Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Элиситоры и их применение в растениеводстве
.pdf
Рис. 39. 2-(1,3-диоксонил-2)фуран
3.1.4. Препараты на основе микроорганизмов
В последние годы большое внимание уделяют внедрению
в растениеводство высокоэффективных препаратов биологического происхождения на основе активных штаммов микроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности [600]. При подборе
биоагентов для разработки микробных препаратов чаще всего
используются представители ризосферных микроорганизмов родов Bacillus (бациллярные штаммы), Pseudomonas (псевдомонадные штаммы), Streptomyces (актиномицеты) и некоторых других,
способных индуцировать в растении широкий спектр метаболитов и помочь ему хорошо приспособиться к условиям ризосферы
[60 0]. Кроме них прочные ассоциации с растениями формируют
микоризные виды грибов [600]. К существенному снижению количества фитопатогенов приводит обработка посевного материала такими микробными препаратами, которые отличаются высокой длительностью действия и не накапливаются в растениях.
В некоторых случаях возможно использование смешанных препаратов, основанных на смесях совместимых микроорганизмов.
Особый интерес для разработки и коммерческого производства таких биопрепаратов представляют штаммы бактерий рода
Bacillus [6 01]. Дело в том, что они являются одной из основных
групп микробного сообщества почвы и ризосферы растений [602],
обладают антагонизмом к широкому кругу патогенов, долговременностью защитного действия. Из этих бацилл наиболее изу-
чены многочисленные штаммы Bacillus subtilis. Они способны
формировать прочные ассоциации с определенными тканями
и органами растений, проникая в них и формируя симбиотические взаимоотношения с растениями.
151
Спрашивается, какое отношение биопрепараты на основе микроорганизмов имеют к элиситорам? Дело в том, что в растениях
под влиянием ассоциируемых с упомянутыми микроорганизмами элиситоров могут включаться такие механизмы защитной
системы, как индуцированная системная устойчивость [304]. Еще
в 1970-х гг. было установлено [603, 604], что бактерии-антагонисты стимулируют рост растений и одновременно могут защищать их от стрессов как биотической, так и абиотической природы. Выраженность эффекта индуцированной устойчивости может
в значительной степени варьироваться в зависимости от бактериального штамма и вида растения [74]. Таким образом, защитное
действие биопрепаратов на основе микроорганизмов в определенной степени обусловлено способностью связанных с микроорганизмами элиситоров индуцировать защитные отклики растений [605], в частности, выработку различных ферментов, разрушающих клеточные стенки патогенов (хитиназы, β-1,3-глюканазы)
или синтез в растениях различных сигнальных молекул (SAs,
JAs, ET ). Поэтому способность связанных с биопрепаратами элиситоров индуцировать устойчивость растений в отношении фитопатогенов и насекомых дает основание рассматривать некоторые биопрепараты на основе микроорганизмов как препараты,
действие которых основано в том числе и на элиситорной активности продуктов жизнедеятельности микроорганизмов.
К настоящему времени на рынке стран СНГ появились биопрепараты на основе таких бактерий, как B. subtilis (Фит о с по рин-М, Алирин-Б, Гамаир, Глиокладин, Экстрасол-55 и некоторые
другие), Pseudomonas aureofaciens (Агат-25К и др.) и некоторых
других. Фитоспорин-М – один из самых известных и эффективных биопрепаратов на основе бактериального штамма B. subtilis
26Д, который продуктами своей жизнедеятельности подавляет
многие грибные и бактериальные патогены, стимулирует рост
растений, а также повышает устойчивость растений против биотических стрессов. Он эффективен против гнилей семян различных культур, фитофтороза, альтернариоза картофеля [606]
и отличается большой длительностью действия. Продукты жизне-
деятельности бацилл Фитоспорина-М (фунгицидные олигопеп-
152
тиды) способны подавлять действие фитопатогенов внутри растения, в прикорневой зоне и надземной части.
В случае неблагоприятных погодных условий (сильные морозы и жара) эта бактериальная культура может переходить в пассивное споровое состояние. При наступлении благоприятных
условий эти бактерии переходят в активное состояние и защищают растения и почву от болезней. В состав Фитоспорина-М кроме того входят микроэлементы и гуминовые вещества, стимулирующие размножение бактериальной культуры, дополнительно
увеличивающие устойчивость растений и усиливающие ростостимулирующую активность. Он предназначен для защиты овощных, плодово-ягодных и декоративных культур от ряда грибных
и бактериальных заболеваний (фитофтороз и ризоктониоз на картофеле, парша и гнили на плодовых культурах, гоммоз на хлопчатнике). Наконец, Фитоспорин-М за счет снижения уровня патогенной микрофлоры может улучшить сохранность выращенной продукции.
