«Биологизация» растениеводства одно из бурно развивающихся направлений современной биотехнологии. В последнее время появляются различные биологические препараты для защиты растений от болезней, удобрения, иммуномодуляторы, биологические стимуляторы и т.д. на основе живых клеток микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности, аминокислот, различных вытяжек, гидролизатов биологического сырья.
«Биологическая эффективность» данных препаратов всегда подтверждена какими-либо научными исследованиями, в том числе аккредитованными в этой сфере научными организациями. Не оспаривая результатов исследований эффективности биологических препаратов, возникают вопросы, на которые трудно найти ответ исходя из современного представления о биологической защите растений и роли тех или иных факторов (включая микроорганизмы) в защитных мероприятиях. Для понимания многих механизмов взаимодействия растения и биологических препаратов целесообразно еще раз сформулировать теорию фитопатогенеза и посмотреть на все многообразие препаратов через ее призму.
Современная теория фитопатогенеза находится в стадии становления, однако общие ее положения представлены в учебной литературе, либо некоторые вопросы интенсивно изучаются и публикуются в специализированных научных изданиях. При этом следует различать теорию фитопатогенеза для возбудителей корневых и прикорневых болезней с теорией для возбудителей болезней листовой поверхности и плодов.
В основе теории корневого и прикорневого фитопатогенеза лежат следующие положения и представления:
1. Растения в процессе роста выделяет через корневую систему экссудаты, органические водорастворимые соединения.
2. В состав экссудатов входят все те органические соединения, которые клетка может синтезировать из глюкозы, которая, в свою очередь, образуется за счет фотосинтеза.
3. Количество выделяемых экссудатов и их состав зависят от растения, фазы его развития и определяются как геномом растения, так и внешними условиями его выращивания. При этом можно уже доказано, что в составе экссудатов, в большей мере, присутствуют сахара (глюкоза, фруктоза, в меньшей степени там могут быть сахара, содержащие от 4 до 8 атомов углерода), ди- и три- карбоновые кислоты (продукция цикла Кребса: лимонная, янтарная, фумаровая и другие органические кислоты), аминокислоты во всем их многообразии (в том числе и непротогенные). Одним словом, все те продукты первичного метаболизма, которые клетки растений синтезируют из глюкозы для строительства новых клеток.
Функция экссудатов для растений на сегодня обсуждается, и однозначного мнения об этом нет. Важно то, что они выделяются в большей или меньшей степени всегда, пока растение растет.
Микроорганизмы, окружающие корневую систему растения, формируются и эволюционируют, в том числе, под воздействием корневых экссудатов конкретных растений. Других источников углерода, кроме экссудатов для микроорганизмов в прикорневой области растения просто нет. В состав микроорганизмов в ризосфере входят различные группы микроорганизмов, но объединяет их одно: они способны метаболизировать экссудаты данного растения при данных условиях внешней среды, в которых произрастает растение (влажности, концентрации ионов водорода (рН), обеспеченности кислородом, температуре, солевому составу и его концентрации, наличию химических соединений привнесенных из вне и т.д.).
В составе микроорганизмов, находящихся в ризосфере данного растения, присутствуют и фитопатогенные для данного растения микроорганизмы, которые способны вызвать патологическое состояние растения. Сформулировав основные положения, можно приступить к рассмотрению основ теории корневого фитопатогенеза.
Представим, что растение развивается в стерильных условиях, когда в прикорневой и корневой зоне растения вообще нет никаких микроорганизмов. Растение растет и выделяет экссудаты. Концентрация экссудатов при этом максимальна в ризосфере корневой зоны и далее снижается по мере удаления от ризосферы, образуя градиент концентраций.
Предположим, что в зону градиента концентраций или непосредственно в ризосферу попадает фитопаогенный микроорганизм. При попадании в этот градиент и при благоприятных внешних факторах рост фитопатогенного микроорганизма, вне зависимости от того эукариот это или прокариот, будет происходить в сторону более благоприятных условий. Под ростом в данном случае следует понимать или выпускание дочерней клетки для мицелиальных грибов, или направление деления прокариотов. В данном случае более благоприятными условиями является повышенная концентрация экссудатов. Таким образом, клетки фитопатогена начинают приближаться к корневой системе растения, колонизируя при этом за одно область ризосферы.
При достижении поверхности корня фитопатоген стремится сорбироваться на его поверхности.
Это обусловлено несколькими факторами:
— непосредственно на поверхности корня максимальная концентрация экссудатов;
— сродство корневой поверхности и микроорганизма много выше его сродства с неорганическим материалом, составляющим почву.
