Применение микроорганизмов в сельском хозяйстве становится жизненно необходимым. Продолжаем цикл материалов об агрономически полезной микрофлоре, которую так же называют PGPB (plant growth promoting bacteria). Речь пойдет о благотворном влиянии, которое оказывают различные штаммы бактерий и грибов на сельскохозяйственные культуры посредством косвенных механизмов.
Способность биоконтролирующих бактерий косвенно способствовать развитию растений представляет значительный интерес не только с научной точки зрения, но и с практической. Поскольку развитие понимания основных механизмов, используемых биоконтролирующими бактериями, расширяет возможности их эффективного коммерческого использования в качестве аналогов химических пестицидов.
Антибиотики и литеческие ферменты
В первую очередь полезные бактерии ассоциируются со способностью предотвращать распространение возбудителей болезней растений, поскольку PGPB синтезируют целый ряд различных антибиотиков. Правда, существует одна из проблем использования антибиотиков в качестве агентов биоконтроля: постепенно фитопатогены становятся устойчивыми к этим антибиотикам. Исследователи решили данную проблему благодаря использованию биоконтролирующих штаммов, синтезирующих цианистый водород, а также применению одного или несколько антибиотиков одновременно.
Некоторые биоконтролирующие бактерии вырабатывают ферменты, такие как: хитиназы, целлюлазы, глюканазы, протеазы и липазы. Они могут расщеплять часть клеточных стенок многих патогенных грибов. Соответственно, PGP бактерии, которые синтезируют один или несколько из этих ферментов, проявляют мощную биоконтролирующую активность против патогенных грибов.
Сидерофоры
Некоторые бактериальные штаммы могут применять в качестве агентов биоконтроля собственные сидерофоры. Этот эффект достигается благодаря снижению содержания доступного железа, что ограничивает способность патогенов к размножению. Биоконтролирующие PGP бактерии производят сидерофоры, которые имеют значительно большее сродство к железу, чем те, что выделяются грибковыми патогенами, поэтому грибы не могут размножаться в ризосфере корней растения-хозяина из-за недостатка железа.
Биопестициды
Биологические пестициды разделяют на: биофунгициды, биоинсектициды, бионематоциды, биогербициды.
Биофунгициды
Чтобы избежать потерь урожая, вызванных патогенными грибами на семенах растений или в грунте, часто необходима обработка фунгицидами. Обработка семян микробными антагонистами грунтовых патогенов является идеальной системой их доставки. Поскольку инокулюм вводится в ризосферу, где возбудители болезней растений активно действуют, вызывая гниение семян.
Конкуренция между возбудителями болезней и PGPB может значительно снизить заболеваемость растений. Ведь питательна среда для большинства форм микрофлоры одна.
И значительное содержание непатогенных микроорганизмов в почве приводит к быстрой колонизации ими поверхности растений. И это, соответственно, ведет к использованию большинства доступных питательных веществ, что автоматически тормозит развитие патогенных микроорганизмов. Штаммы Bacillus больше всего подходят для разработки стабильных и эффективных биологических препаратов. Их способность образовывать термостойкие споры позволяет им лучше выживать в условиях стресса по сравнению с видами, не способными к спорообразованию.
Также для обработки семян часто используют грибы Trichoderma. Они способны контролировать патогенные грибы аскомицеты, базидиомицеты и оомицеты, а также проявляют активность против нематод. Trichoderma также улучшает рост растений путем многочисленных дополнительных механизмов, в том числе, за счет повышения системной устойчивости культур и усиления корневой пролиферации.
Однако нужно понимать, что эффективность биопрепаратов во многом зависит от свойств биологического агента и способа их применения – инокуляция семян или внесение в почву. Имеет значение даже сам метод инокуляции – это инкрустация или пленочное покрытие.
Необходимо также отметить, что один и тот же микробный агент может эффективно защищать семена от патогенов, но при этом тормозить развитие самих растений. В каждом отдельном случае необходим свой индивидуальный подход. Поэтому помощь специалистов никогда не будет лишней.
Популярность биофунгицидов стремительно растет. Первый препараты был зарегистрирован в ЕС в 1997 году. И сегодня биофунгициды используются на площадях более двух миллионов гектар.