Недавно появившиеся на рынках стран СНГ препараты Алирин-Б, Гамаир, как и Фитоспорин-М, относятся к серии микробиологических препара тов на основе бактерии Bacillus subtilis
и эффек тивно подавляют многие грибные и бактериальные заболевания. Препараты применяют путем обработки почвы, замачивания семян, опрыскивания растений в период вегетации.
Бактериальные штаммы, входящие в основу этих препаратов,
подавляют рост грибных возбудителей корневых гнилей и некоторых других заболеваний [606]. Так, Алирин-Б подавляет возбудителей грибных заболеваний (корневые гнили, септориоз,
ризоктониоз, фитофтороз, альтернариоз, церкоспороз, трахомикозное увядание, мучнистая роса, пероноспороз, парша, монилиоз), восстанавливает почвенную микрофлору. Препарат Гамаир
эффективно действует против бактериального рака, положительно влияет на рост и развитие растений [607]. Защитные свойства
препарата Глиокладин обеспечивают грибы Trichoderma harzian-
num. Он эффективен против возбудителей грибных заболеваний
(корневые гнили, увядания различной этиологии, аскохитоз и антракноз, альтернариоз, вертицилез, фитофтороз). Агат-25К – био-
153
препарат неспоровой формы на основе бактерий Pseudomonas
aureofaciens, включающий также набор макро- и микроэлементов.
Он индуцирует защитные свойства растений против возбудителей бактериальных и грибных заболеваний (мучнистая роса, фитофтороз, ризоктониоз), стимулирует рост и развитие растений,
увеличивает всхожесть семян.
Таким образом, полифункциональные микробиологические
препараты стимулируют рост и развитие растений, индуцируют
их устойчивость к биотическим стрессам, оказывают благоприятное влияние на микрофлору почвы. Большое значение могут
иметь препараты на основе различных совместимых и дополняющих друг друга микробных штаммов. В этом плане следует
отметить полифункциональный препарат Альбит на основе
комплекса ризосферных бактерий (P. Aureofaciens – B. Megate-
rium), обладающий фунгицидными, энтомоцидными, адаптогенными и ростостимулирующими свойствами, а также положительно влияющий на почву [608]. Наконец, могут иметь большую
перспективу препараты на основе микроорганизмов бактериаль-
ной и грибной природы, а также энтомопатогенных микроорганизмов совместно с различными элиситорами, такими, например, как хитин или хитозан [600, 609].
3.2. Интенсификация биосинтеза полезных
вторичных метаболитов
Многие вторичные метаболиты отдельных растений, часто
важные для отдельных защитных функций растения в отношении патогенов и насекомых, благодаря своей биологической активности давно уже используются человеком в качестве фармацевтических средств и других полезных для него продуктов.
В целом растения являются богатыми и зачастую уникальными
источниками ценных фармацевтических средств, других биологически активных соединений, пищевых добавок, приправ и прочих материалов. Однако из-за того, что географически и физически эти растения не всегда доступны, да еще в достаточных для
производства количествах, коммерческое их использование огра-
154
ничено. Поэтому возникла необходимость поиска альтернативных источников их заготовки. В частности, большой интерес
для промышленного производства различных растительных метаболитов вызывает использование потенциала клеточных культур растения в качестве дополнения к традиционному сельскохозяйственному выращиванию этих растений или их сбору [610].
Однако клеточные структуры культурных растений синтезируют
относительно малое количество необходимых вторичных метаболитов. Тем не менее предполагается, что за счет индуцирования
элиситорами выработки соответствующих метаболитов можно
добиться значительного увеличения их продуцирования в процессе биосинтеза, а значит существенного снижения стоимости
производства [611]. Действительно, в растениях, подвергнутых
обработке различными элиситорами, часто имеет место индуцирование синтеза или значительное увеличение накопления
различных вторичных метаболитов, в частности ФА, обладающих широким спектром антимикробного действия. Поэтому не
удивительно, что ФА интенсивно изучаются не только в отношении их роли в защите против насекомых и патогенов, но и в отношении полезных для человека терапевтических свойств [612–
616]. Например, индольные ФА многих овощей проявляют антиоксидантные и противоопухолевые [615, 616], а фитоалексин
земляного ореха – антидиабетическое, противоопухолевое и вазодиляторное свойства [614]. ФА сои глицеоллин (glyceollin) обладает антипролиферативным и противоопухолевым действием
[612], а ФА сорго 3-деоксиантоцианины (3-deoxianthocyanins) могут быть полезными для терапии рака желудочно-кишечного
тракта [615]. ФА винограда ресвератрол (resveratrol) обладает свойствами, способствующими замедлению старения, а также противовоспалительными и антиоксидантными свойствами. Он перспективен для использования при лечении различных хронических
заболеваний [613]. Однако молекулярные механизмы, лежащие
в основе биосинтеза, а также биологического действия большинства ФА, в основном предстоит еще исследовать.
