Биологический контроль: на защите здоровья растений

Биологический контроль — это механизм, при помощи которого естественные враги уменьшают число вредителей растений. Этот механизм включает использование хищников, конкурентов, патогенов и соединений биологического происхождения.

Растительные патогены ежегодно наносят серьезный ущерб сельскому  хозяйству. В настоящем обзоре кратко рассматривается вопрос об использовании микроорганизмов в качестве биологических агентов контроля для снижения заболеваемости растений. Они гораздо менее токсичны по сравнению  с химическими пестицидами. Биологический контроль имеет различные режимы действия, которые включают в себя паразитизм, хищничество, антибиоз, конкуренцию за место и питание, а также индуцирование резистентных растений против патогена, включая индуцированную системную резистентность (ISR). Однако для успешного применения биологических агентов контроля в устойчивом сельском хозяйстве необходимы соответствующие стратегии управления.

Патогены растений

В ризосфере существуют обширные сообщества различных микроорганизмов, которые прямо или косвенно  влияют  на здоровье и рост растений. Из них некоторые являются полезными бактериями, стимулирующими  рост  растений, — ризобактериями (PGPR), а некоторые наносят вред растению, чаще всего уменьшая энергию роста растений. Иногда растение или урожай могут быть заражены более чем одной болезнью. В почвенной среде, а также в ризосфере существует ряд межвидовых взаимодействий (Табл.1).

Табл.1: Типы межвидового взаимодействия и их эффекты, ведущие к биологическому контролю патогенов растений (Pal et al., 2009)

Почвенные патогены ответственны за болезни многих растений. Эти биологические агенты могут быть различными бактериями, вирусами, грибками и некоторыми нематодами. Они получают питание, нанося вред растениям несколькими способами. Растения, пораженные патогенами, можно визуально распознавать: например, гниль побегов, гниль листьев, увядание, сосудистое увядание, корончатая желчь, пятна листа, корневая гниль, обесцвечивание тканей и т. д.

Арбускулярные микоризные (АМ) грибы могут предоставить многочисленные преимущества своим растительным хозяевам, включая улучшенное усвоение               питательных веществ, устойчивость к засухе и устойчивость к болезням. Две основные группы бактерий взаимодействуют с АМ грибами в микоризосфере: сапрофиты и симбионты, причем обе группы потенциально состоят из вредных, нейтральных и полезных бактерий (Bareaet al., 2002; Johansson et al., 2004).

Некоторые PGPR (ризобактерии) могут иметь свойства, которые поддерживают как микоризную установку, так и функцию. Кроме того, Sanchez и др. (2004) показали, что флуоресцентная псевдомонада и АМ гриб (G. mosseae) оказывали сходное воздействие на индукцию генов растений, поддерживая гипотезу о том, что некоторые программы растительных клеток могут быть общими во время колонизации корней этими полезными микроорганизмами. Специфические взаимодействия между грибами AM и PGPR наиболее вероятно происходят в некоторых группах бактерий в большей степени в микоризосфере по сравнению с другими группами. Кроме того, большинство корней растений колонизируются микоризными грибами, их присутствие также, как правило, стимулирует рост растений. Образующие PGPR: Azospirillum, Agrobacteria, Pseudomonas, Bacillus и др. Их роль была признана до того, как признали роль мукоризы или клубеньков. Многие ризосферные микроорганизмы также вносят свой вклад в защиту растений.

Актиномицеты являются одним из основных компонентов микробных популяций, присутствующих в почве. Они принадлежат к обширной и разнообразной группе грамположительных, аэробных, мицелиальных бактерий, которые играют важную экологическую роль в круговороте питательных веществ в почве (Ames et al., 1984). Кроме того, эти бактерии известны своим экономическим значением как производители биологически активных веществ, таких как антибиотики, витамины и ферменты (de Boer et al., 2005). Актиномицеты также являются важным источником разнообразных антимикробных метаболитов (Lazzariniet al., 2000; Теркина и др., 2006).

