Спецвозможности
Агрохимия

Принципы действия гербицидов, или Как сделать правильный выбор

05.02.2019
3712
Принципы действия гербицидов, или Как сделать правильный выбор фото, иллюстрация
Применение средств защиты растений уже стало неотъемлемой составляющей технологий выращивания сельскохозяйственных культур. Но как бы скрупулезно мы не подбирали препараты, вредоносности от сорняков, вредителей, болезней и самих пестицидов не избежать.
 

В книге "Защита растений в устойчивых системах землепользования» (Д. Шпаар с соавторами) аргументировано доказано, что суммарные убытки урожая (14%) от применения пестицидов идентичны потере от сорняков, вредителей или болезней, на долю которых приходится по 13% недобора урожая. Поэтому без соблюдения научно обоснованных регламентов вредоносность пестицидов возрастает в разы. Кроме того, нерегламентированное применение пестицидов приводит к подавлению биологической активности почв, препятствует естественному восстановлению их плодородия. Из-за гибели насекомых-опылителей падает урожайность сельскохозяйственных культур.

Немецкие ученые подчеркивают, что самыми вредоносными для культурного растения из общей группы пестицидов является гербициды. Даже несмотря на значительные достижения ученых, механизм действия многих препаратов остается неизученным. Причиной тому является несовершенство методов исследования, а также правильный выбор препаратов. В период полураспада значительная часть действующих веществ трансформируется, образуя новые токсичные вещества (вторичная токсикация). Ведь, попадая в растение, действующее вещество вступает во взаимодействие с эндогенными веществами, которые действуют на гормональную систему, образование клеточных стенок и т.д., нередко проявляет специфическую активность по растений.
 
Кроме того, гербициды специфически влияют на культуры в зависимости от температурного и водного режимов, уровня инсоляции, типа роста и этапов органогенеза. Например, в рекомендациях применения гербицидов на кукурузе указанная фаза внесения - 3-10 листьев, тогда как первым критическим периодом в формировании урожая кукурузы является фаза 2-3 листьев (полноценный переход на автотрофный тип питания). Кроме того, в этот период определяется габитус растения, то есть закладываются междоузлия и листья, начинают формироваться узловые корни.

Аналогичная ситуация и с озимой пшеницей: период интенсивных гербицидных обработок приходится на время определения количества члеников колосового стержня (конец кущения - начало стрелкования). Ослабление в этот период фотосинтетической активности на 5-7% приводит к 15% недобора урожая.
 
При правильном выборе, по разным данным, 50-70% действующих веществ гербицидов, введенных в практику сельского хозяйства за последние десятилетия, влияют на функционирование митохондрий, образование и распад фотосинтетических пигментов, биосинтез аминокислот, липидов и фотосинтетическую электронно-транспортную систему. Тогда как специфической особенностью в метаболизме растений  является самостоятельный синтез всех важных компонентов построения клетки (сахаров, аминокислот, липидов, коферментов и т.д.) и использование СО2 в качестве единственного источника углерода. И именно на эти участки питания (от усвоения СО2 до биосинтеза органических соединений) в основном нацелено действие фитотоксикантив.

Морфология, биология, различия в структуре белков-мишеней у разных растений и физико-химические свойства препаратов, в частности их различия в метаболизме токсинов или веществ, которые превращаются в действительно токсичные соединения внутри растения (пропестициды), определяют избирательность действия или селективность гербицидов. Следует отметить, что однодольные растения обычно более устойчивы к гербицидам по сравнению с двудольными.

Одной из причин такой устойчивости злаков к токсикантам является то, что листья злаков имеет меньшую поверхность листовой пластинки. Листья расположены более вертикально и хуже смачиваются, чем большие горизонтальные листья двудольных, благодаря чему во время опрыскивания на них попадает меньшее количество гербицидов. Кроме того, точки роста злаков обычно плотно прикрыты листьями, тогда как у широколиственных они расположены на верхушках, то есть легко уязвимы.

Более высокая устойчивость злаков связана и с тем, что период полураспада действующих веществ у однодольных проходит гораздо быстрее, и они лучше связывают неактивные производные с аминокислотами и сахарами. У разных групп растений одни и те же преобразования могут катализировать ферменты различного строения. А для активации систем детоксикации гербицидов у культурных растений применяют антидоты.
 
