В проекте «Среда выживания» совместно c Институтом экологической и сельскохозяйственной биологии (X-BIO) Тюменского государственного университета мы рассказываем о биологических угрозах современности и методах защиты от них.

Основная причина потерь в сельском хозяйстве — заболевания растений. Потери пшеницы только от болезней в России составляют 18,3 миллиона тонн в год []Лазарев А.М.. В Сибири ежегодные потери урожая зерновых составляют порядка 15–20%, увеличивающиеся в периоды роста активности вредителей []Чулкина и соавт. 2009; Калмыкова и соавт. 2016.

Болезни растений вызывают различные фитопатогены: грибы, бактерии, вирусы, насекомые, клещи. Обычно с паразитами борются при помощи химических пестицидов. Химические средства защиты, которые сейчас в основном используются для борьбы с патогенами растений, — это очень токсичные вещества, и они вредят не только паразитам растений, но и самим людям. Рабочие при опылении полей получают отравление ядохимикатами, погибают популяции насекомых, например пчел, и токсичные вещества накапливаются в продуктах. Использование химических пестицидов оправдано из-за их эффективности, но с течением времени она снижается из-за феномена резистентности и образования форм клеток, устойчивых к пестицидам.

Бактериальные биопестициды

.

Биопестициды сейчас — это, как правило, клетки микроорганизмов, которые удобряют в почву, — штаммы-антагонисты угрожающих растениям патогенов в различных формах (высушенные живые культуры, интегрированные в различные носители). Уже в почве они начинают синтезировать антимикробные и ростостимулирующие вещества.

В отличие от ядохимикатов, биопестициды действуют избирательно, они опасны не для большинства живых организмов, а только для группы патогенов, против которой они направлены. В этом как их преимущество, так и недостаток: биопестициды не токсичны для всего живого, но для их применения нужно как можно больше знать о патогене.

Среди бактериальных биопестицидов наиболее распространены биопрепараты на основе различных штаммов Bacillus и Pseudomonas, которые выделяют метаболиты с антибиотическими свойствами и ингибиторы чувства кворума — вещества, подавляющие способность бактерий выделять молекулярные сигналы и общаться между собой.


Бактерии Pseudomonas fluorescens

Штаммы Pseudomonas fluorescens синтезируют антибиотики феназинового ряда, а также различные пептидные антибиотики, которые подавляют широкий спектр фитопатогенов. Наиболее «востребованные» в производстве биофунгицидов (препаратов для борьбы с грибами — паразитами растений) штаммы Bacillus thuringiensis продуцируют целый спектр пептидных молекул с инсектицидной, противоопухолевой и антимикробной активностью []Калмыкова Г.В. и соавт. 2016.

Однако сельскохозяйственные угодья — это многокомпонентная и многофакторная среда с постоянно изменяющимися условиями, и поведение бактерий в почве довольно сложно контролировать. Микробиологический подход может не работать, если, например, климат неподходящий: в Краснодарском крае биопестициды применяются успешно, а в условиях Сибири, где холоднее, клетки биопестицида погибают в почве. Более целесообразно было бы использовать не организмы — продуценты биологического активного вещества, а само вещество.

Антимикробные пептиды

Есть идея перейти на другой уровень: не ждать, когда клетки на поле синтезируют и выделят нужные вещества, а сразу же синтезировать эти вещества, высушить и использовать как биоудобрение. В качестве таких веществ рассматриваются антимикробные пептиды растений и микроорганизмов.

Рекомендуем по этой теме:
6370
Главы | О чем думают растения

Антимикробные пептиды — это обширная группа природных молекул, состоящих из аминокислотных остатков, обладающих антибактериальными свойствами. Практически все живые организмы вырабатывают антимикробные пептиды — эти молекулы обеспечивают наш врожденный иммунитет. Начиная с зародыша эти молекулы защищают организм. У человека приобретенный иммунитет — антитела, которые вырабатываются, если организм переболеет инфекцией, а пептиды — врожденный механизм, идущий в комплекте с телом как средство защиты от бактерий, вирусов и паразитов.

Для производства биопестицидов интересны антимикробные пептиды дикорастущих растений: в отличие от культурных видов, сорняки имеют необходимые антимикробные вещества, чтобы выживать в условиях агрессивной среды. Идея, которую разрабатывают в Институте экологической и сельскохозяйственной биологии (X-BIO) ТюмГУ, — выделять антимикробные пептиды из сорных растений и комбинировать с пептидами бактериального происхождения.

В отличие от обычных пестицидов, химических, которые могут разлагаться годами, мигрируя с грунтовыми водами, антимикробные пептиды через непродолжительный период времени полностью разлагаются в почве. Биогенные препараты можно комбинировать с химическими, постепенно снижая долю химических реагентов и увеличивая долю биологических.

Возможности, предоставляемые препаратами, имеющими в составе антимикробные пептиды, хорошо иллюстрируются достижениями группы ученых из ЮАР, которые уже получили патенты на использование циклических липопептидов тироцидинов в области сельского хозяйства []Troskie et al. 2014.

Биологические средства защиты не оставляют практически никаких следов в почве и не попадают в пищу. Такая продукция будет стоить дороже, но многие поставщики экологически чистых продуктов готовы повышать стоимость ради чистоты овощей и фруктов. Со временем, хочется верить, биопестициды будут доминировать над химическими средствами защиты.