Биоинсектициды
Многие грунтовые насекомые-вредители привлекаются соединениями, которые выделяют в почву прорастающие семена. Несмотря на это, микробная инокуляция семян для защиты культур от насекомых проводится нечасто, хотя среди всех способов введения микробных агентов в корневую зону, обработка семян является наиболее эффективной, поскольку именно там вероятность контакта корней с вредителями очень высока. Открытие энтомопатогенной активности у гриба Metarhizium anisopliae, который является эффективным колонизатором ризосферы растений, указывает на целесообразность его применения при обработке семян. Этот гриб используется для защиты семян кукурузы от проволочника Agriotes obscures и пастбищных (газонных) трав от жука Adoryphorus couloni. Причем внесение спор этого гриба для защиты растений в почву менее эффективно, чем инокуляция семян. Правильность концепции внесения биоинсектицидов путем обработки семян была продемонстрирована на моркови, пшенице и райграсе. Важно отметить, что уровень защиты, обеспеченный микробным препаратом, часто аналогичен тому, который достигается при применении химических инсектицидов для протравливания семян.
Бионематоциды
Нематоды — это микроскопические черви, развивающиеся во влажной среде, которые паразитируют на растении, вызывая сильные изменения в их развитии и приводящие к гибели растений. Нематоцидная бактерия Bacillus firmus является наиболее эффективным микроорганизмом для борьбы с этим вредителем и основным биологическим агентом многих коммерческих препаратов. Основное преимущество этим микроорганизмам обеспечивает их способность формировать споры. На данный момент некоторые компании используют данную бактерию совместно с химическим инсектицидом, что значительно повышает эффективность борьбы с вредителем и при этом существенно снижает количество применяемого химического агента. Этот продукт используется для борьбы с насекомыми-вредителями и растительными нематодами ряда сельскохозяйственных культур, таких как: кукуруза, хлопок, сорго, соя и сахарная свекла.
Спорообразующие бактерии Pasteuria spp. также хорошо известны как эндопаразиты нематод растений. Однако их применение возможно лишь в форме гранулированных препартов, что снижает эффективность их доставки к корневой системе растения.
Биогербициды
В ряде опытов было показано, что злаковый сорняк костром кровельный (Bromus tectorum) вызывает значительное снижение урожайности пшеницы. Некоторые штаммы ризосферных микроорганизмов, такие как Pseudomonas putida, Stentotrophomonas maltophilia, Enterobacter taylori способны подавлять развитие этого сорняка, влияя на развитие его корневой системы и всхожесть семян. После нанесения на семена пшеницы, эти бактериальные штаммы успешно колонизировали ризосферу сорняка и снижали его способность к поглощению питательных веществ.
Индуцирование системной устойчивости
PGP бактерии могут вызвать в растениях явление, известное как индуцированная системная устойчивость (ИСС). ИСС-положительные растения быстрее и активнее реагируют на влияние патогена, благодаря быстрой индукции защитных механизмов. ИСС не ориентирована на конкретные патогены и эффективна при воздействии стрессовых факторов различной природы.
Индуцирование системной устойчивости растений не предполагает прямой контакт между PGPB и патогеном, а воздействие идет непосредственно на само растение. В качестве сигналов для индукции системной устойчивости выступают так называемые нетрадиционные гормональные вещества такие как: жасмонаты, ингибиторы етилена, липополисахариды и глюканы, аминокислоты и полипептиды, хитин и его производные, циклические карбоновые кислоты, салициловая кислота и многие другие.
Модулирование эффекта стрессовых факторов окружающей среды
В идеальных условиях, большая часть роста и развития растений протекает более или менее равномерно. Но развитие растений может быть заторможено воздействием различных биотических и абиотических стрессовых факторов. Это могут быть: перепады температур, интенсивность освещения, засуха, засоление, наличие токсичных металлов и органических загрязнителей, радиация, физические повреждения, хищные насекомые и нематоды, вирусы, бактерии и грибы. Кроме того, во время вегетации, растение может быть подвержено ряду нелетальных стрессов, которые, в свою очередь, ограничивают его развитие либо до ликвидации стрессового фактора либо до адаптации метаболизма для преодоления стресса. Таким образом, на практике, развитие растений, как правило, состоит из периодов максимального развития с периодами ингибирования роста различного уровня. PGP бактерии применяют одновременно несколько механизмов для преодоления ингибирования развития растений.