Далее, рост фитопатогена происходит по всей поверхности корня, в сторону поверхности почвы с большей скоростью, а в сторону роста корня с меньшей. Таким образом, фитопатоген стремится колонизировать всю поверхность корня. Стадии роста фитопатогена в сторону корня и его сорбция на его поверхности, происходящий за счет метаболизма экссудатов, по всей видимости, не причиняют растению негативного для него действия. Это объясняется совокупностью факторов, к которым следует отнести то, что во-первых сами экссудаты оказывают негативное влияние на развитие растения. Во-вторых при высоких концентрациях экссудатов возможно ингибирование роста и развития растения. И третье — фитопатоген не атакует растение, так как ему хватает легко метаболизирумого субстрата, которым являются экссудаты.
Таким образом, на данной стадии взаимодействия растения и фитопатогена их взаимоотношения обоюдно выгодны. Кроме того, растение способно обезопасить себя от отрицательного воздействия фитопатогенов, но эти механизмы стоит рассматривать чуть позже. Синтез экссудатов происходит по сложным метаболическим путям, имеющим собственные системы регулирования, которые, в свою очередь, могут зависеть от внешних факторов окружающей среды.
К таким факторам можно отнести отсутствие освещения, перепады температуры, или ее изменение и переход в неоптимальную область, резкое изменение солевого состава в прикорневой зоне растения или изменение концентрации ионов водорода (рН), воздействие с химическими соединениями, влияющими на физиологические процессы, протекающие в растениях. Таким образом, любое шоковое воздействие на растение, может привести и приводит к изменению как скорости синтеза экссудатов, так и их состава. Снижение скорости экссудации приведет к резкому снижению концентрации экссудатов в ризосфере, так как фитопатоген будет потреблять его по прежнему с высокой скоростью. И это приведет в итоге к резкому изменению взаимоотношения фитопатогенного микроорганизма и растения.
Биопрепараты для внесения в почву должны содержать разумно максимальное количество видов микроорганизмов, способных метаболизировать экссудаты растения.
Одним из проявлений фитопатогенеза является выделение микроорганизмом низкомолекулярных соединений, способных ингибировать развитие растения или менять его метаболические процессы. По всей видимости, эти низкомолекулярные соединения блокируются растением, находящимся в нормальной стадии развития (когда оно не подвержено внешним стрессам). Механизмы блокирования фитотоксинов, во многом, определяются природой последних и объектом их воздействия в клетке растения. Важным является то, что растение, не подверженное стрессам, частично или полностью локализует это воздействие фитопатогена.
Те или иные болезни растений связаны с проникновением фитопатогена в растение и его частичным или полным разрушением. Для проникновения микробной клетки в само растение, в клетке микроорганизма должно произойти очень важное изменение: она должна начать синтезировать и секретировать целую группу литических ферментов, разрушающих клеточную стенку клеток корня. Строение корня и клеток корня достаточно сложно, и в упрощенной модели фитопатогенеза можно предположить, что микроорганизм должен синтезиовать и секретировать. Синтез литических ферментов клетками сопряжен с перестроением всего механизма метаболизма и в его основе лежит механизм регулирования синтеза ферментов – катаболитная репрессия. Основополагающим в теории катаболитной репрессии является то, что клетки микроорганизмов не будут синтезировать ферменты для разрушения клеточных стенок корневой системы до тех пор, пока они могут метаболизировать другие, более доступные источники углерода. В ризосфере растения такими источниками углерода для фитопатогенных микроорганизмов являются экссудаты растения.
Иными словами, до тех пор пока фитопатогенам хватает экссудатов для нормального развития, синтеза литических ферментов не будет. А это происходит при нормальном развитии растения и отсутствии внешнего стресса. При возникновении внешнего стресса растение снижает скорость синтеза экссудатов и их концентрация в ризосфере резко падает за счет их метаболизма микроорганизмами. Фитопатогенные микроорганизмы, уже сорбировавшиеся на поверхности корневой системы, начинают синтез ферментов способных нарушить целостность корневой или прикорневой области растения, пытаясь получить новые источники углерода. Самым неприятным в данной модели является то, что для каждого микроорганизма и каждого субстрата уровень концентраций экссудатов, при котором начитает работать данный механизм, свой.
Могут ли растения на данной стадии атаки воздействовать на фитопатогенные микроорганизмы? Да могут, у них есть еще несколько уровней защиты от фитопатогена. Давно известно о синтезе растениями низкомолекулярных соединений антибиотической природы – фитоалексинов.
Фитоалексины ингибируют рост микроорганизмов. Но механизм начала синтеза фитоалесинов изучен пока недостаточно и на сегодня нельзя сказать об индуцибельной или конститутивной природе данных соединений, да и механизмы действия фитоалексинов на клетки изучены слабо. Ферменты, синтезируемые фитопатогенами в корневой системе растения, могут быть инактивированы ингибиторами, которые выделяют растения. Не смотря на то, что механизмы синтеза ингибиторв, и их строение практически не изучены, можно предположить, что механизм этот индуцибельный, а что при этом является внешним индуктором — можно только предполагать.
Механизм защиты всех биопрепаратов для протравливания семян базируется на сорбции на корневой системе растения «полезной микрофлоры» и препятствование сорбции фитопатогена.
