1.2. Роль биотехнологии в защите растений

Биотехнологические подходы открывают новые перспективы в  создании и совершенствовании средств и методов защиты растений. Так, биотехнологические методы нашли применение в решении проблем повышения устойчивости растений к болезням и вредителям, в создании новых средств защиты растений.

На современном этапе рассматриваются три основные проблемы в защите растений, для решения которых используют методы биотехнологии.

♦ Во-первых, сюда относится получение сортов растений, устойчивых к вредным организмам, в т.ч. генетически модифицированных (ГМ).

♦ Во-вторых, создание экологически безопасных средств защиты растений, в том числе биопрепаратов на основе микроорганизмов и их метаболитов, ботанических пестицидов и массовых культур энтомо- и акарифагов.

♦ Наконец, это разработка различных диагностических средств идентификации объектов защиты растений на основе использования методов клеточной и молекулярной биологии.

Проиллюстрируем эти направления на нескольких примерах, более подробно они будут рассмотрены в соответствующих главах  данного учебного пособия.

Устойчивые к вредным организмам растения, в т.ч. люцерна -  к фузариозу, рис - к фомозу, кукуруза - к гельминтоспориозу, картофель к некоторым вирусам, фитофторозу, альтернариозу были получены с применением культуры соматических клеток. Метод культуры тканей используется достаточно широко для размножения растений, свободных от вирусной, бактериальной и грибной инфекций.

В получении устойчивых исходных форм растений методами биотехнологии важную роль играет селективный фактор. Это в первую очередь связано с изучением и накоплением фитопатогенов и их метаболитов. Влияние селективного агента прослеживается при создании искусственных инфекционных фонов (ИИФ). Идея заключается в том, что опытный участок, где выращиваются растения с целью отбора на устойчивость, искусственно инфицируют возбудителями болезни. Это дает возможность вести отбор устойчивых растений в очень жестких условиях при высокой и строго определенной инфекционной нагрузке. В нашей стране был создан препарат вертокс, получаемый при глубинном выращивании гриба Verticillium dahliae, который вызывает вилт хлопчатника. Этот биопрепарат широко применяется для селекции хлопчатника при создании ИИФ. Использование препарата вертокс значительно ускоряет процесс выведения устойчивых к вилту сортов хлопчатника.

Трансгенные растения. Для защиты растений перспективно создание трансгенных растений. В природе существует такое явление, как трансгеноз (перенос генов) у растений. Эффективными переносчиками генов в растения являются бактерии и вирусы. Как уже отмечалось, в природе бактериальная трансформация растительных клеток осуществляется плазмидой (кольцевой ДНК). Такие плазмиды, кодирующие определенные белки, можно сконструировать и ввести в растение. Это растение и называется трансгенным. В принципе трансгенным растениям можно придать много полезных признаков в плане улучшения пищевой ценности, технологических свойств, морозоустойчивости. Такие растения могут быть также продуцентами пластмасс или вакцин для лечения человека.

Подробности исследований и практических результатов по созданию трансгенных растений, устойчивых к вредным организмам, приведены в главе 7.

Особенно велика роль биотехнологии в создании биологических средств защиты растений (биопрепаратов и энтомо-, акарифагов). Отметим, что биопрепараты против вредителей, болезней и сорняков являются основными объектами биотехнологии в защите растений.

Наибольшее распространение в мире получили препараты на основе энтомопатогенной бактерии Bacillus thuringiensis (БТ), вызывающей в природе болезни и гибель вредных насекомых. В нашей стране это препараты на основе разных подвидов БТ (лепидоцид, битоксибациллин и др.), в США - практически на основе одного подвида курстаки  (препарат дипел и другие препаративные формы). Эта бактерия хорошо культивируется на питательных средах в биореакторах.

В фирме «Микоген» (США) специалисты внедрили ген БТ в почвообитающую бактерию Pseudomonas fluorescens. В результате псевдомонада начала в массе производить БТ-токсин. После гибели бактерии P. fluorescens ее оболочка превратилась в биокапсулу, начиненную БТ-токсином. При обработке растений этими биокапсулами эффект защитного действия продлевается на несколько недель вместо обычных нескольких дней.

Помимо биопрепаратов БТ для подавления вредных насекомых используют бакуловирусы. Это наиболее специфичные природные агенты подавления численности вредителей. Вирусы ядерного полиэдроза и гранулеза - облигатные паразиты, они могут размножаться только на  живых клетках насекомых. Их наработка осуществляется либо на живых насекомых, либо на культурах клеток насекомых.

