Синтетичні засоби захисту як аналоги природних речовин біопрепаратів. Бактерії

 

Раніше піретрини широко застосовували для боротьби з комахами, проте нині їх практично повністю витіснили синтетичні піретроїди, які є значно активнішими та фотостабільнішими за природні піретрини. Синтетичні піретроїди з’явилися на світовому пестицидному ринку на початку 1970-х років. Проте піретрини знаходять застосування як екологічно безпечні засоби для боротьби з ектопаразитами (педикульоз, коростяний кліщ, фтиріаз тощо), а також у виробництві протимоскітних тліючих спіралей. По суті, суттєвої різниці в хімічних формулах і сайтах клітинної дії природних і синтетичних інсектицидів та інших засобів захисту немає.

 

Інші інсектициди — природні інгібітори синтезу хітину були знайдені в канадській бальзамічній ялині, з якої виготовляли папір. Їх було виділено та ідентифіковано як ювабіон і дигідроювабіон. Ці природні речовини, що синтезуються в деревах і слугують засобом для захисту від пошкоджень шкідниками, виявилися аналогами фарзелінової кислоти. Розшифровка їхнього складу дала змогу синтезувати низку аналогічних продуктів, що мають різну активність.

 

У 1960-ті роки виявлено гормон, що регулює линьку комах, екдизон, а потім його аналог, екдистерон, який міститься в деревині тиса і в звичайній папороті. Пізніше, з одного виду складноцвітих рослин, було виділено гормон, що має антиювенільну активність, і синтезовано велику кількість хімічних сполук, що володіють ювенільною активністю, які умовно ділять за хімічними ознаками на 13 груп. Кожна з цих груп характеризується певною специфічністю дії на різні види і систематичні групи комах. Діючими речовинами, що порушують гормональні процеси в організмі комах і забезпечують синтез хітину, є бупрофезин, дифлубензурон, люфенурон, новалурон, трифлумурон, циромазин.

 

Попередниками синтетичних неонікотиноїдів були природні нікотини, одержувані шляхом настоювання тютюну й махорки. Діюча речовина бенсултап інсектициду Банкол була отримана на базі нейротоксину, виділеного з морських кільчастих черв’яків. Авермектини (інсектициди природного походження) продукуються ґрунтовими мікорорганізмами — ґрунтовим грибом Streptomyces avermitilis. 

 

Перші природні стробілурини були виділені з гриба Strobilurus tenacellus. Стробіруліни — це по суті антибіотики, що продукуються різними мікроорганізмами. Вони належать до похідних бета-метоксиакрилової кислоти. Характеризуються високою фунгіцидною активністю, але використання їх у захисті рослин неможливе через низьку фотохімічну стабільність і високу летючість. 

 

Вивчення структури природних стробірулінів дало змогу створити новий клас синтетичних фунгіцидів, які є біологічно активними аналогами природних речовин, що володіють високою стійкістю і фунгіцидною активністю, а також новим механізмом дії, пов’язаним із порушенням електронного транспорту в комплексі III мітохондріальної мембрани, що призводить до пригнічення клітинного дихання. Комплекс III (убіхінон — цитохром с-оксидоредуктаза) — проміжна ланка в ланцюгу дихальних ферментів бактерій і мітохондрій еукаріотів. Він каталізує перенесення електронів від убіхінону до цитохрому С. Стробілурини високоактивні проти широкого спектра грибів, які належать до аско-, базидіо-, дейтеро- та ооміцетів. Азоксистробін — аналог природних метаболітів грибів Strobilurins, Oudemansins.

 

 

В Україні щороку вносять на поля близько 200–400 тис. т синтетичних засобів захисту. Синтетичні засоби захисту, які безпосередньо впливають на клітину патогена, вважаються швидким і простим методом боротьби зі шкідниками та бур’янами в сільському господарстві, але їхнє використання може призвести до серйозних наслідків для здоров’я людини та навколишнього середовища.

 

Дослідження з усього світу показали негативний вплив на здоров’я людей синтетичних засобів захисту, які зазвичай використовують у сільському господарстві. Виявлено кореляцію між професійним впливом пестицидів і розвитком різноманітних захворювань, починаючи від респіраторних захворювань і закінчуючи різними видами раку. Більш ніж очевидно, що аграрна спільнота потребує впровадження нової аграрної концепції щодо використання засобів захисту у вирощуванні культур, яка є більш безпечною для фермерів, людей та навколишнього середовища.

