Биотехнология в агрономии
Введение
фитопатоген биопрепарат грив картофель
Растения, являющиеся основой сельскохозяйственных и лесных экосистем, подвергаются постоянным атакам насекомых-фитофагов и фитопатогенных микроорганизмов. Для защиты растений используются различные средства и методы, из которых наиболее распространены химические пестициды. Несмотря на высокую эффективность в подавлении численности вредных организмов, химические пестициды одновременно влияют на полезные нецелевые объекты, вызывают развитие резистентности у фитофагов и фитопатогенов, что приводит к нежелательному увеличению норм расхода пестицидов. Постепенное накопление синтетических химических средств защиты растений в почве, водоемах, растительной продукции отрицательно влияет на здоровье человека и животных. Экологически безопасной альтернативой химическим пестицидам служат биологические препараты, созданные на основе природных микробных агентов регуляции численности фитофагов и фитопатогенов. Начало развитию биотехнологии микробных средств защиты растений было положено еще в ХIX в. в работах известного российского ученого И.И. Мечникова, первого в мире создавшего биологический препарат на основе выделенного им из природы энтомопатогенного гриба Metarhizium anisopliae (Metsch.) Sor.
Позже начались работы по биотехнологии микробных средств защиты растений от болезней на основе природных штаммов бактерий и грибов-антагонистов фитопатогенов. Первым грибным препаратом, разработанным на основе Trichoderma viride (lignorum), стал «Триходермин», а бактериальным - «Планриз» (первоначальное название «Ризоплан»)
1. Биопрепараты для подавления фитопатогенов
Важная роль в подавлении развития болезней растений принадлежит грибам-антагонистам. Грибы обладают широким спектром антагонистических свойств - гиперпаразитизмом, конкуренцией за питательный субстрат, про дуцируют антибиотики и другие вещества, угнетающие жизне деятельность фитопатогенов. Большинство грибов, используемых в биотехнологии средств защиты растений от болезней, относится к несовершенным грибам.
Первый отечественный биопрепарат против болезней растений создан в 60-е гг. ХХ в. в ВИЗРе на основе гриба Trichoderma viride (lignorum). Грибы
этого рода могут подавлять развитие фитопатогенов путем прямого паразитирования, но превалирует антагонизм за счет продуцирования ряда антибиотиков (виридин, глиотоксин и др.). Позднее, включая современный период, была разработана серия препаратов на основе Trichoderma harzianum.
Конкуренцию грибным препаратам, контролирующим численность воз-будителей болезней растений, составляют бактериальные. В основе исполь-зования бактериальных препаратов против болезней растений также лежит механизм антибиоза, регулирующий взаимоотношение микроорганизмов в природе. Источником получения штаммов бактерий-антагонистов служат, как правило, супрессивные почвы. В настоящее время бактериальные пре-параты против болезней растений более распространены, чем грибные. Их основой являются бактерии двух родов - Pseudomonas и Bacillus.
Сапрофитные псевдомонады, заселяющие ризосферу, являются есте-ственными регуляторами фитопатогенных микроорганизмов: Pseudomonas fluorescens, P. putida, P. aureofaciens и другие виды. Данные неспорообразующие бактерии характеризуются быстрым ростом, продуцируют анти-биотики, бактериоцины и сидерофоры, а также ростовые стимуляторы. Эти свойства обусловливают защитный эффект псевдомонад от фитопатогенов, а также стимулируют рост растений. Среди антибиотиков, продуцируемых псевдомонадами, обнаружены феназин-1-карбоновая кислота, производные флороглюцина, пирролнитрин и др. Синтезируемые псевдомонадами сиде-рофоры образуют стабильные комплексы с трехвалентным железом: связы-вая ионы трехвалентного железа в почве, сидерофоры лишают многие виды фитопатогенных грибов необходимого элемента питания, что приводит к остановке их развития. Из аэробных спорообразующих бактерий наибольшее значение как осно-ва биопрепаратов против болезней растений имеет Bacillus subtilis. Бактерии B. subtilis являются наиболее продуктивными из рода Bacillus по синтезу ан-тибиотиков, которые подавляют рост фитопатогенных микроорганизмов.
