Биологические препараты против болезней растений

УДК 632.937
DOI:10.25630/PAV.2018.8.18269

Ф.С. Джалилов

Изложены факторы, способствующие развитию биологического метода защиты растений от болезней: неэффективность химических средств против ряда вредоносных заболеваний, опасность химических препаратов для здоровья человека и окружающей природной среды, удобство и экономическая выгода использования ряда биопрепаратов, соответствие современным требованиям для технологий защищенного грунта, которые предусматривают использование биологических объектов (например, насекомых-опылителей). Представлены теоретические основы биологической защиты растений от болезней – типы экологических отношений между организмами: сосуществование (отсутствие отрицательной зависимости между численностью взаимодействующих популяций), антагонизм (конкуренция за источники питания, антибиоз, паразитизм, гиперпаразитизм). Дана характеристика основным группам микроорганизмов, на основе которых созданы биопрепараты: грибы Trichoderma viride, T. harzianum, T. koningii; Gliocladium virens), бактериии (виды родов Pseudomonas и Bacillus), вирусам и механизмам их защитного действия (для Trichoderma – направленный рост гиф антагониста в направлении к метаболитам гриба-хозяина, оплетение гифов гриба-хозяина и перфорация клеточной стенки хозяина, последующая полная колонизация хозяина, проникновение в мицелий хозяина, активный рост внутри клеток, гибель мицелия гриба-хозяина; для Pseudomonas – образование стабильных комплексов с трехвалентным железом, связывание ионов трехвалентного железа в почве, как следствие – лишение многих видов фитопатогенных грибов необходимого элемента питания, что приводит к остановке их развития). Указано на значение контроля показателей качества препаратов для успешной защиты растений от болезней (титр, чистота и биологическая активность).

Ключевые слова: биологическая защита растений, биопрепараты, Trichoderma, Bacillus subtilis, Pseudomonas, бактериофаги.

Биологическая защита растений – это направленное применение живых организмов и продуктов их жизнедеятельности для снижения ущерба от вредителей и болезней культурных растений [1].

Цель обзора: представить теоретическую основу использования биологических препаратов для защиты растений от болезней и их современный ассортимент.

Активное развитие этого направления в защите растений обусловлено следующими факторами:

• против ряда вредоносных болезней химические средства неэффективны (например, трахеомикозы, бактериальные болезни растений и др.);
• существуют санитарные ограничения для применения химических средств;
• биологические средства могут быть дешевле, чем химические, и некоторые из них производят в биолабораториях, например, при тепличных комбинатах;
• в современных теплицах существует ряд технологических ограничений, препятствующих использованию химических пестицидов (применение шмелей, энтомофагов, ежедневный сбор продукции и пр.).

Основа использования биологических средств – взаимоотношения между микроорганизмами, имеющие место в природе. Биологические взаимосвязи между ними можно упрощенно разделить на две группы: сосуществование и антагонизм. При сосуществовании не наблюдается отрицательной зависимости между численностью взаимодействующих популяций, а иногда обнаруживается положительная связь между ними. При этом типе отношений могут встречаться следующие варианты: индифферентное сосуществование, синергизм, симбиоз. Вторая группа биологических взаимосвязей – это различные формы антагонизма, при которых один вид препятствует размножению и активности другого вида. Именно эти отношения представляют интерес для использования в биологической защите растений. Антагонизм может выражаться в различных формах; простейшей из них является конкуренция за источники питания. При этом питательный субстрат, заселенный одним микроорганизмом, не может быть использован другим видом. При такой конкуренции побеждает вид, обладающий большой скоростью роста, т. е. более высокой колонизирующей способностью. Поэтому высокая конкурентная способность – обязательное требование к микроорганизмам, используемым в биологической защите растений.

Наиболее часто используют в биологической защите различные формы антибиоза, т. е. антагонизма, основанного на выделении в окружающую среду растворимых и летучих продуктов жизнедеятельности, сдерживающих или полностью подавляющих развитие других видов. Одной из форм антагонизма является также паразитизм – явление использования одним видом микробиоты другого вида в качестве питательного субстрата. При этом клетки хозяина остаются живыми, по крайней мере, до завершения биологического цикла паразита.

Иногда имеет место гиперпаразитизм, при котором паразит питается на фитопатогенном грибе. Например, грибы рода Darluca являются гиперпаразитами ржавчинных грибов, а грибы рода Ampelomyces – мучнисторосяных грибов.

Большинство видов микроорганизмов проявляют одновременно несколько типов взаимоотношений с другими видами. Так, грибы рода Trichoderma выделяют в среду антибиотики, способны паразитировать на мицелии других грибов, а иногда ведут себя как хищники.

Грибные препараты против болезней растений

Знание биологических особенностей грибов позволило некоторые из них целенаправленно использовать для производства биопрепаратов. Были выбраны виды, обладающие самым широким спектром антагонистических свойств – гиперпаразитизмом, конкуренцией за питательный субстрат, продуцированием антибиотиков и других вещества, угнетающих жизнедеятельность патогенов растений.

