Біологічні фунгіциди: механізми дії та особливості ефективного застосування

Біологічні фунгіциди: механізми дії та особливості ефективного застосування

Біологічні фунгіциди:
механізми дії та особливості ефективного застосування

Патогенні мікроорганізми, що викликають захворювання рослин, є однією з основних і хронічних загроз для стійкого виробництва сільгосппродукції. Оскільки за останні кілька десятиліть сільськогосподарське виробництво суттєво інтенсифікувалось, виробники стали все більше і більше залежними від агрохімікатів, як надійного методу захисту рослин, що допомагає стабільно отримувати високі урожаї і підтримувати високу рентабельність виробництва. Проте, широке використання хімічних засобів захисту викликає ряд негативних наслідків, серед яких розвиток резистентності патогенних мікроорганізмів до діючих речовин і їх нецільовий вплив на навколишнє середовище. Крім того, зростаюча вартість пестицидів, особливо в бідних регіонах світу, а також споживчий попит на безпестицидну продукцію привели до пошуку альтернативних безхімічних технологій вирощування сільгосппродукції. Є також ряд захворювань, при яких застосування хімічних засобів захисту є мало- або неефективним чи препаратів не існує взагалі. У таких випадках біологічний контроль є ефективною альтернативою хімічним пестицидам та може бути методом зниження використання хімікатів у сільському господарстві.

Що таке біофунгіциди?

Біологічні фунгіциди (біофунгіциди) є продуктами, що містять не патогенні для рослин корисні мікроорганізми, такі як гриби, бактерії та актиміцети, які застосовують для боротьби зі збудниками захворювань рослин. Значна частина цих мікроорганізмів  виділена із природних ценозів та перенесена на штучні поживні середовища, що підвищують їх ефективність та термін зберігання.

Наразі існує значна кількість данних, що підтверджує ефективність застосування і описує потенційні варіанти використання корисних бактерій в якості агентів біологічного контролю. Найбільш широко вивченою групою є ризобактерії, що колонізують поверхню кореня. Разом із тим є види мікроорганізмів, що здатні проникати в корінь і встановлювати ендофітні стосунки. Багато з них здатні подолати бар’єр ендодерми, перетнути кору кореня і через судинну систему потрапляти і розвиватись в якості ендофітів в стеблах, листках, і інших органах, не пошкоджуючи, при цьому, рослину. Ступінь ендофітної колонізації органів і тканин рослин відображає здатність бактерій вибірково адаптуватися до цих конкретних екологічних ніш. Незважаючи на те, що, як правило, формування бактеріальних ендофітних симбіозів є продуктом процесу колонізації, ініційованого в кореневій зоні, вони можуть також формуватися з інших джерел, ніж ризосфера, а саме з філосфери або спермосфери.

Які механізми їх дії?

Незважаючи на різні екологічні ніші, вільноіснуючі ризобактерії і ендофітні бактерії використовують схожі механізми для контролю за фітопатогенами. Найбільш  визнаними механізмами біоконтролю, що використовують такі мікроорганізми є конкуренція за екологічі ніші, виробництво блокуючих алелопатичних сполук, прямий паразитизм, детоксикація та деградація факторів вірулентності і індукція системної стійкості у рослин-господарів до широкого спектру патогенних мікроорганізмів і/або абіотичних стресів.

Конкурентна колонізація коренів

Ризосферна конкурентність біоконтролюючих мікроорганізмів включає ефективну колонізації коренів в поєднанні з можливістю виживати і розмножуватися уздовж коренів ростучих рослин протягом значного періоду часу, в присутності аборигенної мікрофлори. Низька ефективність біологічних фунгіцидів, як правило, пов’язана з їх низькою ризосферною конкурентністю.

Поверхня кореня і навколишня ризосфера є значним джерелом вуглецевих сполук. Інколи рослини в цю зону виділяють до 40% продуктів фотосинтезу.

Біофунгіцид ФітоДоктор

Таким чином, уздовж поверхні коренів існують багаті поживними речовинами ніші, які приваблюють велику різноманітність мікроорганізмів, в тому числі і фітопатогенів. Конкуренція за ці поживні речовини і є основним механізмом, за допомогою якого мікроорганізми, що входять до складу біологічних фунгіцидів захищають рослини від фітопатогенів. Такі мікроорганізми досягають поверхні кореня за рахунок активної моторики джгутиками, які керуються хемотаксисними відповідями. Відомими хімічними атрактантами, присутніми в кореневих виділеннях, є органічні кислоти, амінокислоти, і специфічні цукри. Деякі серед цих виділень також можуть бути ефективними антимікробними агентами і, тим самим, надавати перевагу в занятті екологічної ніші організмами, які мають адекватний ферментативний механізм для їхньої детоксикації.

