Новая концепция в создании биопрепаратов для защиты растений. Продолжение

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.
Марквичёв Н.С., к.т.н., доцент, каф. Биотехнологии Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, Горюнова О.Б., к.т.н., генеральный директор ООО «БИОМ-ПРО»
Ресурсосберегающее земледелие №2/2017

0 комментариев

Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.