В почве грибы рода Trichoderma развиваются на мицелии фитопатогенов, на различных остатках растений, богатых целлюлозой. Trichoderma образует сильно развитую грибницу сначала белого, а затем зеленого цвета. Гриб размножается при помощи спор (конидий), которые образуются на кондиеносцах. Кондиеносцы по строению разветвленные, споры имеют шаровидную форму, собраны в головки в количестве по 10-20 штук. Головки расположены на конце кондиеносца. Кроме конидий, гриб способен образовывать покоящиеся споры, или хламидоспоры. Они бесцветные, окрашены в зеленый цвет. Диаметр хламидоспор в 3 или 4 раза больше, нежели у обычных спор. На искусственных питательных средах грибок образует колонии практически округлой формы и зеленого цвета.
. Действие грибов-антагонистов на вредные организмы
В целом осадков в области выпадает мало, особенно в её равнинной части (менее 250 мм в год). Ничтожное количество осадков (100 - 130 мм в год) отмечается на северо-востоке области. В северных и центральных районах летом дожди бывают очень редко. В предгорных районах количество осадков увеличивается до 300 - 500 мм. По сезонам года осадки распределяются крайне неравномерно - большая часть их приходится на зимне-весенний период.
В 2013 г. сельскохозяйственными товаропроизводителями области было произведено 4,6% общереспубликанского объема валовой сельскохозяйственной продукции, в том числе - 1% зерна; 4,4% картофеля; 10,8% кукурузы; 16,2% овощей; 17% бахчевых культур;
Механизм действия
В настоящее время известно, по крайней мере, два механизма биологического контроля у грибов рода Trichoderma. Это индуцированная системная резистентность (SAR) и ризосферная компетентность, которые обеспечивают долговременную защиту культуры на значительном удалении от зоны распространения инфекции.
Увеличение урожайности растений отмечается вследствие колонизации микроорганизмами корней растений. Было отмечено, что после обработки семян конидиями Trichoderma или внесения их непосредственно в почву интродуцированные конидии успешно колонизировали поверхность корней, повышая их всасывающую поверхность и создавая биологический барьер для фитопатогенов. Наблюдаемый эффект чаще всего не зависел от типа почвы или географической локализации испытуемой культуры. Количество жизнеспособных пропагул интродуцированного гриба Trichoderma и статус доминирующего вида сохранялся в течение всего сезона, а иногда и несколько лет. Важно отметить, что некоторые штаммы Trichoderma способны колонизировать корни растений в различных типах почв с различным рН и содержанием гумуса. Полная колонизация корней происходила, когда пропагулы Trichoderma вносили при обработке семян, в гранулированном виде на поверхность вспаханной почвы или при рыхлении и вспашке. Хороший эффект также наблюдался при добавлении гранул препарата в почвенные смеси для теплиц или в виде суспензий конидий в посадочную почву в теплице. Во всех случаях грибы проявляли хемотаксис и росли в сторону новой формирующейся корневой поверхности растения.
Вследствие колонизации ризосферы грибами рода Trichoderma происходило подавление болезней растений, ускорение роста, повышение урожайности, увеличение устойчивости к заболеваниям. Возможно, что интродуцируемые штаммы Trichoderma воздействуют на метаболизм растений. Таким образом, можно сказать, что микроорганизмы способствуют увеличению размера корневой системы, роста и жизнестойкости растений путем контроля ризосферной микрофлоры и влияния на обмен растения.