Кроме того, клетки растения могут синтезировать свои секретируемые ферменты протеолитического ряда, способные подвергать разрушению литические ферменты, выделенные фитопатогенном и тем самым блокировать его проникновение в растение. Механизм регулирования такого рода активностей также мало изучен.
Рассмотренные механизмы защиты растения от проникновения фитопатогенного микроорганизма идеальны в том смысле, что для их реализации растение не должно испытывать стресса или стрессовое воздействие должно быть в пределах нормы отклика растения, на него. И даже после проникновения фитопатогена в растение, оно способно блокировать его негативное действие, локализовать и даже частично или полностью уничтожить фитопатоген своими ферментными системами. Рассмотренная теория фитопатогенеза — это теория взаимодействия одного микроорганизма и растения. Но даже данная теория может объяснить практически все эффекты, достигаемые при применении биологических препаратов, а самое главное, она способна поставить перед разработчиками биологических препаратов новые подходы и критерии при выборе и оценке микроорганизмов, применяемых для создания биологических препаратов для растениеводства.
На первой стадии фитопатогенеза, когда фитопатоген растет в сторону растения по градиенту концентрации, в реальных условиях, он находится в микробной сукцессии, формирование которой происходит под воздействием внешних факторов, к которым следует отнести введение в нее экссудатов растения. Введение в данную сукцессию дополнительных микроорганизмов возможно, но с позиций поставленной задачи, снижения уровня фитопатогенных микроорганизмов, вводимые в сукцессию микроорганизмы должны отвечать, на наш взгляд, следующим требованиям:
— метаболизировать органические экссудаты корневой системы растения с максимальной скоростью, до минимальных концентраций;
— желательно, образование при этом продуктов метаболизма антибиотичской природы, которые способны подавлять или тормозить развитие фитопатогена;
— быть полностью инертным по отношению к выращиваемому растению.
Эти простые на первый взгляд требования крайне тяжело соблюсти. Проведение исследования взаимодействия микроорганизмов на фоне реальных экссудатов, при реальных, крайне низких, концентрациях и постоянно изменяющемся составе очень проблематично. Но, даже создав метод для проведения первичного скрининга с учетом всего выше сказанного, крайне тяжело подобрать микроорганизм, который бы метаболизировал одновременно хорошо все компоненты экссудатов. Поэтому целесообразно будет подбирать различные группы микроорганизмов, каждый из которых отвечал бы за метаболизм одной химически схожей группы, входящей в состав экссудатов.
Таким образом, препараты для внесения в почвы, должны содержать разумно максимальное количество видов микроорганизмов, способных метаболизировать экссудаты данного растения. И здесь возникает еще одно ограничение — для каждого растения необходимо создавать свою группу микроорганизмов в препарате.
Вторым важным этапом фитопатогенеза растения является процесс сорбции фитопатогена на корневой системе. И хотя механизм сорбции для микроорганизмов на корнях изучен крайне слабо, можно предположить, что он зависит от массы мало воспроизводимых факторов, но для некоторых, особенно финансово выгодных процессов растениеводства, его следует тщательно изучать. Все биологические препараты для протравки семян можно рассматривать как препараты, механизм защиты которых базируется на сорбции на корневой системе растения «полезной микрофлоры» и препятствование сорбции фитопатогена.
Требования к микроорганизмам с высокой сорбционной способностью с корневой системой растения еще более жесткие:
— высокое сорбционное сродство к данному растению (его корневой системе), и рост вместе с корневой системой;
— препятствование сорбции на всей поверхности корневой системы фитопатогенных микроорганизмов;
— максимальный метаболизм экссудатов для снижения их концентрации в ризосфере;
— не способность к разрушению корневой системы данного растения (это может осуществляться и за счет факторов блокирования ферментных систем данного микроорганизма самим растением) при стрессовых воздействиях на растение.
Соблюсти все требования в одном микроорганизме крайне трудно, и, по всей видимости, для препаратов этой группы целесообразно применение нескольких микроорганизмов одновременно. На основе предложенной модели можно предположить создание биологических препаратов с высокой протеолитической активностью, причем это могут быть как препараты на основе чистых ферментов, так и бактериальные или грибные препараты, осуществляющие синтез ферментов непосредственно в ризосфере растений за счет метаболизма экссудатов.
Понимание теории фитопатогенеза позволяет существенно скорректировать и технологии применения агрохимикатов. Так, препараты, содержащие органические компоненты, близкие по своим свойствам к экссудатам, целесообразно применять при выводе растения из стрессовой ситуации. Например, после резких перепадов температуры или после гербицидных обработок, да и сами органические удобрения и агрохимикаты целесообразно разрабатывать для конкретных растений с учетом особенностей их экссудации.
Таким образом, теория фитопатогенеза может дать объяснения положительным эффектам, наблюдаемым при применении препаратов на основе живых микроорганизмов и агрохимикатов в растениеводстве, и позволяет сформулировать требования к микроорганизмам во вновь разрабатываемых биопрепаратах.