В нашей стране создан ряд грибных энтомопатогенных препаратов - вертициллин, боверин и другие. Биотехнология их производства включает поверхностное, глубинное или глубинно-поверхностное культивирование. Против возбудителей болезней растений эффективно использование микробов-антагонистов (грибов, бактерий). В качестве антагонистов наиболее изучены грибы рода Trichoderma,  продуцирующие антибиотики и ферменты. Биопрепарат триходермин применяется чаще всего против корневых гнилей сельскохозяйственных культур и некоторых других болезней.

Бактерии рода Pseudomonas, а также Bacillus subtilis оказались активными в подавлении развития возбудителей корневых гнилей, увядания растений, других болезней. В нашей стране это препараты планриз, псевдобактерин, бактофит. Кроме антибиотиков и антагонистов, для подавления  фитопатогенов используют гиперпаразитов. На их основе известны, например, препараты ампеломицин и пентафаг. Грибы-фитопатогены представляют интерес  как основа препаратов для борьбы с сорняками. В настоящее время в США созданы микогербициды на основе некоторых видов ржавчинных грибов и фузариумов.

Перспективными продуцентами биопрепаратов считаются актиномицеты или их метаболиты. Одним из первых во ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии был разработан препарат актинин. Первый российский препарат на основе авермектинов из актиномицета Streptomyces avermitilis назван фитовермом.

Известный регулятор роста растений гиббереллин является биологически активным веществом микробного происхождения. Его продуцируют грибы, актиномицеты, бактерии. Задача биотехнологии - найти условия максимального выхода гиббереллинов из этих микроорганизмов. Регуляторы роста растений типа гибберсиба, симбионта, силка служат и для защиты растений от вредных организмов.

Одна из важнейших задач биотехнологии связана с азотфиксацией, которая делает ненужным внесение азотных удобрений.

Повысить эффективность симбиотической азотфиксации в системе «бобовые - клубеньковые бактерии» можно селекцией как бактерий, так и бобовых растений по нескольким направлениям: повышение колонизирующей способности бактерий, активности азотфиксации, увеличение числа клубеньков и их величины. На основе высоко эффективных штаммов клубеньковых бактерий во ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии разработан препарат ризоторфин. Препарат наиболее эффективен при внесении его под сою, люцерну и другие культуры. При использовании препарата увеличивается устойчивость растения к вредным организмам, а наряду с увеличением урожая улучшается качество за счет повышения содержания белка.

Эндомикоризные грибы. Микоризные грибы относятся к симбионтам высших растений. Различают экто- и эндомикоризу. Эктомикоризные грибы располагаются на поверхности корешков, оплетая их как бы чехлом. Эндомикоризные грибы являются облигатными симбионтами. Они развиваются внутри тканей и клеток корня и практически не растут на искусственных питательных средах. Эндомикоризные грибы - спутники практически всех сельскохозяйственных культур.

У микоризных растений резко усиливается поглощение из почвы фосфора, азота, кальция и других элементов. Проникая в корень, эндофиты образуют в нем хорошо развитый мицелий с гифами. На поверхности корня имеются наружные гифы. Именно за счет этих гифов значительно увеличивается поглощающая поверхность корневой системы, и растения получают питательные вещества далеко за пределами зоны действия корневых волосков. Одна из особенностей микоризных грибов - отсутствие специфичности относительно растений-хозяев. Один и тот же гриб может инфицировать пшеницу, картофель, томаты, сою, люцерну и др. Для облигатных симбионтов это удивительно, так как обычно они очень узко специализированы. Грибы могут образовывать мостики между корнями растений, через которые идет перекачка питательных веществ и обмен генетической информацией.

Помимо увеличения поглощающей способности корней эндомикориза может оказывать стимулирующий эффект посредством выделения гормонов. На этом основано действие препарата симбионта, который получают из эндофитных грибов, заселяющих корни женьшеня или облепихи. Эндомикориза способна также вытеснять болезнетворные для растения грибы. На этом основано действие созданного несколько лет назад биопрепарата микоризина, предназначенного для подавления корневой губки растений (деревьев).

Как известно, биологические методы защиты растений от вредителей помимо использования биопрепаратов включают выпуск полезных насекомых - хищников и паразитов. В открытом грунте наиболее известна трихограмма, в защищенном грунте это энкарзия против белокрылки, фитосейулюс против паутинного клеща, галлица афидимиза, златоглазка против тлей и т.д.

В задачу  курса биотехнологии входит  изучение процесса наработки этого биологического материала, используемого в биозащите. Разработка способов накопления энтомофагов  (как и фитофагов) относится к технической энтомологии как составной части традиционной биотехнологии в приложении к защите растений.

Наконец, примером разработок в рамках третьего направления в защите растений является создание иммуноферментного анализа на основе клеточных технологий для диагностики болезней растений (главным образом, вирусных), а также метода полимеразной цепной реакции, использующей способность любой ДНК к самоудвоению (амплификации).