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.

Проблема устойчивости в сельском хозяйстве главным образом определяется наличием тех факторов, которые действуют на культурные растения в процессе их вегетационного развития. Она определяется тем, что в процессе селекционного отбора культурные растения теряют ряд молекулярных механизмов, которые придают им устойчивость. Это общая проблема, которая связана с тем, что селекция элиминирует возможность для растений противостоять комплексу негативных стрессовых факторов окружающей среды. Растения часто не могут своими силами противостоять такой угрозе, поэтому им необходимо помогать. Наши исследования направлены на то, что мы изучаем дикорастущие растения как потенциальные доноры тех молекулярных компонентов, биохимических процессов, которые могут обеспечивать повышенную устойчивость организмов к стрессовым факторам.

Несмотря на то что в классическом понимании иммунитет свойственен животным и ассоциируется с антителами, в растениях он тоже есть. Врожденный иммунитет бывает конститутивным и индуцированным. В конститутивном иммунитете запрограммирован ряд механизмов, которые действуют все время независимо от наличия стрессового фактора. Индуцированный проявляется, когда растение подвергается атаке. Она может носить биотический характер — например, инокуляция грибом-фитопатогеном, бактерией, вирусом или нематодами. В случае абиотического стресса речь идет о температурных воздействиях — засуха или затопление — и о повышенной концентрации тяжелых металлов.

У дикорастущих растений иммунитет неплохо себя проявляет. В полях или на лугах наблюдаются симптомы поражения растений какими-либо болезнями, хотя их очень мало. В сельском хозяйстве именно дикорастущие растения являются резерваторами инфекций. В стране и мире не всегда соблюдается севооборот, очень быстро патогенные организмы поражают культурные растения. Все усилия фермеров и производителей могут сойти на нет, и плановая урожайность не будет достигнута.

Рекомендуем по этой теме:
2712
Фитопатология

Молекулярные механизмы иммунитета — это биосинтез, то есть выработка биологически активных метаболитов. В области пептидов это PR-белки, или белки, связанные с патогенезом. Между пептидами и белками нет принципиальной разницы, за исключением молекулярной массы: пептиды — это белки с молекулярной массой от 2 до 10 килодальтон. Все, что тяжелее, в научной литературе и научном сообществе принято называть белками. Исследования пептидов — это достаточно молодое направление, старт которому был дан в Европе чуть больше 20 лет назад. В России мы активно развиваем это направление больше 10 лет.

Пептиды с антимикробными функциями могут синтезироваться как конститутивно, так и индуцировано. При конститутивном синтезе пептиды присутствуют в растениях всегда и обеспечивают его защиту в любой момент, начиная от этапа прорастания семени и появления молодого растения и заканчивая более поздними стадиями формирования.

Пептиды в культурных и дикорастущих растениях легко исследовать. Мы можем их выделять и изучать как структурно, так и функционально. Важный вопрос заключается в том, почему культурные растения при своем пуле антимикробных пептидов менее устойчивы к патогенам, чем дикорастущие. Все определяется тем, что в дикорастущих растениях в процессе эволюционного отбора изменяется уникальная последовательность аминокислотных остатков, что делает их более активными по сравнению с культурными. Одно из направлений наших исследований заключается в том, чтобы путем детального скрининга большого количества таких растений выявить молекулярное биоразнообразие молекул, которые определяют большую степень антимикробной активности по сравнению с аналогичными или гомологичными структурами в культурных растениях.

Метод защиты растений от патогенных организмов построен на применении химических пестицидов. Этот подход реализуется издавна и приносит свои плоды. Ограничением является медленная скорость биоразлагаемости таких молекул. Они накапливаются в конечной продукции растениеводства, уходят в почву, водоемы, от них страдает полезная микробиота. Применение таких соединений никак не способствует получению продукции, свободной от химии. На этом фоне в последнее время нарастает процент применения биологических средств защиты растений, продуцентов каких-либо метаболитов, в частности антагонистически активных продуцентов бактериального или грибного происхождения. Это природные популяции, штаммы или изоляты, которые способны в природных условиях подавлять всех своих конкурентов. В процессе скрининга такие культуры выявляются, и на их основе делают биопрепараты. Они есть на рынке и ограниченно применяются некоторыми товаропроизводителями.

Существенный недостаток заключается в том, что никто не знает природу и степень биоразлагаемости этих метаболитов. Компании, которые занимаются производством и продажей таких средств защиты растений, довольствуются тем, что у них есть продуцент, регламент его применения и некоторая эффективность применения. А за счет чего это происходит — вопрос остается открытым. С нашей точки зрения, многие молекулы, которые синтезируются такими продуцентами, могут лечь в основу аналогичных действующих веществ химических пестицидов.

Рекомендуем по этой теме:
6894
FAQ: Физиология микроводорослей

Теперь хотелось бы понять, в чем отличие пептидов. Это не вторичные метаболиты, а генкодируемые молекулы, которые синтезируются на рибосомах, поэтому вопрос об их биоразлагаемости сразу отпадает. Мы знаем, что пептиды не будут накапливаться ни в конечной продукции растениеводства, ни в почве. После осуществления своей функции они будут гидролизованы соответствующими ферментными системами сапробиотических форм.

Основная цель наших исследований — это выявление комплекса таких пептидов в растениях, которые обладают различным молекулярным способом действия, чтобы скомбинировать их в рамках одного действующего вещества и применить для ограничения развития фитопатогенных микроорганизмов. Как правило, пока речь идет о закрытом грунте, мы понимаем, что до работы в полях нам еще далеко. Расход действующего вещества может быть достаточно большим, и пока речь идет только о так называемом вегетационном применении (greenhouse conditions), когда действующее вещество — охарактеризованный комплекс метаболитов — применяется на растениях в виде малообъемного или ультрамалообъемного опрыскивания.

С экономической точки зрения пока крайне непросто определить эффективность и стоимость такого биопрепарата. Основной вектор исследований в плане прикладного применения строится на том, что мы путем потенциального внедрения таких веществ ведем к тому, что сокращается концентрация и число обработок химическими пестицидами. Так повышается экологичность продукции растениеводства. Для России это в меньшей степени актуально, большое распространение это получило в странах Европы, в США, где разделяют продукцию, выращенную на традиционной схеме интегрированной защиты растений с применением химических препаратов, и эко-продукцию, выращенную практически без применения пестицидов. Эта разница влияет на стоимость товаров. Мы рассчитываем, что наши исследования смогут дать толчок к развитию экологического сельского хозяйства в нашей стране.