Засуха является ключевым стрессовым фактором, ограничивающим производство сельскохозяйственных культур и станет еще более серьезной проблемой при текущих прогнозах изменения климата. Поэтому возрождается интерес к микроорганизмам, способным улучшать устойчивость растений к стрессу с помощью широкого спектра механизмов, включающих изменение уровней фитогормонов или производство бактериальных экзополисахаридов. Например, штамм Pseudomonas putida, колонизируя ризоплану подсолнечника, адгезирует частицы почвы к корням, увеличивая при этом процент стабильных агрегатов почвы, поддерживая, тем самым, более высокий водный потенциал вокруг корней. Адгезия почвы и образование агрегатов происходит за счет выделения данным микроорганизмом полисахарида, который способен удерживать влагу.
Солевой стресс является еще одним ключевым абиотическим фактором, ограничивающим производство сельскохозяйственных культур. Обработка семян солеустойчивыми или засухоустойчивыми изолятами гриба Trichoderma снижает воздействие стресса на растения пшеницы за счет выделения антиоксидантных веществ и деактивации активных форм кислорода.
Изменение гормонального баланса растений
Большинство из вышеупомянутых стрессов приводит к образованию подавляющих развитие растений уровней этилена. Снизить чрезмерный уровень этилена можно за счет использования PGPB, синтезирующих фермент AЦК-дезаминазу. Проведенные по всему миру исследования, показывают, что множество различных PGPB с АЦК-дезаминазной активностью могут обеспечить существенную защиту растений от целого ряда абиотических стрессов.
В современной научной литературе было высказано предположение, что некоторые PGP бактерии могут помочь растениям преодолеть абиотические стрессы за счет обеспечения их ауксином в концентрации, стимулирующей рост растений, даже при наличии блокаторов синтеза этого гормона.
Необходимо добавить, что наиболее эффективно защищают растения от широкого спектра различных стрессов бактерии, которые способны одновременно синтезировать как ауксины так и AЦК-дезаминазы.
Целый ряд почвенных бактерий и грибов способны синтезировать цитокинины. Во многих исследованиях было показано, что трансгенные растения-гиперпродуценты цитокининов существенно защищены от вредного воздействия абиотических стрессовых факторов. Однако, на данный момент нет никаких результатов, подтверждающих способность бактериальных цитокининов влиять на устойчивость растений к стрессам.
Синтез трегалозы и антифризовых белков
Трегалоза является широко распространенным в природе невозобновляемым дисахаридом. Она встречается в бактериях, дрожжах, грибах, растениях, насекомых и беспозвоночных животных. Высокий уровень трегалозы может выступать в качестве защиты от нескольких различных абиотических стрессов. Трегалоза – высокостабильная молекула, которая устойчива к кислотам и высоким температурам и способна связывать воду в клетках, образуя гелевую фазу и, как следствие, снижать ущерб от засухи и засоления. Кроме того, трегалоза может предотвращать частичную деградацию и агрегацию белков, происходящую при высоких и низких температурах.
Одним из способов повышения толерантности растений является обработка растений PGP бактериями, синтезирующими большое количество трегалозы. Обработка бобовых растений симбиотическими бактериями Rhizobium etli, которые с помощью генной инженерии приобрели способность активно синтезировать трегалозу, приводила к большему формированию клубеньков и увеличению азотфиксирующей активности. Она также повышала устойчивость растений к засухе, в сравнении с растениями, инфицированными исходным штаммом. При обработке кукурузы штамом-суперпродуцентом трегалозы Azospirillum brasilense, обработанные растения были более устойчивыми к засухе и формировали большую биомассу, чем растения, обработанные исходным штаммом.
Почти двадцать лет назад, впервые появилось несколько сообщений, о том, что некоторые психрофильные и психротропные бактерии, в том числе PGPB, секретируют в окружающую среду антифризовые белки, что позволяет им расти при низких температурах. Бактериальные антифризовые белки, также регулируют образование льда за пределами бактерии, защищая таким образом стенки и мембраны растительных клеток от потенциально летальных повреждений (прокалывания) крупными кристаллами льда, которые могут возникнуть при минусовых температурах.
Природа не перестает удивлять нас своим совершенством. Человек только относительно недавно изобрел средства защиты растений и удобрения, которыми природа, как оказалось, владела с незапамятных времен. Нам необходимо только «приручить» полезные бактерии и грибы, которые смогут решить за нас если не все, то очень многие задачи в сельском хозяйстве. При этом, не навредив ни почве, ни растению.
Павел Маменко
канд. биол. наук