 

Хімічний захист рослин традиційно був заснований на застосуванні пестицидів, токсичних для патогенних організмів. Використання фунгіцидів пройшло у своїй історії три етапи. Фунгіциди першого та другого поколінь (неорганічні та органічні контактні препарати) неспецифічні, мають широкий спектр дії на різні гриби і не пошкоджують рослини лише тому, що активно поглинаються грибними клітинами, але не проникають у тканини рослини через кутикулу. Ці особливості створюють певні труднощі в тактиці хімічних обробок, бо необхідно, по-перше, дуже ретельно покривати поверхню рослин, що обробляються, і, по-друге, багаторазово повторювати обробки. Фунгіциди третього покоління — системні органічні препарати, специфічні для окремих груп грибів та не токсичні для рослин. Вони проникають у рослини, поширюються у тканинах і вбивають патогени, що знаходяться не лише на поверхні, а й усередині рослини. Тому їхнє застосування набагато зручніше, ніж застосування контактних фунгіцидів. Однак, їх сайт-специфічність (дія на окремі специфічні структури та ланки метаболізму) призводить до того, що модифікація чутливого сайту може спричинити часткову або повну втрату чутливості до препарату. Тому тривале застосування системних препаратів зазвичай призводить до втрати їхньої ефективності внаслідок накопичення резистентних штамів паразита.

 

 

Останнім часом розробляється четверте покоління засобів захисту. До складу цих препаратів входять речовини, дія яких спрямована не на знищення фітопатогенів, а на зниження їхньої патогенності та підвищення захисних властивостей рослин. Їх називають еліситорами або індукторами системної стійкості рослин, що представлені речовинами біотичної та абіотичної природи (ендогенні або екзогенні по відношенню до рослин), які розпізнаються рослинами як сигнали небезпеки та у відповідь на які культура запускає свої захисні механізми, здатні знизити наслідки біотичних та абіотичних стресів. Еліситори після їхнього розпізнавання рослинами запускають сигнальні системи, що призводять до експресії пов’язаних із захистом генів і, відповідно, підвищується стійкість рослин.

 

Еліситори відрізняються від традиційних синтетичних засобів захисту тим, що дія синтетичних пестицидів спрямована безпосередньо на патогени та комах, тоді як еліситори ж діють як сигнальні (тобто в дуже низьких концентраціях) речовини не на патогени, а безпосередньо на рослини, змушуючи їх повніше реалізовувати свій захисний генетичний потенціал шляхом індукції імунних відгуків. Внаслідок такого впливу рослина справляється з інфекцією та шкідниками за допомогою власних метаболітів. Крім індукції імунітету рослин, дія еліситорів поліфункціональна і також може бути прямо спрямована на знищення фітопатогенів.

 

В останнє десятиліття індукована стійкість рослин почала знаходити практичне застосування у захисті рослин. Ефективність препаратів, які індукують системну стійкість рослин, може перевершувати ефект стандартних пестицидів. При цьому збільшується ступінь захищеності рослин від стресу та патогенів за одночасного збільшення врожайності та якості продукції. Це відкриває реальні перспективи переходу від небезпечних препаратів до сучасних біологічних методів захисту рослин від хвороб і шкідників. Потенціал такого напряму тільки починає відкриватися. Для його розвитку потрібне поглиблення і розширення фундаментальних досліджень молекулярних механізмів імунітету рослин, а також розроблення нової методології практичного застосування таких препаратів і створення систем захисту, що ґрунтуються на застосуванні засобів захисту, які індукують системну стійкість рослин.

Результати досліджень молекулярних механізмів патогенності та стійкості при хворобах рослин показали, що деякі метаболіти біоконтролюючих мікроорганізмів, як і метаболіти фітопатогенів, розпізнаються рослиною та виступають неспецифічними еліситорами, що індукують у рослині системну набуту стійкість (SAR). Такими еліситорами є, наприклад, бактеріальні ліпополісахариди, флагеллін та білки холодового шоку, продукт часткової деградації грибного хітину — хітозан, деякі білки Trichoderma harzianum, T. viride, непатогенних штамів Fusarium sambucinum. 