Оскільки кореневі виділення є основним джерелом поживних речовин для ризосферних мікроорганізмів, ризосферна конкурентність передбачає, що біоконтролюючі мікроорганізми повинні мати здатність до їх використання. Чим більший спектр сполук має здатність засвоювати мікроорганізм, тим більше у нього шансів перемогти у конкурентній боротьбі з фітопатогеном. Це означає, що конкурентоздатність біоконтролюючих мікроорганізмів в значній мірі залежить як від їх здатності скористатися конкретним середовищем, так і від їх здатності адаптуватися до мінливих умов.

Біоконтролююча діяльність опосередкована синтезом алелопатичних сполук

Колонізація і захист біоконтролюючими мікроорганізмами ризосферних ніш активується продукуванням бактеріями алелопатичних сполук, таких як хелатуючих залізо сидерофорів, антибіотиків, біоцидних летких сполук, літичних і детоксикаційних ферментів.

Наприклад, залізо є найважливішим елементом для розвитку всіх живих організмів. Дефіцит біодоступного заліза в грунті і на поверхні коренів рослин розпалює шалену конкуренцію. За умов дефіциту доступного заліза біоконтролюючі мікроорганізми виробляють  низькомолекулярні сполуки, які називаються сидерофорами, що конкурентно зв’язують іони тривалентного заліза. Хоча різні бактеріальні сидерофори відрізняються за їх здатністю до секвестрування заліза, в загальному, вони позбавляють патогенні гриби цього важливого елемента, оскільки грибкові сидерофори мають нижчу афінність. Деякі штами мікроорганізмів йдуть на один крок далі, поглинаючи комплекси заліза з сидерофорами, виробленими іншими мікроорганізмами.

Активність синтезу сидерофорів мікроорганізмами контролюється численними факторами навколишнього середовища, в тому числі рН, рівенем і формою іонів заліза, присутністю інших мікроелементів, а також достатністю запасів вуглецю, азоту і фосфору.

За останні два десятиліття було ідентифіковано різноманітні антибіотики, в тому числі амфізин, 2,4-диацетилфлороглюцинол, цианістий водень, ооміцин A, феназинметосульфат, піолютеорін, піронітрин, ангіотензин, трополон і циклічні ліпопептіди, а також олігоміцин А, канозамін, звіттерміцин А і ксантобацин, що продукуються різними видами Bacillus, Streptomyces, і Stenotrophomonas. Цікаво, що деякі антибіотики, вироблені цими мікроорганізмами, знаходять нове застосування в якості експериментальних лікарських засобів і можуть стати основою препаратів проти патогенних бактерій людини, через стійкість останніх до уже відомих антибіотиків.

Синтез антибіотиків тісно пов’язаний із загальним метаболічним статусом клітин, що в свою чергу,

Гіперпаразітіческая активність грибів роду Trichoderma препарату Триходермін по відношенню до Pythium sp.

Рисунок 2 – Гіперпаразітіческая активність грибів роду Trichoderma препарату Триходермін по відношенню до Pythium sp.

диктується засвоюваністю поживних речовин та іншими стимулами навколишнього середовища, наприклад, наявністю основних і другорядних мінералів, типу джерела вуглецю, рН, температури тощо.

Мікроелементи, зокрема цинк, і рівень забезпечення сполуками вуглецю впливають на здатність мікроорганізмів продукувати вторинні метаболіти. Важливо відзначити, що багато штамів продукують масу протимікробних вторинних метаболітів, проте умови можуть сприяти ефективності одних сполук, але гальмувати роботу інших. Таким чином, різноманітний біоконтролюючий арсенал штамів дозволяє антагоністам виконувати свою кінцеву мету – придушувати  патогенні мікроорганізми в широкому діапазоні умов навколишнього середовища.