Окружающая среда, почвы и общие заболевания

Почвенные патогены растений  —   распространенный и важный фактор снижения урожайности и качества как овощей, так и сельскохозяйственных культур. Патогенные микроорганизмы являются более сложными, по сравнению с другими патогенными микроорганизмами в почвенной экологии (Рис.3), потому что они способны выживать в почвенной среде в течение многих  лет и могут влиять на урожай, быстро повреждая его. Любые овощи и посевы могут быть восприимчивы ко многим видам патогенов, приводящих к комплексу заболеваний. Чаще всего от болезней, вызываемых почвенными патогенами, страдают корни, поражаются нижние ткани, происходит загнивание семян, демпфирование проростков и сосудистые увядания, инициированные корневыми инфекциями.

Несколько патогенных микроорганизмов обитают в почвенной части в активной, а некоторые в пассивной форме, когда они находят подходящего хозяина, они переходят в активное состояние. Они могут находиться в почве длительное и короткое время, в зависимости от их жизненного цикла или среды обитания. Некоторые бактерии и грибы выживают в виде склероций, которые неактивны при определенных условиях окружающей среды.

Грибы считаются наиболее серьезными патогенами растений. Примерами таких почвенных грибов являются Fusarium, Rhizoctonia и Verticillium, Pythium и Phytophthora (Koike et. Аль., 2003).

Бактерии также являются болезнетворными биологическими агентами. Бактерии вызывают меньше болезней, переносимых почвой, чем грибковые патогены. Например, Erwinia, Rhizomonasи Streptomyces (Koike et. Аль., 2003). Патогены из групп Xanthomonas и Pseudomonas в обычно сохраняются в течение короткого времени в почвенной среде.  Существует  несколько почвенных переносчиков вирусных патогенов, которые вызывают заболевания у растений. Симптомами вирусного заболевания являются обесцвечивание тканей и деформация листвы и плодов, задержка роста растений и др. (Koike et. — ал., 2003).

Нематоды являются почвенными паразитами растений, которые проводят большую часть жизни в почве, либо в качестве внешних кормушек на корнях растений, либо в качестве жителей внутри корней. Нематоды поражают растения, снижая их рост. Корневые узлы нематоды (Meloidogyne) вызывают общее снижение энергии многих видов растений и могут вызвать серьезные поражения и отеки корней.

Естественный контроль заболеваний растений

Контроль заболеваний растений зачастую осуществляется путем использования сельскохозяйственных химикатов для борьбы с некоторыми болезнями. Существуют стратегии или методы борьбы с болезнями путем севооборота, внесения в почву питательных веществ и компоста.

Уровень    воздействия связан с типами и численностью почвенных организмов, уровнем плодородия и природой самой почвы (дренаж и структура). Механизмы, посредством которых болезнетворные организмы подавляются в этих почвах, включают индуцированную резистентность, прямой паразитизм (один организм потребляет другой), конкуренцию питательных веществ и прямое ингибирование через антибиотики, выделяемые полезными организмами.

Для управления заболеванием в полевом плане севооборота необходимо знать, какие культуры поражены какими болезнетворными организмами. В большинстве случаев севооборот эффективно контролирует те патогены, которые выживают в почве или на растительных остатках.

Однако севооборот не поможет бороться с болезнями, которые переносятся ветром или насекомыми. Он также не поможет контролировать патогенные микроорганизмы, которые могут длительно существовать в почве без хозяина, например фузариоз. Питательные вещества в почве, например pH, уровень кальция, форма азота и наличие питательных веществ — все может  сыграть  роль в управлении заболеванием. Адекватное питание растений делает растения более терпимым или устойчивым к болезням. Кроме того, питательный статус почвы и использование конкретных удобрений и поправок могут оказывать значительное воздействие на окружающую среду патогена.

Биологические агенты контроля

Термин «биологический контроль», или «биоконтроль», был использован в нескольких областях биологии, особенно в патологии растений и энтомологии. Он описывает использование живых хищных насекомых, микробных патогенов или энтомопатогенных нематод, которые подавляют другие популяции. Термин «биологические агенты контроля» применяется к использованию микробных антагонистов, которые подавляют рост патогенов.

Биоразработки этих антагонистов могут быть использованы для борьбы с болезнями растений, иногда их также называют биопестицидами или биоудобрениями, в зависимости от основных преимуществ для растения-хозяина.

