Фотографии сделаны с помощью микроскопа в Центральной заводской лаборатории ДП «Энзим» Продолжаем наш цикл материалов об агрономически полезной микрофлоре, также называемой PGPB (plant growth promoting bacteria). В прошлый раз мы рассказали, почему применение микроорганизмов в сельском хозяйстве становится жизненно необходимым, а также продемонстрировали, какую можно получить выгоду благодаря прямым механизмам воздействия микрофлоры на растения. Сегодня мы расскажем о благотворном влиянии, оказываемом различными штаммами бактерий и грибов на сельхозкультуры посредством косвенных механизмов. Способность биоконтролирующих бактерий косвенно влиять на развитие растений представляет значительный интерес не только с научной, но и с практической точки зрения. Развитие понимания основ­ных механизмов, используемых биоконтролирующими бактериями, расширяет возможности их эффективного коммерческого использования в качестве аналогов химических пестицидов.

Антибиотики и литические ферменты

Полезные бактерии прежде всего ассоциируются со способностью предотвращать распространение возбудителей болезней растений, поскольку PGPB синтезируют целый ряд различных антибиотиков. Правда, существует одна проблема использования антибиотиков в качестве агентов биоконтроля: постепенно фитопатогены становятся устойчивыми к этим антибиотикам. Исследователи решили данную проблему за счет использования биоконтролирующих штаммов, синтезирующих цианистый водо­род, а также применения одного или нескольких антибиотиков одновременно. Некоторые биоконтролирующие бактерии вырабатывают ферменты: хитиназы, целлюлазы, глюканазы, протеазы и липазы. Они могут расщеплять часть клеточных стенок многих патогенных грибов. Соответственно, PGP-бактерии, синтезирующие один или несколько из этих ферментов, проявляют мощную биоконтролирующую активность против патогенных грибов. Фото 1 и 2. Штаммы Bacillus

Сидерофоры

Некоторые бактериальные штаммы могут применять в качестве агентов биоконтроля собственные сидерофоры. Этот эффект достигается благодаря снижению содержания доступного железа, что ограничивает способность патогенов к размножению. Биоконтролирующие PGP- бактерии производят сидерофоры, имеющие значительно более близкое родство с железом, чем выделяемые грибковыми патогенами, поэтому грибы не могут размножаться в ризосфере корней растения-хозяина из-за недостатка железа.

Биопестициды

Биологические пестициды разделяют на: биофунгициды, биоинсектициды, бионематоциды, биогербициды.

Биофунгициды

Чтобы избежать потерь урожая, вызванных патогенными грибами на семенах растений или в почве, зачастую используют фунгициды. Обработка семян микробными антагонистами почвенных патогенов - идеальная система их доставки, поскольку инокулюм вводится в ризосферу, где возбудители болезней растений активно действуют, вызывая гниение семян. Конкуренция между возбудителями болезней и PGPB может значительно снизить заболеваемость растений. Ведь питательная среда для большинства форм микрофлоры одна. И значительное содержание непатогенных микроорганизмов в почве приводит к быстрой колонизации ими поверхности растений. Это приводит к использованию большинства доступных питательных веществ, что автоматически тормозит развитие патогенных микроорганизмов. Штаммы Bacillus больше всего подходят для разработки стабильных и эффективных биологических препаратов. Их способность образовывать термоустойчивые споры позволяет им лучше выживать в условиях стресса по сравнению с видами, не способными к спорообразованию.

Также для обработки семян часто используют грибы Trichoderma. Они способны контролировать патогенные грибы аскомицеты, базидиомицеты и оомицеты, проявляют активность против нематод.

Trichoderma также улучшает рост растений путем многочисленных дополнительных механизмов, в том числе за счет повышения системной устойчивости культур и усиления корневой пролиферации. Однако нужно понимать, что эффективность биопрепаратов во многом зависит от свойств биологического агента и способа их применения - инокуляции семян или внесения в почву. Имеет значение даже сам метод инокуляции: это - инкрустация или пленочное покрытие. Один и тот же микробный агент может эффективно защищать семена от патогенов, но при этом тормозить развитие самих растений. В каждом конкретном случае необходим индивидуальный подход. Поэтому помощь специалистов никогда не будет лишней. Популярность биофунгицидов стремительно растет. Первый препарат был зарегистрирован в ЕС в 1997 г. А сегодня биофунгициды используются на площади свыше 2 млн га.