Прямий паразитизм

Різні мікроорганізми також проявляють гіперпаразитичну активність, атакуючи патогенні мікроорганізми, виділяючи гидролази клітинних стінок. Продукуючи хітиназу С. plymuthica пригнічує проростання спор і подовження зародкової трубки в Botrytis cinerea. Здатність продукувати позаклітинні хітинази вважається  вирішальним для Serratia marcescens, щоб конкурувати з Sclerotium rolfsi, а для Paenibacillus і Streptomyces для придушення Fusarium oxysporum. Було також показано, що позаклітинні хітинази і ламінарінази, синтезовані Pseudomonas stutzeri, перетравлюють і лізують міцелій F. solani. Незважаючи на це, хітинолітічна активність є менш важливою властивістю для біоконтролюючих мікроорганізмів, серед тих, які вони використовують для придушення S. sclerotiorum і B. cinerea.

Ще одним  компонентом в системі боротьби з патогенами є синтез протеаз. Наприклад, β-1,3-глюканаза, синтезована штамами Paenibacillus і Streptomyces, лізує клітинні стінки гриба F. oxysporum. B. cepacia синтезує β-1,3-глюканазу, яка руйнує цілісність клітинних стінок Р. solani, С. rolfsii і Pythium ultimum. Подібно сідерофорам і антибіотикам, регуляції продукування літичних ферментів тісно пов’язана із загальним метаболічним статусом клітин, джерелами вуглецю і умовами навколишнього середовища.

Детоксикація і деградація факторів вірулентності

Іншим механізмом біологічного контролю є детоксикація факторів вірулентності патогена. Наприклад, деякі агенти біоконтролю здатні нейтралізувати токсин альбіцидин, який виробляється Xanthomonas albilineans.

Сідерофори (флуоресцентні пігменти), що виділяються Pseudomonas aureofaciens препарату Гуабсин

Рисунок 3 – сідерофори (флуоресцентні пігменти), що виділяються Pseudomonas aureofaciens препарату Гуабсин

Механізми детоксикації включають вироблення білка, який або зворотньо зв’язує токсин або незворотньо через естерази. Деякі мікроорганізми здатні гідролізувати фузарінову кислоту – фітотоксин, який виробляється різними видами Fusarium. Дуже часто патогенні токсини мають широкий спектр активності і можуть пригнічувати ріст мікробних конкурентів або детоксикувати антибіотики, вироблені деякими біоконтролюючими мікроорганізмами, що є механізмом їх самозахисту проти біоконтролюючих агентів.

 

Останнім часом було виявлено, що певні біоконтролюючі мікроорганізми ефективно блокують кворумсенсінг сигнали патогенів, шляхом руйнування аутоіндукторів сигналів, тим самим блокуючи експресію численних генів вірулентності. Оскільки більшість, якщо не всі, бактеріальні патогени рослин використовують  аутоіндуктор опосередкований кворум сенсінг для включення каскаду генів, що кодують фактори вірулентності (наприклад, ферменти, що руйнують клітини і фітотоксіни), руйнування автоіндукторів має величезний потенціал для полегшення протікання захворювання, навіть після проникнення патогенів.

Індукція системної стійкості

Взаємодія рослин з біоконтролюючими мікроорганізмами також може забезпечити їх системну стійкість за відношенням до широкого спектру збудників хвороб рослин. Хвороби грибкового, бактеріального та вірусного походження, а в деяких випадках навіть пошкодження, викликані комахами і нематодами, можуть бути зменшені після застосування даних мікроорганізмів.

Деякі бактерії викликають в рослинах явище, відоме як індукована системна стійкість (ІСС), яка подібна до набутої системної стійкості (НСС). НСС активізується, коли рослини успішно активують свій захисний механізм у відповідь на первинну інфекцію, викликану патогеном, зокрема, коли останній індукує гіперчутливу реакцію, завдяки якій він блокується в локальному некротичному ураженні. Так як і НСС, ІСС ефективна по відношенню до різних видів патогенних мікроорганізмів, але відрізняється тим, що не викликає видимих ​​симптомів на рослині-господарі.

Реакція рослин, індукована проникненням патогену, полягає в утворенні структурних бар’єрів, таких, як потовщення клітинної стінки, накопичення фенольних сполук в місці проникнення патогена. Біохімічні або фізіологічні зміни в рослинах включають індуковане накопичення патогенез-родинних білків (PR-білків), хітинази і деяких пероксидаз.