. Применение грибных препаратов
Биопрепараты на основе Trichoderma способны подавлять не только возбудителя корневой, семенной и почвенной инфекции, но и развитие болезней плодов и листьев при нанесении препарата на их поверхность. Препарат может быть эффективен против мучнистой росы (Botrytis сinerea) в теплице, милдью, возбудителей болезней газонных трав, таких, как бурая пятнистость (Rhizoctonia solani), Pythium spp. и талерные бляшки (Sclerotinia homoeocarpa). Для борьбы с такими фитопатогенами конидии Trichoderma следует вносить каждые десять дней. При высокой заболеваемости Trichoderma может колонизировать новые здоровые листья, плоды и цветы, зрелые ягоды, прорастать на цветах, но не на листьях клубники. Получены интересные результаты о перенесении пропагул Trichoderma пчелами, т.к. конидии Trichoderma меньше по размеру, чем пыльца, поэтому они прилипают к тельцу пчелы, как пыльцевые зерна.
Баковые смеси
Грибные препараты можно использовать в смесях с различными фунгицидами, согласно рекомендациям по каждому препарату.
Фитотоксичность
Не фитотокичны.
Токсикологические свойства и характеристики
В почве
Грибы рода Trichoderma улучшают структуру и плодородие почвы.
Классы опасности
Препараты на основе Trichoderma harzianum относятся к 4 классу опасности для человека и 3 классу опасности для пчел.
Получение
Препараты на основе Trichoderma получают глубинным, поверхностным и глубинно-поверхностным методами на агаризованных, жидких и сыпучих питательных средах. Наиболее распространенным является поверхностный способ. Процесс производства состоит из следующих этапов:
приготовление питательной среды и посевного материала;
выращивание гриба на питательной среде или ферментация на сыпучих средах;
сушка, фасовка, упаковка.
Для массовой наработки биопрепарата поверхностным способом в различных странах применяют отруби, зерно, солому пшеницы, торф, свекловичный жом, шелуху подсолнечника. При подборе оптимальной среды для производства в эти субстраты вводят дополнительные компоненты.
При выращивании гриба на жидких питательных средах на поверхности получают спорово-мицелиальную пленку, которую высушивают и перемалывают в порошок. В такой форме препарата питательная среда отсутствует, ее цвет - зеленый с оттенками.
Споровый препарат на основе Trichoderma harzianum получают глубинным способом. Технология глубинного культивирования включает следующие операции:
выращивание посевного материала в колбах на качалке 24 часа при 200 об/мин;
размножение посевного материала в посевном ферментере;
выращивание в ферментере с мешалкой мицелиальной культуры при 28°С и аэрации в течение 14 часов.
В производстве препаратов важным завершающим этапом является приготовление препаративной формы (формуляция действующего начала). Препаративная форма тесно связана с технологией применения биопрепаратов и со сроком их хранения. От того, насколько она будет способствовать про-явлению потенциала штамма-продуцента, зависит и эффективность ми-кробного препарата. Современные разработчики биопрепаратов учитывают необходимость оптимизации препаративной формы, что недооценивалось на первых этапах развития биотехнологии. Кроме того, неотъемлемая часть технологического процесса получения биопрепаратов - их стандартизация и оценка качества. Без этого невозможно их рациональное использование в биологической защите растений.
. Влияние биопрепаратов на динамику численности бактерий и фитопатогенных грибов в агроэкосистеме картофеля
Применение биопрепаратов Фитоцид и Планриз при выращивании картофеля способствовало увеличению общего количества бактерий в почве в сравнении с контролем на 13,0-36, 1% у сорта Скарбница и на 4,5-24,6% - у сорта Обериг, а также к уменьшению в почве количества фитопатогенных грибов родов Fusarium и Alternaria в 1,2 -1,8 раза. При использовании фунгицида Ровраль Аквофло экологический индекс видового многообразия Шеннона был меньше в сравнении с применением биопрепаратов, при этом наблюдалось уменьшение видового состава микроорганизмов и доминирование тёмноокрашенных микромицетов - Alternaria sp., Cladosporium sp., Phoma sp., Doratomyces sp., а также пигментообразующих бактерий.
В последние годы использование экологических методов защиты растений получило широкое научно-инновационное развитие и является альтернативой химическим методам, которые негативно влияют на биологическую составляющую агрофитоценозов.