Наиболее изучены антагонистические свойства грибов рода Trichoderma, которые подавляют развитие других микроорганизмов, в том числе фитопатогенов, путем прямого паразитирования, конкуренции за субстрат, для чего они продуцируют определенные ферменты и антибиотики (виридин, глиотоксин и другие). Виды триходермы подавляют развитие преимущественно почвенных фитопатогенов – грибов из родов Fusarium, Pythium, Phoma, Phytophthora, Alternaria, Botrytis и других возбудителей заболеваний растений. Отдельные штаммы триходермы колонизируют поверхности корней и листьев. Некоторые из них способны вызывать системную индуцированную устойчивость, а также стимулировать рост растений.

В процессе взаимодействия паразитических штаммов Trichoderma и гриба-хозяина происходит направленный рост гиф антагониста в направлении к метаболитам гриба-хозяина (хемотаксис). Затем паразит оплетает гифы гриба-хозяина и перфорирует его клеточную стенку. Наступает полная колонизация хозяина, когда микопаразитические штаммы Trichoderma проникают в мицелий хозяина и активно растут внутри клеток, приводя их к гибели.

В биологической защите растений используют несколько видов: T. viride, T.harzianum, T. koningii и некоторые другие [2].

Большое значение имеет препаративная форма биопрепарата. Если в 1960–1980-х годах массово производили сухой мицелиально-споровый препарат на зерне или отходах ситотрожного производства, то в настоящее время производят мицелиальный препарат методом глубинного культивирования и споровый концентрат. Препарат, полученный методом глубинного культивирования по сравнению с сухими споровыми препаратами безопаснее для персонала, содержит метаболиты, обладающие защитными свойствами, но долго не хранится. Идут работы по селекции штаммов триходермы для увеличения срока хранения жидких биопрепаратов, что возможно при большем содержании хламидоспор [3].

Биопрепараты на основе грибов рода Trichoderma эффективны против почвенных патогенов (корневые гнили, фузариозы, черная ножка, белая и серая гнили и др.). Это обусловлено тем, что почва, как основная среда их обитания, позволяет проявиться антагонистическим свойствам этих грибов в наибольшей степени. Тепличные субстраты менее пригодны для развития триходермы, поэтому создаются специальные формы препаратов, содержащие питательные вещества для триходермы (например, это реализовано в препаратах серии TRIANUM).

Способом опрыскивания биопрепараты на основе Trichoderma применяют в меньшей степени. Так, суспензией спор T. harzianum опрыскивают овощные культуры в защищенном грунте и землянику для защиты от болезней надземных органов, например, серой и белой гнилей, аскохитоза.

В защищенном грунте против стеблевой формы белой гнили и аскохитоза огурца применяют обмазку стеблей пастой, содержащей триходерму.

Значительно меньше в практике защиты растений применяют другие виды грибов. Например, началось пробное внедрение препарата Глиокладин на основе гриба Gliocladium virens. Жидкая препаративная форма используется для внесения в почву в норме 100 л на 1 га под овощные против корневых гнилей.

Бактериальные препараты против болезней растений

Обычно производят препараты на основе бактерий двух родов Pseudomonas и Bacillus. Хотя известны препараты и из других бактерий – азотобактер, молочнокислые бактерии и пр.

Бактерии рода Pseudomonas. В этом роде имеются сапротрофные бактерии, заселяющие ризосферу. Среди них встречаются естественные антагонисты фитопатогенных микроорганизмов. К ним относятся виды Pseudomonas fluorescens, P. putida, P. aureofaciens и другие виды. Эти бактерии характеризуются высокой колонизирующей способностью, они же являются продуцентами антибиотиков, бактериоцинов, сидерофоров, а также стимуляторов роста. Среди антибиотиков, продуцируемых псевдомонадами, обнаружены: феназин-1-карбоновая кислота, 2,4-диацетилфлороглюцинол, пирролнитрин и др. Важную роль в ограничении численности фитопатогенных микроорганизмов играют синтезируемые псевдомонадами сидерофоры – соединения, осуществляющие транспорт железа. Их отличительная способность – образование стабильных комплексов с трехвалентным железом. Связывая ионы трехвалентного железа в почве, сидерофоры лишают многие виды фитопатогенных грибов необходимого элемента питания, что приводит к остановке развития последних. Следует иметь в виду, что сидерофоры продуцируются псевдомонадами лишь в условиях дефицита железа, поэтому использование штаммов с высокой сидерофорной активностью не всегда дает защитный эффект.

Бактерии рода Bacillus, в основном Bacillus subtilis, имеют наибольшее значение как агенты биологической защиты от фитопатогенов. Bacillus subtilis является продуцентом более 70 антибиотиков.

Некоторые из этих антибиотиков подавляют рост фитопатогенных микроорганизмов. Имеется ряд биопрепаратов, созданных на основе Bacillus subtilis: Бактофит, Фитоспорин, Алирин Б, Гамаир и другие. Эти препараты показали свою эффективность на многих сельскохозяйственных культурах, в частности, на картофеле против ризоктониоза, черной ножки и фитофтороза, на огурце – против мучнистой росы, на капусте – против бактериозов.