Биоконтрольное средство Streptomyces griseoviridis Anderson et al. штамм K61 было заявлено как антагонистичное для различных возбудителей заболеваний растений, в том числе Alternaria brassicola, Botrytis cinerea, Fusarium avenaceum, F. culmorum, F. oxysporum, Pythium debaryanum, Phomopsis sclerotioides, Rhizoctonia solani и Sclerotinia clerotiorum (Tahvonen и Avikainen 1987). Веллер (1988) установил, что микроорганизм, колонизирующий корни, идеально подходит для использования в качестве биоконтрольного агента против почвенных заболеваний. Streptomyces griseoviridis является хорошим примером колонизации ризосферы растений актиномицетами. Видыстрептомицетов также были вовлечены в биологический контроль других патогенов. S. Ambofaciens ингибировал Pythium демпфирование Pythium в растениях томата и фузариозное увядание в хлопчатнике. S. hygroscopius var. geldanus был в состоянии контролировать Rhizoctonia корневую гниль гороха, ингибирование было связано с производством антибиотика гельданамицин. Streptomyces lydicus WYEC108 ингибировал Pythium ultimum и R. solaniin vitro путем производства противогрибковых метаболитов (Yuan and Crawford, 1995).

Экологический подход к преодолению болезней растений

Мировое сельское хозяйство заинтересовано в снижении зависимости от химических факторов производства, поэтому можно ожидать, что биологическое управление болезнями растений будет играть важную роль в системах органического и  комплексно го управления вредителями (IPM). В связи с растущим интересом к сокращению производства химических веществ число компаний, занимающихся производством и маркетингом агентов биоконтроля, должно расти. Исследования привели к развитию небольшого, но важного коммерческого сектора, который производит ряд продуктов биоконтроля. Большая часть коммерческой продукции биоконтроля обрабатывается относительно небольшими компаниями с общим объемом продаж порядка 10-20 миллионов долларов США в год. В настоящее время несколько продуктов биоконтроля, хотя они еще не зарегистрированы в качестве таковых, циркулируют в качестве растительных усилителей или стимуляторов роста без каких-либо конкретных претензий в отношении контроля заболеваний.

В то время как биологический контроль болезней растений развивался в основном как академическая дисциплина более пятидесяти лет назад, в настоящее время он поддерживается как государственным, так и частным сектором. В настоящее время огромное количество научных работ опубликовано в фитопатологических журналах или других изданиях, специально посвященных биологическому контролю. Достижения науки в области вычислительной техники, молекулярной биологии, аналитической химии модернизируют подходы к повторному поиску и проясняют вопросы, касающиеся структуры и функций агентов биоконтроля наряду с растениями и патогенами на определенных уровнях. Таким образом, темы исследований и разработок в области биоконтроля, связанные с экологией растений, открытием новых эффективных штаммов, разработкой более эффективных процедур применения и практической интеграцией в сельскохозяйственные системы являются важными параметрами для перехода от теории к практике в сфере биологического управления болезнями растений.

Стратегии борьбы с болезнями через агентов биологического контроля

Биологический контроль означает, что патогены антагонизированы присутствием, деятельностью или продуктами других подобных или различных организмов, с которыми они сталкиваются в ризосфере или филлосфере растения. Прямой антагонизм облигатными паразитами растительного патогена требует высокой степени селективности для возбудителя, называемого гиперпаразитизмом. Существует несколько грибковых паразитов растительных патогенов, в том числе тех, которые атакуют склероцию (например, Coniothyrium minitans), в то время как другие атакуют живые гифы (например, Pythium oligandrum). Единичные грибковые патогены (например, мучнистая роса) могут паразитировать на нескольких гиперпаразитах, таких как Acremonium alternatum, Ampelomyces quisqualis,    Cladosporium oxysporumи Gliocladium virens (Kiss, 2003)., Косвенные антагонизмы, напротив, могут быть замечены в деятельности, которая не включает в себя зондирование патогена с помощью агентов биоконтроля. К ним относятся антибиотики, ферменты, механизмы конкуренции и индуцированной резистентности (Pal and McSpaddenGardener, 2006).