Картофель является одной из главных и основных возделываемых технических культур в мире. В последние годы на картофеле наблюдается массовое распространение и возрастающая вредоносность тяжелых форм вирусных заболеваний, бактериозов и микозов. Появление новых сортов картофеля и расширение ассортимента фунгицидов свидетельствует о необходимости постоянного совершенствования технологий семеноводства, применения принципиально новых систем защиты семенного картофеля от фитопатогенов.
В отличие от химических средств защиты, микроорганизмы, которые являются основой биологических препаратов, принимают участие в трансформации труднорастворимых соединений (например, фосфорных), способствуют формированию в ризосфере растений доступных питательных веществ, продуцируют физиологически активные вещества (гормоны, витамины, аминокислоты и др.), способствуют индукции системной резистентности растений. Кроме того, в состав их метаболитов входят вещества антибиотического и фунгицидного действия, которые подавляют развитие фитопатогенов. Активные штаммы микроорганизмов - составляющих биопрепаратов не вызывают у человека отдалённые генетические последствия подобно химическим средствам защиты.
Целью исследований было изучение влияния биопрепаратов на динамику бактерий и фитопатогенных грибов в почвенном микробиоценозе при выращивании картофеля.
Объектом исследования было биоразнообразие почвенных микроорганизмов при выращивании картофеля, обработанного разными способами. Образцы почв под картофелем в период бутонизации отбирали общепринятыми методами.
Для изучения количественного и качественного состава бактериальной и грибной микрофлоры почвы проводили посевы на элективные питательные среды Звягинцева и Чапека.
В результате изучения структуры почвенного микробиоценоза при выращивании картофеля установлено, что во всех вариантах опыта перед посадкой этой культуры общее количество микроорганизмов колебалось в пределах 153,4-259,2 тыс./г почвы. Среди фитопатогенных микромицетов наиболее распространёнными оказались представители родов Fusarium - 0,4-1,6 тыс./г почвы (возбудители фузариозной гнили, которая вызывает значительные потери картофеля при хранении) и Alternaria - 2,4-3,7 тыс./г почвы (возбудители альтернариоза или сухой пятнистости картофеля), а из сапрофитов обнаружены Penicillium spp, Rhizopus spp, Trichoderma spp. Численность бактерий превышала количество грибов и актиномицетов в 100-1000 раз. Общей характерной особенностью всех вариантов было доминирующее преобладание неспорообразующих бактерий (71%).
Полученные результаты согласуются с данными других исследователей, что количество микроорганизмов в первой половине вегетации картофеля может увеличиваться за счёт повышения температуры почвы, интенсивности процессов минерализации и, вместе с тем, наиболее всего, за счет корневых экссудатов.
Установлено, что применение биопрепаратов способствовало увеличению общего количества сапрофитных бактерий в почве по сравнению с контролем на 13,0-36,1% при выращивании картофеля сорта Скарбница и на 4,5-24,6% - сорта Обериг (табл. 1, 2). В результате обработки картофеля биопрепаратами по сравнению с контролем изменялся также качественный состав микрофлоры почвы с доминированием бактерий родов Pseudomonas, Bacillus, Micrococcus. Среди сапрофитных грибов наиболее многочисленными были грибы родов Penicillium и Trichoderma.
Влияние биопрепаратов на подавление развития фитопатогенов может быть обусловлено активизацией сапрофитной грунтовой микрофлоры и её антагонистическим действием на фитопатогенные грибы - возбудители гнилей.
Таким образом, применение биопрепаратов Фитоцида и Планриза привело к увеличению общего количества бактерий в почве по сравнению с контролем на 13,0-36,1% при выращивании картофеля сорта Скарбница и на 4,5-24,6% - картофеля сорта Обериг. Кроме того, в 1,2-1,8 раза уменьшилось количество фитопатогенных грибов родов Fusarium и Alternaria, что возможно связано с увеличением численности сапрофитных микроорганизмов, которые способны эффективно конкурировать с фитопатогенами. Уменьшение количественного и качественного состава почвенной микрофлоры привело к изменению структуры микробиоценозов почвы и появлению новых доминирующих морфотипов.