Вирусные препараты против болезней  растений

Наиболее перспективным направлением использования вирусов является применение бактериофагов (вирусов бактерий) против бактериальных болезней растений. Первое упоминание об использовании бактериофагов против болезней растений относится к 1926 году [4].

В СССР был зарегистрирован препарат Пентафаг, состоящий из 5 бактериофагов фитопатогена Pseudomonas syringae. Это препарат продолжают использовать на Украине. В Белоруссии недавно разработан препарат «Мультифаг» для защиты огурца от бактериозов [5].

В основе механизма действия лежит разрушение клеток фитопатогенных бактерий при внедрении бактериофагов. После гибели каждой бактериальной клетки выделяется 100–200 новых частиц возбудителя, способных заражать новые клетки.

В России работа по созданию биопрепаратов на основе бактериофагов фитопатогенных бактерий проводится ООО «ИЦ «Фитоинженерия» совместно с Институтом биоорганической химии АН РФ. Получен препарат Стримфаг, эффективно подавляющий развитие мокрой гнили и черной ножки на картофеле. Исследования, проведенные в РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева показали хорошие перспективы использования бактериофагов в защите капусты от сосудистого бактериоза [6].

К показателям качества биопрепаратов относятся титр, чистота и биологическая активность. В Тимирязевке студенты при изучении дисциплины «Биологическая защита растений» на практическом занятии определяют эти показатели у коммерческих биопрепаратов с помощью сред содержащих селективные компоненты (рис.). Результаты испытаний показывают, что не все биопрепараты соответствуют заявленным параметрам. Особенно сильные отклонения наблюдаются у грибных биопрепаратов, полученных методом глубинного культивирования. В связи с этим, биологическая активность и стабильность титра биоагента в заявленный период хранения препарата остаются важными задачами, стоящими перед разработчиками биологических средств защиты растений.

Библиографический список

1. Андреева И.В., Штерншис М.В., Томилова О.Г. Биологическая защита растений. М.: Лань, 2018. 322 с.
2. Ахатов А.К. и др. Болезни и вредители овощных культур и картофеля. М.: КМК, 2013. 463 с.
3. Коломбет Л.В. Биотехнологические проблемы создания препаратов для растениеводства на основе грибов рода TRICHODERMA // Прикладная токсикология. 2012. Т. 3. № 7. С. 48–55.
4. Бактериофаги: биология и практическое применение (под ред. Э.Каттер, А. Сулаквелидзе): пер. с англ., научн. ред. А.А. Летаров. М.: Научный мир, 2012. 640 с.
5. Биопестицид «МУЛЬТИФАГ» – препарат на основе бактериофагов для защиты культуры огурца от бактериозов / Пилипчук Т.А., Герасимович А.Д., Ананьева И.Н., Новик Г.И., Коломиец Э.И., Попов Ф.А. // Биотехнология: Состояние и перспективы развития. Материалы VIII Московского Международного Конгресса (Москва, 17–20 марта 2015 г.). М., 2015. С. 41–42.
6. Vo Thi Ngok Ha, Dzhalilov F. S., Ignatov A. N. Biological properties of bacteriophages specific to black rot pathogen of brassicas Xanthomonas campestris pv. campestris // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 2015. Вып.6. С. 28–36.

Об авторе

Джалилов Февзи Сеид-Умерович, доктор биол. наук, профессор, заведующий кафедрой защиты растений, ФГБОУ ВО Российский государственный аграрный университет–МСХА имени К.А. Тимирязева.E-mail: labzara@mail.ru

Biological preparations against plants diseases

F.S. Dzhalilov, DSc., professor, head of the plant protection department, RSAU–MTAA.E-mail: labzara@mail.ru

Summary. The factors contributing to the development of the biological method of plant protection from diseases are described: the inefficiency of chemicals against a number of harmful diseases, the danger of chemicals for human health and the environment, the convenience and economic benefits of the use of a number of biological products, compliance with modern requirements for protected soil technologies, which provide for the use of biological objects (for example, pollinators). Theoretical bases of biological protection of plants from diseases-types of ecological relations between organisms are presented: coexistence (absence of negative dependence between the number of interacting populations), antagonism (competition for food sources, antibiosis, parasitism, hyperparasitism). The characteristics of the main groups of microorganisms on the basis of which biological products are given: fungi Trichoderma viride, T.harzianum, T. koningii; Gliocladium virens), bacteriae (species of the genera Bacillus and Pseudomonas), viruses and the mechanisms of their protective action (for Trichoderma – directed growth of the hyphae of the antagonist towards the metabolites of the fungus-host entanglement of the hyphae of the fungus-host and perforation of the cell wall of the host, to the complete colonization of the host, penetration into the host mycelium, the active growth inside the cells, the death of the mycelium of the fungus-host; for Pseudomonas – the formation of stable complexes with trivalent iron, binding of ferric ions in the soil, as a consequence – the deprivation of many species of phytopathogenic fungi necessary element of nutrition, which leads to a halt in their development). The importance of monitoring the quality of preparations for the successful protection of plants from diseases are noted: titer, purity and biological activity.

Keywords: biological plant protection, biological preparation, Trichoderma, Bacillus subtilis, Pseudomonas, bacteriophages.