов вредных насекомых, микробов-антоганистов и продуктов их жизнедеятельности и т.д.).

Биологические агенты применяли для уничтожения вредителей с древнейших времен. Например, китайцы использовали фараоновых муравьев для уничтожения вредителей в зернохранилищах. Во времена Аристотеля (IV в до н.э.) в период интенсивного одомашнивания пчел и тутового шелкопряда человек сталкивался с массовыми заболеваниями этих насекомых. В одном из трактатов Аристотель описывает ржавчину хлебных злаков, как выяснилось значительно позже, болезнь бактериального происхождения. Не зная истинной причины ржавчины, ученый тем не менее, связывает появление болезни с видимыми, вполне реальными явлениями, в частности с гниением отдельных частей растений, и констатирует, что особое распространение ржавчина хлебных злаков приобретает в отдельные годы, т. е. интенсификация болезни зависит от естественных условий. Будучи сыном врача и сам иногда занимаясь лечением, а также имея философский склад ума, он считал, что из четырех основных элементов мира (земли, воды, воздуха, огня) лишь последний есть свободным от гниения, а для других оно есть естественным. Именно Аристотель ввел понятие «гниение» в медицинскую науку, и лишь несколько столетий позже его заменили термином «инфекция».

Первая регистрация болезней насекомых была установлена в начале XIX века. В это время некоторыми исследователями наблюдалась связь между грибами и инфекциями насекомых. Первое прямое доказательство возможности передачи болезни от одного организма к другому получил в 1935-1939 гг. итальянский ученый Агостино Басси. Он изучал заболевание шелковичных червей, известное как «белая мускардина» и установил, что оно является заразным, а вызывает его особый гриб, названный ученым Botrytis paradosa. А. Басси рекомендовал шёлковой промышленности использование дезинфицирующих средств, изоляцию заражённых гусениц тутового шелкопряда от здоровых и соблюдение гигиенических норм. Это принесло ему широкую известность.

В дальнейшем детально возбудитель белой мускардины изучал и описал Бальзамо, который назвал его Botrytis bassiana. В 1911 г. Бовери выделил этот гриб в отдельную группу вместе с близкородственным видом B. еffuse. В 1912 г. при пересмотре систематики Hyphomycetes Виллемен выделили род Beauveria, и возбудитель белой мускардины стал называться Beauveria bassiana.

После работ А. Басси был целый ряд исследований, посвещенных изучению болезней насекомых. В 50-е годы XIX в. Герен, Филипи, Корналиа, Негели, Витьадини и др. были описаны споры ноземы (паразитического простейшего из отряда микроспоридий). Но все работы, которые появились в научной литературе в этот период носили лишь информационный характер и не использовались на практике.

В 1865 году Л. Пастер изучал болезни тутового шелкопряда и предложил эффективные меры борьбы с нозематозом. В 1970 г. Пастер опубликовал работу «Исследование болезней шелковичных червей, в которой кроме пебрины, возбудителем которой является микроспоридии нозема, ученый рассматривал заболевание, известное под названием «флашерия», или «спячка», анализирует причины и предлагает меры предупреждения этих заболеваний, которые могут принимать форму эпизоотий. Следует отметить, что эта первая работа, в которой доказывается бактериальная природа заболевания. В пищеварительном канале больных гусениц Пастер обнаружил присутствие различных микроорганизмов: одни из них являются в виде очень подвижных палочек, другие в виде кокков, объединенных в коротенькие цепочки. И. Красильщик вновь исследовал эту болезнь и нашел, что она вызывается особым стрептококком, который он и назвал Streptococcus рastorianus. Он выделил чистую культуру возбудителя и заразил здоровых гусениц, у которых развились типичные симптомы «флишерии».

В 1879 г. И.И. Мечникову удалось выделить возбудителя болезни хлебного жука – мускаридный гриб. Позже в 1888 г. Н. Сорокин дал этому грибу название Metarrisium anisopliae – зеленая мускардина. На очищенном пивном сусле И.И. Мечников в 1880 г. получил культуру зеленой мускардины и показал, что этот патоген способен заразить свекловичного долгоносика. Ученому удалось привлечь к исследованию мускардины Льва Семеновича Ценковского, который не только проводил производство спор, но и изучал влияние условий среды на патогенность гриба. Он считал также, что при изучении эпизоотии необходимо учитывать физиологическое состояние организма насекомого.

Для производства и полевых исследований грибного препарата на основе спор зеленой мускардины И.И. Мечников привлек энтомолога Исаака Матвеевича Красильщика, который организовал украинскую биоэнтомологическую станцию под Киевом (Смела). Со временем были обнаружены другие виды грибов, поражающие свекловичного долгоносика, но все же самым эффективным против долгоносика остается открытый И.И. Мечниковым возбудитель зеленой мускардины, от которого в разные годы, в зависимости от климатических условий погибало от 20 до 80 % вредителей.