Самым известным примером ценного вторичного раститель-
ного метаболита является таксол (дитерпеноид, найденный в коре
155
деревьев Tax u s [582]). Это соединение – одно из наиболее эффективных антинеопластических средств, использующихся в настоящее время для лечения ряда онкологических заболеваний [582].
На него существует большой спрос, но синтетическое производство очень дорогое, поэтому усилия ученых сконцентрированы
на изучении его биосинтеза. Использование клеточных культур
растения – многообещающий метод биопроизводства таксола
и родственных таксановых (taxane) соединений. Многолетние
исследования позволили увеличить продуктивность клеточной
культу ры Tax u s, но содержание таксола в клетках все еще недостаточно высокое для промышленного применения. Поэтому пробуют различные элиситоры для поиска эффективной технологии
выработки таксола в суспензионных культурах клеток Ta x u s.
Так, пытаются применять композиции элиситоров различной химической природы, которые могли бы привести к соответствующему синергизму при его выработке. В частности, в работах
[617, 618] показано, что использование смесей таких элиситоров,
как MeJA, перекись водорода, SA и некоторых фунгальных элиситорных экстрактов, является эффективным методом резкого
увеличения выработки таксола в клетках Ta xus.
Среди других примеров – биосинтетические подходы для
производства изофлавоноидных и сесквитерпеноидных фитоалексинов [619, 620], кумаринов [621], антоцианов [622] и подофилотоксинов (PTOX, podophyllotoxin) [623]. Так, антоцианины, обнаруженные в каллусных структурах Mellotus japonicus и V. vinifera,
являются антиоксидантами, нейтрализующими вырабатываемые
при стрессе активные формы кислорода [622]. Они могут использоваться при лечении некоторых онкологических заболеваний
[615]. PTOX, который содержится в смоле, производимой из спиртовых экстрактов корней многолетних растений Podophyllum
и некоторых других растений [624], является высокоэффективным
цитостатиком [625]. В работе [623] была исследована способность
некоторых биотических (дрожжевой экстракт) и абиотических
(Ag+, Pb2+, Cd2+) элиситоров существенно повышать накопление
PTOX в клеточной суспензии отдельных растений. На основе этого природного цитостатического продукта в дальнейшем были
156
разработаны средства, которые используются в лечении рака
легких, лимфомы и лейкемии [579, 623].
Таким образом, в мировой практике защиты растений в настоящее время существует ряд коммерческих препаратов, действие
которых основано на элиситорах. В целом их список пока еще не
столь обширен, однако такие препараты имеют большие перспективы для совершенствования и могут существенно дополнить
арсенал средств защиты растений, вызывают большой интерес
у заботящихся об экологической безопасности потребителей. Применение элиситоров для защиты растений от болезней и вредителей может стать одной из эффективных и экологичных технологий растениеводства, так как элиситоры отличаются очень
низкой токсичностью для полезной фауны, безопасны для человека. В целом относительно небольшая стоимость и низкие нормы расхода вполне могут сделать их использование экономически выгодным. Характерной особенностью многих элиситорных
препаратов является также их полифункциональность, которая
обеспечивает эффективность одновременно по нескольким направлениям, например, защитное и ростостимулирующее действия. Индуцированная устойчивость растений, как правило, характеризуется широким спектром антипатогенного действия, обеспечивая достаточно хороший контроль над инфекцией (обычно
между 20 и 70%, в зависимости от условий окружающей среды
и сорта растений [626]), а в случаях очень высоких инфекционных
нагрузок или огромного количества вредителей элиситоры нередко применяются в смеси с обычными биоцидными пестицидами, причем дозы последних значительно уменьшаются. Таким
образом, элиситоры могут использоваться не только для снижения уровня зараженности сельскохозяйственных культур патогенами и травоядными вредителями, но и для сокращения применения экологически небезопасных системных пестицидов.