 

 

 Польові досліди свідчать про те, що обробка рослин біогенними еліситорами є високоефективною і позбавлена недоліків, властивих фунгіцидам. Вона характеризується: вищою екологічною безпекою, оскільки заснована на активізації природних механізмів стійкості рослин; системністю та тривалістю захисної дії, низькими концентраціями; участю у прояві стійкості багатьох захисних систем, що знижує ймовірність накопичення резистентних форм паразитів; комплексним захисним ефектом проти різних фітопатогенних грибів, бактерій, нематод і, можливо, вірусів; відсутністю токсичної дії на організми, які не є мішенями; відсутністю у врожаї токсичних хімічних речовин; у деяких випадках стимулюванням ростових процесів у оброблених рослин; ідентифіуацією процесів ранової репарації. Можна практично кожному господарству купити невеликий ферментативний реактор для виробництва біологічних препаратів, які є індукторами системної стійкості рослин, розробити на їх основі ефективні системи захисту культур і вносити на своїх полях, що дозволить економити ресурси фермеру до 40 % і більше в умовах економічної обмеженості і частково відмовитися від синтетичних засобів захисту. 

 

 

Нині бактеріальні препарати проти хвороб рослин в основному виробляють на основі бактерій двох родів – Pseudomonas і Bacillus.

 

Бактерії роду Pseudomonas. Найвідоміші сапротрофні псевдомонади, що заселяють різосферу, є природними регуляторами фітопатогенних мікроорганізмів. До них належать Pseudomonas fluorescens Mig., P. putida (Trevisan) Mig., P. aureofaciens Kluyver та інші види. Ці бактерії добре засвоюють різні органічні субстрати, характеризуються швидким ростом, продукують антибіотики, бактеріоциди і сидерофори, а також стимулятори росту рослин. Завдяки цим властивостям псевдомонади проявляють антагоністичну дію на фітопатогени і стимулюють ріст рослин. 

 

Серед антибіотиків, що продукуються псевдомонадами, виявлено феназин-1-карбонову кислоту, похідні флороглюцину (піролнітрин та ін.).

Слід зазначити, що піролнітрин, виділений з P. руrrосіnіа, давно використовують у захисті рослин. Проте ця речовина виявилася нефотостабільною. Однак штучно синтезовані його фотостабільні аналоги – фенприклоніл і флудиоксоніл широко застосовують як фунгіциди.

 

Важливу роль в обмеженні чисельності фітопатогенних мікроорганізмів відіграють продуковані псевдомонадами сидерофори — сполуки, які транспортують залізо. Їхня важлива особливість – здатність утворювати стабільні комплекси з тривалентним залізом. Зв’язуючи іони тривалентного заліза в ґрунті, сидерофоры позбавляють багато видів фітопатогенних грибів необхідного елемента живлення, що призводить до припинення розвитку останніх. Найвідоміший сидерофор — псевдобактин (пиовердин), інгібує розвиток фітопатогенів: Rhizoctonia solani, Sclerotinia sclerotiorum, Phytophthora megasperme та інших грибів, а також деяких бактерій, наприклад, Erwinia carotovora. Псевдомонади продукують сидерофори лише в умовах дефіциту заліза. Ці дані свідчать про перспективність створення біопрепаратів на основі флуоресціюючих псевдомонад Pseudomonas fluorescens Mig. На сьогодні найвідоміші такі препарати: Планриз, Агат-25к, Псевдобактерин, Гаупсин та ін. 

 

 

Бактерію Pseudomonas fluorescens використовують для виробництва антибіотика мупіроцин, який застосовується при лікуванні захворювань інфекцій шкіри, вуха та очей. Вільна кислота мупіроцину та її солі та складні ефіри є агентами, які використовуються в кремах, мазях та спреях для лікування метицилін-резистентної інфекції Staphylococcus aureus. Крім того, Pseudomonas fluorescens виробляє антибіотик обафлуорин. 

 

На основі бактерій Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas aureofaciens виготовляють наступні бактеріальні біофунгіциди: Біозлак, Псевдобактерин-2, Бізар, Біонорма, Планориз ВЛ, Планриз, Агат-25к.

 

Біопротруйник Біозлак виготовляють на основі бактерій Pseudomonas auerofaciens. Цей штам бактерії здатний продукувати антибіотик флороглюцин, який і придушує розвиток багатьох збудників хвороб хлібних злаків. Обробка насіння злакових культур препаратом підвищує стійкість рослин до фітопатогенів. Найефективніший препарат проти збудників кореневих гнилей, септоріозу, гельмінтоспоріозів тощо. Застосовують препарат у день сівби або за один день до висівання насіння напівсухим способом з нормою витрати 1,0–1,5 л/т.