Биоинсектициды

Многие почвенные насекомые-вредители привлекаются соединениями, выделяющими в почву прорастающие семена. Несмотря на это, микробная инокуляция семян для защиты культур от насекомых проводится нечасто, хотя среди всех способов введения микробных агентов в корневую зону обработка семян является наиболее эффективной, поскольку именно там вероятность контакта корней с вредителями очень высока. Открытие энтомопатогенной активности у гриба Metarhizium anisopliae, являющегося эффективным колонизатором ризосферы растений, указывает на целесообразность его применения при обработке семян. Этот гриб используется для защиты семян кукурузы от проволочника Agriotes obscures и пастбищных (газонных) трав от жука Adoryphorus couloni. Причем внесение спор этого гриба для защиты растений в почву менее эффективно, чем инокуляция семян. Правильность концепции внесениябиоинсектицидовпутем обработки семян была продемонстрирована на моркови, пшенице и райграсе. Уровень защиты, обеспеченный микробным препаратом, часто аналогичен достигаемому при применении химпрепаратов для протравливания семян.

Бионематоциды

Нематоды - это микроскопические черви, развивающиеся во влажной среде, паразитирующие на растении, вызывающие сильные изменения в развитии и приводящие к гибели растений. Нематоцидная бактерия Bacillus firmus является наиболее эффективным микроорганизмом для борьбы с этим вредителем и основным биологическим агентом многих коммерческих препаратов. Основное преимущество этим микроорганизмам обеспечивает их способность формировать споры. Некоторые компании используют эту бактерию совместно с химическим инсектицидом, что значительно повышает эффективность борьбы с вредителем и при этом существенно снижает количество применяемого химического агента. Этот продукт используется для борьбы с насекомыми-вредителями и растительными нематодами ряда сельхозкультур: кукурузы, хлопка, сорго, сои и сахарной свеклы.

Спорообразующие бактерии Pasteuria spp. также хорошо известны как эндопаразиты нематод растений. Однако их применение возможно лишь в форме гранулированных препаратов, что снижает эффективность их доставки к корневой системе растения.

Фото 3. Гриб

Биогербициды

В ряде опытов было показано, что злаковый сорняк костер кровельный (Bromus tectorum) вызывает значительное снижение урожайности пшеницы.Некоторые штаммы ризосферных микроорганизмов - Pseudomonas putida, Stentotrophomonas maltophilia, Enterobacter taylori - способны подавлять развитие этого сорняка, влияя на развитие его корневой системы и всхожесть семян. После нанесения на семена пшеницы эти бактериальные штаммы успешно колонизировали ризосферу сорняка и снижали его способность к поглощению питательных веществ.

Индуцирование системной устойчивости

PGP-бактерии могут вызвать в растениях явление, известное как индуцированная системная устойчивость (ИСУ). ИСУ-положительные растения быстрее и активнее реагируют на влияние патогена благодаря быстрой индукции защитных механизмов. ИСУ не ориентирована на конкретные патогены и эффективна при воздействии стрессовых факторов различной природы. Индуцирование системной устойчивости растений не предполагает прямого контакта между PGPB и патогеном, воздействие идет непосредственно на само растение. В качестве сигналов для индукции системной устойчивости выступают так называемые нетрадиционные гормональные вещества: жасмонаты, ингибиторы этилена, липополисахариды и глюканы, аминокислоты и полипептиды, хитин и его производные, циклические карбоновые кислоты, салициловая кислота и др.

Модулирование эффекта стрессовых факторов окружающей среды

В идеальных условиях большая часть роста и развития растений протекает более-менее равномерно. Но развитие растений может быть заторможено воздействием различных биотических и абиотических стрессовых факторов. Это могут быть перепады температур, интенсивность освещения, засуха, засоление, наличие токсичных металлов и органических загрязнителей, радиация, физические повреждения, хищные насекомые и нематоды, вирусы, бактерии и грибы. Кроме того, во время вегетации растение может быть подвержено ряду нелетальных стрессов, ограничивающих, в свою очередь, его развитие либо до ликвидации стрессового фактора, либо до адаптации метаболизма для преодоления стресса. Таким образом, на практике развитие растений, как правило, состоит из периодов максимального развития с периодами ингибирования роста различного уровня. PGP-бактерии применяют одновременно несколько механизмов для преодоления ингибирования развития растений.