Итак, в конце XIX века работами Л. Пастера и И.И. Мечникова была заложена научная основа микробиологичного метода борьбы с вредными организмами. Кроме положительного опыта применения энтомопатогенов, были предприняты попытки использования возбудителей болезней грызунов. Л. Пастер предложил применять бактерию – возбудитель куриной холеры для борьбы с дикими кроликами, а И.И. Мечников этого же возбудителя – для уничтожения сусликов.

С тех пор направление, основанное на использовании микроорганизмов – природных патогенов для борьбы с возбудителями болезней и вредителями культурных биологических видов в природных условиях, непрерывно совершенствуется. В 1891 г. в Санкт-Петербурге при департаменте земледелия была создана сельскохозяйственная бактериологическая лаборатория. В первые годы ее существования Сергей Сергеевич Мережковским (1893 г.) и Борис Лаврентьевич Исаченко (1897 г.) от больных грызунов были выделены бактерии, возбудители брюшинной тифозной инфекции, на основе которых были созданы препараты против вредных грызунов.

При Канзаском университете (США) Ф. Сноу начал серию опытов по изучению грибных и бактериальных заболеваний пшеничного клопа. Он предложил использовать зараженных белой мускардиной клопов для распространения болезни на полях.

В 1901 г японский ученый С. Ишивата снова описал заболевание «sotto» тутового шелкопряда и изолировал возбудителя. Затем Е. Берлинер из личинок среднеземноморской мучнистой моли изолировал аналогичные бактерии, идентифицировал их и описал как Bacillus thuringiensis. В Японни в это же время публикуют описание микроорганизма С. Ишиваты под названием Bacillus sotto.

В 1962 г. Международным конгрессом по патологии было определено систематическое положение кристаллообразующих энтомопатогенных бактерий, с тех пор Bacillus thuringiensis приобрела статус вида.

Развитию патологии насекомых как науки, безусловно, оказывали содействие организации специализированных департаментов, лабораторий, институтов. Так, в начале ХХ века в институте Пастера во Франции русским ученым Сергеем Ивановичем Метальниковым создан отдел патологии насекомых. В отделе патологии насекомых работали В. Шорин, К. Туманов, Я. Ермолаев. Они установили патогенность выделенной Берлинером B. thuringiensis для различных видов насекомых отряда Lepidoptera. Исследования, проведенные сотрудниками Института Пастера по применению B. thuringiensis против кукурузного мотылька, хлопковой совки, виноградной листовертки показали широкие перспективы использования ее как патогена.

Кроме В. thuringiensis, большое практическое значение в США приобрела другая споровая бактерия - Baccilus popiliae- возбудитель молочной болезни пластинчатоусых жуков. В 40-е годы ХХ в.С. Датки на основе возбудителя этой болезни получил препарат, который использовался против японского жука.

В Всесоюзном институте защиты растений (СССР, Ленинград) А.А. Евлаховой, В.П. Поспеловым исследовались микозы насекомых. В результате был разработан первый отечественный препарат боверин на основе Beauveria bassiana. В дальнейшем Поспеловым В.П. основан отдел патологии насекомых при Украинском НИИ защиты растений. Во время эпизоотий гусениц пчелиной огневки Galleria mellonella была выделена кристаллообразующая бактерия, на сегодня известная как В. thuringiensis ssp. Galleriae. Исследованиями О.И. Швецовой, Э.Р. Зурабовой, А.Я. Лесковой и др. было обеспечено получение образцов бактериального препарата «Энтобактерин». В 60-е годы начато массовое производство этого препарата на Бердском заводе биопрепаратов (Новосибирск). Благодаря работам профессора кафедры микробиологии ИГУ Е.В. Талалаева и его школы создан биопрепарат «Дендробациллин» на основе В. thuringiensis ssp. dendrolimus, выделенной из сибирского шелкопряда. Показана возможность создания искуственных эпизоотий при одноразовом внесении бактериальных препаратов в лесной биоценоз.

Большие и плодотворные исследования по поиску, выделению и изучению кристалообразующих бактерий провели Э.К. Африкян и его сотрудники.

В конце 50-х гг. Ученые начали активные исследования естественных популяций вирусов насекомых и работы по их практическому использованию. С.М. Гершензон основал школу вирусологов-энтомопатологов в Институте молекулярной биологии и генетики Украинской Академии Наук. (Киев). Большое внимание сотрудники уделяли разработкам методов продуцирования вирусов в культуре клеток насекомых, биохимическим и молекулярным аспектам изучения репродукции вирусов в насекомых.

Ныне в области биологического метода защиты растений основное внимание уделяется изучению условий, которые определяют эффективность естественных врагов вредных организмов и разработке методов направленного регулирования взаимоотношений между ними. При этом важный акцент делается на поиск путей объединения биологической борьбы с другими методами в интегрированных программах.