Количественный и родовой состав почвенных бактерий и грибов был наиболее высоким в почве при обработке картофеля биопрепаратами - индекса Шеннона были соответственно 1,89-2,22 и 1,82-1,89 по сравнению с контролем 1,87-2,10 и 1,52-1,67. При использовании химического препарата Ровраль Аквафло наблюдалось снижение видового многообразия микроорганизмов, доминирование тёмноокрашенных микомицетов - Alternaria sp., Cladosporium sp., Phoma sp., Doratomyces sp. и пигментообразующих бактерий. По сравнению с другими вариантами опыта индекс видового многообразия Шеннона при использовании Ровраль Аквафло был соответственно 1,46-1,88 по сравнению с 2,04-2,24, а индекс выравненности Пиелу - 0,63-0,79 по сравнению с 0,83-0,91.
Предпосадочная обработка семенных клубней и последующая обработка растений в период вегетации биопрепаратами способствовала снижению плотности популяций возбудителей болезней в почве и повышению резистентности клубней нового урожая к возбудителям болезней.
Таким образом, для улучшения качества картофеля эффективными методами по уменьшению поражения клубней возбудителями болезней является применение биологических препаратов Фитоцид и Планриз для обработки клубней перед посадкой, в период вегетации и перед закладкой на хранение.
Заключение
В нашей стране и за рубежом известен ряд биопрепаратов грибного происхождения, используемых против возбудителей болезней растений. Такие биопрепараты производятся, как правило, специализированными фирмами или региональными биолабораториями, в основном - по заявкам производителей сельскохозяйственной продукции.
Приоритетное положение в защите растений от фитопатогенов занимают грибы рода Trichoderma - Trichoderma harzianum, Trichoderma viridae и др. Все биопрепараты на их основе называются триходерминами. Препаративные формы различаются, в зависимости от исходного штамма, состава питательной среды, способа культивирования, титра готового препарата. Первый отечественный грибной препарат против болезней растений разработан в ВИЗР на основе Trichoderma viridae (lignorum).
штамм 18 ВИЗР;
штамм ВКМ F-4099D.
Хотя главным преимуществом биопрепаратов является высокая степень экологической безопасности, их эффективность не всегда соизмерима с эффективностью химических пестицидов в связи с большей зависимостью от температуры, влажности, инсоляции. Для устранения этого необходимо дальнейшее изучение механизмов взаимодействия биоагентов с мишенью с окружающей средой для усиления активности действующего начала.
Список литературы
1.Патогены насекомых: структурные и функциональные аспекты / под ред. В.В. Глупо-ва. М.: Круглый год, 2001.
2.Воронина Э.Г. Энтомофторовые грибы и препараты эпизоотического и токсического действия // Защита и карантин растений. 1997. №5. С. 12-13.
.Лобанова Н.В., Ракшаина М.Ц., Штерншис М.В. Производство и применение пириформина в защите овощей закрытого грунта от вредителей. Новосибирск: СО ВАСХНИЛ, 1989.
.Павлюшин В.А., Евлахова А.А., Тарасов Л.Г., Новикова И.И. Технологический регламент получения боверина. СПб.: ВИЗР, 1994.
.Павлюшин В.А., Митина Г.В., Конюхов В.П., Новикова И.И. Лабораторный регламент на производство вертициллина. М.: ВИЗР; СПб., 1993.
.Гулий В.В., Штерншис М.В., Колтунов Е.В. Основные итоги и перспективы разработки вирусологического метода борьбы с вредителями // Сибирский вестник сельскохозйяственной науки. 1976. №5.
7.Биопрепараты в сельском хозяйстве. (Методология и практика применения микроорганизмов в растениеводстве и кормопроизводстве) /[И.А. Тихонович, А.П. Кожемяков, В.К. Чеботарь и др.]. М.: Россельхозакадемия, 2005. - 154 с.
8.Герхард Ф. Методы общей бактериологии. - М.: Мир, 1983. - т. 1. - 563 с.