Исследования взаимодействия между микоризными грибами и оседлыми паразитическими нематодами показали, что устойчивость к почвенным патогенам может быть связана не только с улучшением питания растений, но и с другими факторами. Исследования взаимодействия между корневыми узловатыми нематодами (Meloidogyne hapla) и грибами VAM на восприимчивых  сортах  томата  и белого клевера показали, что фосфорное питание отрицательно коррелировало с численностью нематод в микоризных корнях (Cooper & Grandison, 1986). Кроме того, число нематод на грамм корня в микоризных почвах было последовательно меньше, и растения, предварительно инфицированные микоризными грибами, показали более высокий рост. Известно, что микоризные грибы и другие почвенные микроорганизмы наделяют растения-хозяев резистентностью, толерантностью или другими формами биопротекции, однако их реальные механизмы остаются неясными.

Устойчивое сельское хозяйство с биологическими агентами контроля

Несколько полезных биологических агентов широко используются в сельском хозяйстве на коммерческом уровне:

1) Биоудобрения выполняют особую задачу по улучшению усвоения питательных веществ,

2) Биозащитные средства подавляют некоторые заболевания растений,

3) Биостимуляторы стимулируют производство фитогормонов.

Многие бактериальные роды, Pseudomonas, Bacillus, Paenibacillus, Streptomyces, Agrobacterium и Bukholderia и некоторые виды грибов также используются для той же цели. Различные антагонистические грибы были использованы для борьбы с несколькими заболеваниями растений, причем 90% применений были с использованием различных штаммов Trichoderma, например T. harzianum, T. virens, T. viride (Benitez et. Аль., 2004). Широкий спектр агентов биологического контроля был использован  для  разработки коммерческих продуктов микофунгицидов (Benitez et. Аль., 2004, Kim and Hwang, 2004, Fravel, 2005). Они подавляют заболевание растений с помощью различных механизмов, таких как ISR, MIR, производство сидерофоры или антибиотиков и т.д. (Рис.2).

Биоудобрения также доступны для увеличения потребления азота растениями из азотфиксирующих бактерий (Azospirillum) и для поглощения железа из бактерий, продуцирующих сидерофор (Pseudomonas). Борьба с различными почвенными и другими болезнями Streptomyces используется в качестве перспективного средства в сельском хозяйстве и смежных отраслях. Они также производят ряд фитогормонов, которые включают индол-уксусную кислоту, цитокинины, гиббереллины и ингибиторы производства этилена. Эти исследования внесли свой вклад в разработку новых биоудобрений, которые используют природные антимикробные соединения, полученные различными антагонистами.

Хорошо известный пример специфического подавления представлен стратегией, используемой для управления одним из организмов, которые вызывают демпфирование offRhizoctonia solani. Там, где они присутствуют при прохладных температурах и влажных почвенных условиях, Ризоктония убивает молодые всходы.

Полезный гриб Trichoderma находит Ризоктонию через химическое вещество, выделяемое патогеном, а затем атакует его. Полезные грибковые нити (гифы) опутывают патоген и высвобождают ферменты, которые обезвоживают клетки Ризоктонии, в конечном итоге убивая их. В настоящее время культуры Trichoderma продаются в качестве биологической обработки семян для ослабления болезней у нескольких культур для коммерческих источников Trichoderma и других полезных организмов.

Мировое производство продовольствия должно идти в ногу с постоянно растущим населением планеты, что приводит к увеличению использования химических пестицидов. Однако использование биологических средств контроля для снижения заболеваемости растений открыло новые возможности для замены химических пестицидов на рынках микробными продуктами. Но коммерческое применение биологических агентов контроля происходит медленно, главным образом, из-за различных реакций агента при переменных условиях окружающей среды в полевых условиях. Чтобы улучшить коммерциализацию технологии биоконтроля, необходимо разработать биоуправляемые микроорганизмы с ориентированной на определенное поле степенью устойчивости и выживаемости. В этом направлении следует проводить больше исследований по некоторым аспектам биоконтроля, включая влияние различных факторов окружающей среды на агенты биоконтроля, разработку составов, в которых биоагент может выживать дольше, массовое производство микроорганизмов биоконтроля и использование биотехнологий и нанотехнологий в совершенствовании механизмов и стратегий биоконтроля.