Деякі бактеріальні ознаки (наприклад, флагеляція, виробництво сидерофорів і ліпополісахаридів) можуть виступати в ролі тригерів ІСС. Запуск індукованої системної стійкості призводить до потовщення стінки рослинної клітини і зміни фізіологічних та метаболічних реакцій господаря, що призводить до посилення синтезу у рослинах хімічних речовин, що сприяють захисту при ураженні патогенними і/або за дії абіотичних стресових чинників. Не всі біоконтролюючі мікроорганізми викликають синтез PR-білків, а, скоріше, збільшують накопичення пероксидаз, фенілаланінаммонійліази, фітоалексину, поліфенолоксидази і/або халкон-синтази.

Замість висновків: перспективи ефективного використання біофунгіцидів

Розуміння механізмів дії відкриває двері для розробки нових стратегій у підвищенні ефективності агентів біоконтролю. Наприклад, може бути ефективним збагачення грунтів або субстратів вирощування мінералами, такими як цинк. Аналогічним чином, модуляція бактеріальних ризосферних консорціумів може бути досягнута шляхом аерації ґрунту, гідрування і внесення меляси, цукру або використанням сівозмін.

Вивчення різних механізмів дії полегшує поєднанням різних штамів бактерій або бактерій з грибами, що впливали б на патогенні організми більш широким спектром антимікробної дії. Крім того, отримані знання можуть бути використані в біотехнології для подальшого удосконалення штамів, шляхом створення трансгенних популяцій, які поєднували б в собі кілька механізмів дії. Наприклад, перенесення гену АЦК-дезамінази, який безпосередньо стимулює ріст рослин шляхом блокування попередника синтезу етилену в рослинах, що не лише активізувало б ріст рослин, але й збільшувало б біоконтролюючі властивості бактерії.

Варто пам’ятати, що ефективний біологічний контроль фітопатогенів можливий лише тоді, коли корисна мікробіота володіє одночасно декількома механізмами біоконтролю. Ця ж умова забезпечує ефективність біологічного препарату проти широкого спектру збудників хвороб та відсутність резистентності у останніх. Варто розуміти, що біологічні фунгіциди не «знищують» патогени, а лише контролюють їх чисельність і доступ до рослини. У зв’язку з цим найбільш доцільним є внесення біологічного агенту при обробці насіння. Це дозволяє не лише колонізувати ризосферу рослини, а й проникати корисним бактеріям в міжклітинний простір рослини, знижуючи, таким чином, можливість розвитку патогенів в надземній масі. Застосування біологічних фунгіцидів по вегетації є менш продуктивним, оскільки  ефективність проникнення корисних бактерій в середину рослини є досить низькою, а продукти метаболізму таких бактерій можуть блокувати розвиток збудників хвороб лише на короткий період.

Головне правило для ефективного застосування біологічного фунгіциду – їх біологічний агент повинен швидше проникнути в рослину, ніж патоген. Завдяки заселенню простору навколо рослини корисною біотою формується біологічний щит навколо рослини. Тому такий клас засобів захисту використовують профілактично. Їх ефективність у боротьбі з уже розвиненою хворобою є недостатньо ефективною.

Крім того, важливою є не лише екологічна сумісність, а й хімічна. Ми чудово усвідомлюємо, що не варто очікувати ефективності бактеріальних препаратів при сумісному застосуванні з бактерицидами, чи роботи продуктів на основі грибів при одночасному внесенні з  фунгіцидами. Варто розуміти, що одночасне використання біологічних фунгіцидів з хімічними речовинами, такими як інсектициди, гербіциди, регулятори росту, добрива, дезинфікуючі засоби, поверхнево-активні речовини, а також органічні добрива може мати негативний вплив на ефективність біологічного продукту.

Разом із тим, використання біологічних фунгіцидів має цілий ряд преваг. Наприклад, абсолютна безпека для працівників, що застосовують препарат і набагато менший або взагалі відсутній період очікування між обробкою препаратом і збиранням врожаю. Ще не лише дозволяє захищати урожай до його збору, а й дозволяє поліпшити його зберігання. Або відсутність формування резистентності у патогенних мікроорганізмів, що виключає необхідність пошуку нових діючих речовин чи розробку нових формуляцій. Крім того, використання біологічних фунгіцидів не шкодить корисній природній мікрофлорі. Ще однією перевагою біоконтролюючих мікроорганізмів є їх позитивний вплив на розвиток рослин, або за рахунок збільшення доступності елементів живлення або завдяки синтезу фітогормонів і інших рістрегулюючих сполук.

 

Павло Маменко,
кандидат біол. наук,
керівник відділу R&D
Торгового Дому «Ензим-Агро»

Translate »