 

 

Препарат Псевдобактерин-2 виготовляють на основі бактерій Pseudomonas auerofaciens. Крім живих клітин бактерій, до активної основи препарату входять продукти їх життєдіяльності (сідерофори, ферменти гібереліноподібні РРР). Препарат призначений для захисту польових та овочевих культур від грибних і бактеріальних хвороб. Стимулює ріст і розвиток рослин, підвищує їх імунітет, активізує діяльність корисної ґрунтової мікрофлори. Препарат застосовують для передпосівної обробки насіння та обприскування рослин у будь-яку фазу розвитку культури. Норми витрати: передпосівна обробка насіння – зернові колосові культури, картопля – 1 л/т, овочеві культури – 0, 1 л/кг; обприскування рослин – зернові колосові, буряки цукрові – 0,5 л/га, картопля, овочеві культури, яблуня, груша – 1,0 л/га; виноградники – 2,0 л/га.

 

Біофунгіцид Бізар, що складається з бактерії Pseudomonas auerofaciens, рекомендовано для захисту зернових і плодових (яблуня) культур від комплексу хвороб способом обприскування з нормою витрати 4–6 л/га. Препарат підвищує імунітет до біотичних чинників. 

 

Бактерії роду Bacillus. З аеробних спороутворюючих бактерій найбільше значення як біологічний агент проти фітопатогенів має Bacillus subtilis (Ehrenberg) Cohn (синонім Bacillus amyloliquefaciens). В останні роки отримано дані про можливість використання в захисті рослин від хвороб також Bacillus mycoides F1 і Bacillus cereus Frankl. Ці дані становлять великий інтерес у зв’язку з перспективою використання бактеріальних агентів для одночасного знищення комах-шкідників рослин і фітопатогенів.

 

Бактерії В. subtilis — найпродуктивніші представники роду Bacillus за синтезом антибіотиків (більше 70). Деякі з цих антибіотиків пригнічують ріст фітопатогенних мікроорганізмів, і на основі окремих штамів цієї бактерії виробляють біопрепарати: Бактофіт, Фітоспорин, Фітоцид, Фітодоктор та ін.

 

 

Бактерія Serratia marcescens Bizio, відома раніше як збудник хвороб комах, має антагоністичні властивості стосовно окремих фітопатогенів. Крім того, установлено антигрибну активність бактерій-симбіонтів ентомопатогенних нематод. Деякі ізоляти бактерії Xenorhabdus nematophilis з нематодою Steinernema carpocapsae і Xenorabdus bovienu зі S. feltiae цілком інгібували ріст і розвиток таких фітопатогенів, як Botrytis cinerea, Pythium colorathum, P. ultimum та ін.

 

На основі бактерії Bacillus subtilis розроблені такі бактеріальні біофунгіциди: ФітоХелп, МікоХелп, Спектрал, Фітодоктор (Спорофіт), Фітоцид, Флорабацилін, Серенада АСО, Бактофіт, Інтеграл ПРО. Біонематоцид Кларіва 156 створено на основі бактерії Pasteuria nishizawae.

 

Препарат ФітоХелп на основі бактерій Bacillus subtilis та біологічно активних продуктів їх життєдіяльності (ферменти, вітаміни, фунгітоксини) активно захищає рослини від грибних та бактеріальних хвороб, проявляє антистресову дію до несприятливих погодних умов і негативного впливу пестицидів. Застосовують препарат способом передпосівної обробки насіння і обприскування рослин у період вегетації. Зернові і зернобобові культури: передпосівна обробка насіння – 0,5–1,5 л/т, обприскування рослин – 0,5–0,6 л/га; олійні культури: передпосівна обробка насіння — 3,0 л/т, обприскування рослин – 0,5–0,6 л/га; овочеві культури: передпосівна обробка насіння — 2,5 л/т, обприскування рослин – 0,25– 0,5 л/га; картопля: обробка бульб перед садінням – 1,0 л/т, обприскування рослин – 0,5–1,0 л/га. 

 

Біофунгіцид МікоХелп, що складається суміші бактерій Bacillus subtilis, Azotodacter, Enterobacter, Enterococcus та грибів Trichoderma lignorum, Tr. viride та біологічно-активних продуктів їх життєдіяльності, ефективний проти кореневих та стеблових гнилей овочевих та інших культур, збудниками яких є гриби Rhizoctonia, Pythium, Verticillium, Sclerotinia, Fusarium та ін. Застосовують способом обприскування рослин проти цих хвороб з нормою витрати 0,1–0,5 кг/га та для прискорення розкладання рослинних решток і оздоровлення ґрунту – обприскування ґрунту зі стернею чи іншими рослинними рештками — 0,1–0,5 кг/га.