Антидоты - это вещества или соединения, обладающие способностью увеличивать устойчивость культурных растений к гербицидам и применяются для увеличения их избирательности. Эффективность антидота зависит от спектра активности, мобильности, химического строения и механизма действия гербицида. Применение антидотов позволяет избежать передозировки гербицидами или защитить растения в том случае, если в естественных условиях существует высокий риск их поражения или угроза вредоносности гербицида в период формирования репродуктивных органов.
 
Как с экологической, так и с экономической точек зрения, важнейшую роль антидоты играют в случае их использования вместе с высокоэффективными гербицидами. Главное выбирать  имеющими низкие нормы внесения и хорошие токсикологические характеристики. Основными и важнейшими мишенями современных гербицидов являются: фотосинтез, биосинтез пигментов (хлорофиллов и каротиноидов), биосинтез липидов, биосинтез аминокислот, построение клеточной стенки, и тому подобное. Для выяснения, каким образом можно повысить эффективность применения гербицидов и уменьшить негативное влияние на культурные растения, прежде всего следует знать механизм действия препаратов на растительный организм.

Фотосинтез — это процесс, связанный с аккумулированием солнечной энергии, который, как и любое энергопреобразование, является потенциально опасным для самих растений. Поэтому последние имеют специальные системы защиты от непредвиденных нарушений фотосинтеза. У гербицидов, мишенью которых является фотосинтез, действие направлено на разрыв электронно-транспортной цепи, фотосенсибилизации (повышенная чувствительность к воздействию ультрафиолета) тканей или разрушение защитных механизмов.

Несмотря на различные молекулярные механизмы биологической активности, прерыватели транспорта электронов, акцепторы электронов, ингибиторы биосинтеза хлорофилла и каротиноидов обусловливают подобные повреждения клеток. Их фитотоксичность, в конечном итоге, основана на том, что энергия света направляется не привычным фотосинтетическим путем, а тем или иным способом передается на молекулы кислорода, причем образуется синглетный кислород О2, анионрадикалы О2, перекись водорода Н2О2 или гидроксильные радикалы НО.
 
Эти элементы вместе вызывают серию свободнорадикальных реакций, распад хлорофилла и каротиноидов, перекисное окисление ненасыщенных кислотных остатков мембран органелл и клеток. Обратите внимание, что при высокой интенсивности света некрозы тканей могут развиваться быстрее, чем разрушаются пигменты, поэтому растения остаются зелеными.

Лизис мембран (разрушение) сопровождается выделением этана и малонового диальдегида - конечных продуктов их окисления. Разрушенные мембраны сначала перестают быть барьером для проникновения ионов и воды, органеллы набухают, затем разрушаются и выливают свое содержимое в цитоплазму. Если мишенью является хлорофилл, то действие гербицида нацелено на нарушение ферментативного окисления протопорфириногена LX-оксидазы (протокса). Ингибирование протоксу вызывает нарушение ферментативного окисления протогена (липоевая кислота), что приводит к накоплению больших концентраций протопрофирина в тканях у растений, и вызывает мощное фотосенсибилизирующее действие.

Благодаря световой энергии кислород переходит в синглетное (возбужденное) состояние, что обуславливает перекисное окисление мембран. Липиды мембран расщепляются до короткоцепочечных углеводов, пигменты окисляются, листья теряют цвет, некроз тканей, наблюдается полная гибель растений. К распаду хлорофилла также приводят нарушения в биосинтезе каротиноидов.
 
Следует обратить внимание, что в новообразованных тканях хлорофилл не синтезируется, а в уже сложившихся на момент обработки тканях обесцвечивание хлорофилла происходит только при условии высокой интенсивности освещения. В дальнейшем фотоокисление приводит к разрушению ДНК хлоропластов, мембран митохондрий и гибели растения.
 
Угнетение процессов образования ацетилкофермента А-карбоксилазы и синтазы жирных кислот приводит к нарушению синтеза липидов, необходимых компонентов мембран и эпикутикулярных восков. Гербициды, мишенями которых являются липиды и липид-транспортные белки, быстро абсорбируются листьями и перемещаются к точкам роста, в которых почти сразу останавливается деление клеток. Как следствие - загнивает и гибнет внутренняя розетка молодых листьев, а через несколько недель погибают и старые листья.
 