Засуха является ключевым стрессовым фактором, ограничивающим производство сельхозкультур и, по прогнозам относительно изменения климата, станет еще более серьезной проблемой. Поэтому возрождается интерес к микроорганизмам, способным улучшать устойчивость растений к стрессу с помощью широкого спектра механизмов, включающих изменение уровней фитогормонов или производство бактериальных экзополисахаридов. Например, штамм Pseudomonas putida, колонизируя ризоплану подсолнечника, адгезирует частицы почвы к корням, увеличивая при этом процент стабильных агрегатов почвы, поддерживая тем самым более высокий водный потенциал вокруг корней. Адгезия почвы и образование агрегатов происходит за счет выделения этим микроорганизмом полисахарида, способного удерживать влагу.

Солевой стресс является еще одним ключевым абиотическим фактором, ограничивающим производство сельхозкультур. Обработка семян соле- или засухоустойчивыми изолятами гриба Trichoderma снижает воздействие стресса на растения пшеницы за счет выделения антиоксидантных веществ и деактивации активных форм кислорода.

Фото 4. Гриб Metarhizium anisopliae

Изменение гормонального баланса растений

Большинство из вышеупо­мянутых стрессов приводит к образованию подавляющих развитие растений уровней этилена. Снизить чрезмерный уровень этиле­на можно за счет использования PGPB, синтезирующих фермент АЦК-дезаминазу. Проведенные в разных странах мира исследования показывают, что немало различных PGPB с АЦК-дезаминазной активностью могут обеспечить существенную защиту растений от целого ряда абиотических стрессов. В современной научной литературе было высказано предположение, что некоторые PGP-бактерии могут помочь растениям преодолеть абиотические стрессы за счет обеспечения их ауксином в концентрации, стимулирующей рост растений, даже при наличии блокаторов синтеза этого гормона. Наиболее эффективно защищают растения от широкого спектра различных стрессов бактерии, способные одновременно синтезировать как ауксины, так и АЦК-дезаминазы. Целый ряд почвенных бактерий и грибов способен синтезировать цитокинины. Во многих исследованиях было показано, что трансгенные растения-гиперпродуценты цитокининов существенно защищены от вредного воздействия абиотических стрессовых факторов. Однако на данный момент нет никаких результатов, подтверждающих способность бактериальных цитокининов влиять на устойчивость растений к стрессам.

Синтез трегалозы и антифризовых белко

Трегалоза - широко распространенный в природе невозобновляемый дисахарид. Она встречается в бактериях, дрожжах, грибах, растениях, насекомых и бес­позвоночных животных.

Высокий уровень трегалозы может выступать в качестве защиты от нескольких различных абиотических стрессов. Трегалоза - высокостабильная молекула, устойчивая к кислотам и высоким температурам и способная связывать воду в клетках, образуя гелевую фазу и, как результат, снижать ущерб от засухи и засоления. Кроме того, трегалоза может предотвращать частичную деградацию и агрегацию белков, происходящую при высоких и низких температурах. Одним из способов повышения толерантности растений является обработка растений PGP-бактериями, синтезирующими большое количество трегалозы. Обработка бобовых растений симбиотическими бактериями Rhizobium etli, которые с помощью генной инженерии приобрели способность активно синтезировать трегалозу, приводила к большему формированию клубеньков и увеличению азотфиксирующей активности. Она также повышала устойчивость растений к засухе в сравнении с растениями, инфицированными исходным штаммом. При обработке кукурузы штаммом-суперпродуцентом трегалозы Azospirillum brasilense обработанные растения были более устойчивыми к засухе и формировали большую биомассу, чем растения, обработанные исходным штаммом. Почти 20 лет назад впервые появилось несколько сообщений о том, что некоторые психрофильные и психротропные бактерии, в том числе PGPB, секретируют в окружающую среду антифризовые белки, что позволяет им расти при низких температурах. Бактериальные антифризовые белки также регулируют образование льда за пределами бактерии, защищая таким образом стенки и мембраны растительных клеток от потенциально летальных повреждений (прокалывания) крупными кристаллами льда, которые могут возникнуть при отрицательных температурах.

Итого

Природа не перестает удивлять нас своим совершенством. Человек лишь относительно недавно изобрел средства защиты растений и удобрения, которыми природа, как оказалось, владела с незапамятных времен. Нам необходимо только «приручить» полезные бактерии и грибы, которые смогут решить за нас если не все, то очень многие задачи в сельском хозяйстве. Не навредив при этом ни почве, ни растению.