Весьма перспективным направлением является также использование элиситоров для увеличения производства полезных для человека вторичных метаболитов растений, где за последние годы
достигнуты заметные успехи.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследования элиситоров и их использование в настоящее
время быстро развиваются. Они соответствуют мировым тенденциям развития науки и конечно же предполагают прикладной
аспект, начиная внедряться в практику сельского хозяйства. Примечательно, что накопленные знания уже применяются для решения практических задач сельского хозяйства, несмотря на то,
что в этой быстро развивающейся области исследований пока
остаются невыясненными очень многие вопросы. Так, на рынках многих стран мира появляются коммерческие препараты
нового поколения, действие которых основано на индуцировании элиситорами устойчивости растений в отношении различных биотических и абиотических стрессов. И хотя они в целом
пока еще уступают по эффективности традиционным биоцидным препаратам, но имеют важное преимущество – они безопасны для человека и окружающей среды. Элиситоры помогают
не только снизить уровень зараженности растительных культур,
но и повысить урожайность, а также сократить применение традиционных пестицидов и тем самым снизить их отрицательное
воздействие на окружающую среду. Следует подчеркнуть, что
препараты на основе элиситоров отличаются очень низкими
нормами расхода и технологичностью, так как могут применяться
с помощью обычных технологий защиты растений. Все это позволяет рассматривать их использование как перспективное. Наконец, элиситоры находят практическое применение для биотехнологического производства различных фармацевтических средств
и других материалов. Заметим, что их использование в практике
158
сельского хозяйства и в других областях находится еще на самом
начальном этапе своего развития, остается еще много вопросов,
на которые предстоит ответить. Тем не менее успешное применение элиситорных препаратов уже показало, что оно открывает
новые возможности для защиты растений, становится все более
эффективной экологически выгодной наукоемкой технологией
в растениеводстве, у которой большое будущее.
Разумеется, применение элиситоров для индуцирования устойчивости растений не решает всех проблем, но оно, безусловно,
имеет будущее и вселяет уверенность, что препараты на основе
элиситоров могут существенно дополнить арсенал средств защиты растений, а продолжение фундаментальных и прикладных
исследований в этой области откроет новые возможности и перспективные технологии.
ЛИ ТЕРАТУ РА
1. Keen, N. T. Specic elicitors of plant phytoalexin production: determinants
of race specicity in pathogens? / N. T. Keen // Science. – 1975. – Vol. 187. – P. 74–75.
2. Cruickshank, J. A. M. Isolation of a phytoalexin from Pisum sativum L. /
J. A. M. Cruickshank, D. R. Perrin // Nature. – 1960. – Vol. 187, № 4739. – P. 799–800.
3. Dixon, R. A. The phytoalexin response: Elicitation, signaling and control
of host gene expression / R. A. Dixon // Biol. Rev. – 1986. – Vol. 61. – P. 239–291.
4. Induction of Phytoalexin Formation in Suspension-cultured Rice Cells by
N-Acetyl-chitooligosaccharides / A. Yamada [et al.] // Biosci. Biotech. Biochem. –
1993. – Vol. 57. – P. 405–409.
5. Ebel, J. Elicitors of plant defense responses / J. Ebel, T. J. Cosio // Int. Rev.
Cytol. – 1994. – Vol. 148. – P. 1–36.
6. Boller, T. Chemoperception of microbial signals in plant cells / T. Boller //
Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. – 1995. – Vol. 46. – P. 189–214.
7. Hahn, M. G. Microbial elicitors and their receptors in plants / M. G. Hahn //
Annu. Rev. Phytopathol. – 1996. – Vol. 34. – P. 387–412.
8. Vlot, C. A. Systemic acquired resistance: the elusive signal / C. A. Vlot,
D. F. Klessig, S.-W. Park // Curr. Opin. Plant Biol. – 2008. – Vol. 11. – P. 436–442.
9. Dodds, P. N. Plant immunity: towards an integrated view of plant-pathogen
interactions / P. N. Dodds, J. P. Rathjen // Nature Rev. Gen. – 2010. – Vol. 11. – P. 539–548.
10. Conrath, U. Molecular aspects of defence priming / U. Conrath // Trends
Plant Sci. – 2011. – Vol. 16. – P. 524–531.
11. Hail, M. Induced Systemic Resistance (ISR) Against Pathogens in the
Context of Induced Plant Defences / M. Hail, R. M. Bostock // Ann. Bot. – 2002. –
Vol. 89. – P. 503–512.
12. Pieterse, C. M. J. Plant interactions with microbes and insects: from
molecular mechanisms to ecology / C. M. J. Pieterse, M. Dicke // Trends Plant Sci. –
2007. – Vol. 12. – P. 564–569.
13. Zhao, J. Elicitor signal transduction leading to production of plant secondary metabolites / J. Zhao, L. C. Davis, R. Verpoorte // Biotechnol. Adv. – 2005. –
Vol. 23. – P. 283–333.
14. Durant, W. E. Systemic acquired resistance / W. E. Durant, X. Dong // Annu.
Rev. Phytophatol. – 2004. – Vol. 42. – P. 185–209.
160
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]