Чувствительные к этой группе гербицидов растения часто приобретают антоциановую окраску, и как показывает практика, - они являются самой перспективной группой гербицидов против злаковых сорняков в посевах широколиственных культур. Селективность этих соединений обусловлена ​​различиями в строении ацетилкофермента А-карбоксилаз у однодольных и двудольных растений.

Ароматические аминокислоты (фенилаланин, тирозин и триптофан) синтезируются растениями при участии ферментов через шикимовую, а затем хоризмовую кислоты, которые перегруппировываются в префеновую кислоту - предшественника фенилаланина и тирозина. Образованные таким образом фенилаланин и тирозин используются в синтезе белков, но в значительно большем количестве расходуются растением на получение так называемых фенилпропановых соединений - 3-фенилпропеновой кислоты, многих пигментов (антоцианов) и лигнина (полимера, который придает прочность клеточным стенкам и участвует в формировании проводящей системы растений).

Глифосат - типичный представитель группы гербицидов, мишенями которых являются аминокислоты, действие его проявляется медленно. Максимальная эффективность действия достигается через две недели после обработки.
 
Биосинтез целлюлозы происходит путем наращивания остатков промежуточных продуктов глюкоза-сахароза на молекулу основы целюлозы-«затравки». При нарушении биосинтеза целлюлозы клеточная стенка у растений не образуется.
 
Как видим, современный ассортимент гербицидов позволяет обеспечить чистоту посевов всех сельскохозяйственных культур. Однако, не совсем удачно подобранный препарат или композиция может нанести больший вред, чем принести пользы.
 
Помните, что прибавка урожаяприа применении гербицидов - это не только функция биологической активности препарата (степени уничтожения сорняков), но и уровень его фитотоксичности для культуры. И как показывает практика, в погоне за удешевлением затрат на химические прополки чаще всего получаем недобор урожая или неудовлетворительное качество продукции, что так или иначе негативно влияет на прибыльность.

 

Справочно:

Синтез хлорофилла в растении начинается с взаимодействия аминокислот (глицина, глутаминовой кислоты) с производными цикла трикарбоновых кислот (ключевой этап дыхания всех клеток). С их участием под влиянием ферментов и других биохимических реакций образуется продукт протопорфирин (транспортер двухвалентных катионов), который при взаимодействии с магнием (Mg2 +) является основой хлорофилла. Несмотря на то, что каротиноиды как вспомогательные пигменты фотосинтетического аппарата вместе с хлорофиллом играют роль светособирающих пигментов в световых ловушках, они имеют гораздо важнее назначение - защита растений от фотодинамической повреждений. Фотодинамические повреждения вызывают активные формы кислорода (сингелентный кислород), а неудовлетворительную работу каротиноидов часто приходится наблюдать после гербицидной обработки озимых в условиях интенсивности освещения.

Многолетние исследования с целью изучения возможностей повышения экономической и технологической эффективности при применении гербицидов показали достоверные отклонения не только в прохождении фенофазы, но и уровня поступления элементов минерального питания к растениям. Нами установлено, что одновременное применение с гербицидами антидотов снижает токсическую нагрузку на культурные растения путем нормализации гормонального статуса и активации обменных процессов, что способствует получению значительно более высокого и качественного урожая. Среди имеющегося арсенала биологически активных препаратов самыми действенными антидотами являются соединения с содержанием комплекса аминокислот, низкомолекулярных карбоновых кислот, пектинов, меланоидинов, гумусовых соединений и биогенных элементов.

 

А. Чумак, УНПЦ «Институт питания растений»

Журнал «Пропозиція», №12, 2017 р.

Интервью
Как мы уже писали, органическая продукция в целом остается достаточно узкой нишей аграрного рынка. В значительной степени - из-за риска выращивания и сбыта. Однако есть ниши, где органическая продукция уверенно находит сбыт, по крайней... Подробнее
Директор Інституту обліку і фінансів НААН України, академік НААН Валерій Жук
После почти 20-летнего перерыва агрофирмам снова приходится платить налоги на общих основаниях. Конечно, сельхозпроизводители не привыкли к такому. Вот и стонут сейчас сельские бухгалтеры, так как и отчетность значительно усложнилась, и... Подробнее

1
0