Защита растений от вредителей и болезней – важная задача сельского хозяйства, от которой напрямую зависит продовольственная безопасность. На протяжении десятилетий фермеры по всему миру использовали химические пестициды для борьбы с патогенными организмами. Однако сегодня всё больше внимания привлекают биопестициды – средства защиты растений, основанные на природных механизмах. Исследования, которые сотрудники Института цитологии и генетики СО РАН ведут в этой области стали темой очередного материала в цикле, посвященном 10-летию образования ФИЦ ИЦиГ СО РАН.
Интерес к биопестицидам растет во всем мире по очевидным причинам. Их химические аналоги, наряду с объектом- мишенью, могут уничтожать нецелевые организмы, нарушать экологический баланс, загрязнять окружающую среду и накапливаться в ней, угрожая здоровью человека. В то же время часть их мишеней сумела к ним адаптироваться, снизив эффективность этого инструмента защиты растений.
Биопестициды же создаются на основе живых организмов или их продуктов. Они действуют избирательно: поражают только определённые виды вредителей, не нанося вреда полезным насекомым, животным, человеку и окружающей среде. При этом быстрее разлагаются в природе и не накапливаются в почве, воде или растениях.
Формированию тренда на популярность биопестицидов поспособствовали также развитие биотехнологий, а также изменения в общественном сознании: потребители всё больше выбирают экологически чистые продукты, что создаёт спрос на «зелёные» технологии защиты растений.
Одним из наиболее известных примеров биопестицидов является хитозан – модификация хитина, входящего в состав клеточных стенок ракообразных, насекомых и грибов. Он достаточно хорошо справляется с защитой от патогенов и одновременно стимулирует рост и продуктивность растений. Конечно, есть у хитозана и свои слабые стороны. Это, прежде всего, его плохая растворимость в воде, низкая стабильность и адгезия к тканям растений, что значительно усложняет технологию обработки посевов.
Недавно учеными Новосибирского института органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН, совместно с европейскими коллегами, было создано и запатентовано производное хитозана – новохизоль. За счет изменения линейной формы молекулы хитозана в глобулярную форму новохизоля они не только повысили его растворимость в воде, стабильность и адгезию, но и обеспечили возможность поглощения новохизолем других активных биологических соединений.
«А значит, на его основе можно делать комплексные биопестициды, которые будут еще более эффективными в решении тех или иных конкретных задач защиты растений», – рассказал ведущий научный сотрудник ИЦиГ СО РАН, д.б.н. Андрей Щербань.
Тем не менее, до настоящего времени новохизоль изучался преимущественно с позиций применения в медицине, а его возможности в области борьбы с вредителями сельскохозяйственных растений практически не исследовались. Заполнить этот пробел и стало целью нового научного проекта ученых ИЦиГ СО РАН.
Перед его участниками встали две больших задачи. Во-первых, в лабораторных условиях изучить и описать молекулярный механизм действия новохизоля, реакцию генома растения на обработку. А во-вторых, испытать в полевых условиях: как обработка модельного растения (в этой роли выступает мягкая пшеница) новохизолем на разных стадиях развития сказывается на его продуктивности и устойчивости к разным заболеваниям. И тем самым, подтвердить перспективы использования данного соединения именно в качестве биопестицида.
Причем, в этих экспериментах используют как чистый новохизоль, так и его комплексы с другими биологически активными веществами – экстрактами лиственницы, коры сосны сибирской и другие, которые также обладают защитными свойствами, но при этом сами по себе плохо растворяются в воде, нестабильны, что мешает их использованию.
В рамках проекта уже получены первые результаты. В рамках лабораторных исследований ученые, прежде всего, обратили внимание на антиоксидантную систему, являющуюся универсальным маркером стресса. Известно, что под влиянием разных видов стресса в клетках растений происходит накопление активных форм кислорода, которые разрушают белки, и, в качестве защиты, растения увеличивает активность ферментов, осуществляющих детоксикацию, удаление этих лишних активных форм кислорода.
«В ходе экспериментов, мы увидели, что обработка снизила активность таких ферментов в тканях растения, в частности, основных ферментов, которые разрушают пероксид водорода. Хотя, казалось бы, должно быть наоборот увеличение их активности. Но есть один важный нюанс. Пероксид водорода накапливается в очагах инфекции сжигая гриб. Да, одновременно эта перекись наносит урон и клеткам самого растения, но это можно сравнить с побочным эффектом от сильнодействующего лекарства. Первичной для растения является задача уничтожения очага инфекции, пероксид водорода с этим справляется, а новохизоль тормозит разрушение перекиси. Вот такая довольно сложная, но эффективная система», - объяснил Андрей Щербань.
Ученые доказали, что этот механизм работает в ряде экспериментов, результаты опубликованы в научных статьях. Кроме того, оказалось, что новохизоль вовлечен и в другие механизмы защитной системы растения. В частности, обработка этим препаратом повышает накопление особых рецепторов на поверхности клеток растений, реагирующих на элиситор: хитин в оболочке гриба, или же хитозан (новохизоль), вызывающий иммунную реакцию. Чем больше рецепторов, тем с большей вероятностью вовремя включится защитная система. Одновременно обработка новохизолем запускает повышение выработки растительных хитиназ – ферментов, которые разрушают хитин гриба.
«Таким образом, мы видим, что новохизоль явно активизирует работу защитных механизмов растения для борьбы с патогеном», - подчеркнул Андрей Щербань.
Полевые исследования препарата тоже принесли интересные результаты, было показано, что использование новохизоля в комплексе с другими средствами дает синергетический эффект. Задачей ученых было выбрать наиболее оптимальные сочетания по ряду параметров – эффективность применения в сочетании с низкой себестоимостью и простотой в изготовлении.
В итоге, было отобрано несколько комбинаций, каждая из которых имеет свои преимущества. Одна из комбинаций – сочетание новохизоля с серой. Сера – достаточно дешевый продукт, производство которого хорошо освоено и есть опыт применения ее в качестве химического пестицида. Но соединения с серой плохо растворимы в воде, легко смываются с поверхности, что вынуждает применять их в большом количестве, а эти вещества вредят не только патогенам, но и самим растениям, а также человеку. В комплексе же с новохизолем они лучше прилипают к поверхности, что позволяет в разы снизить концентрацию серы и, соответственно, негативные побочные эффекты от ее применения.
Хорошую эффективность показало соединение новохизоля с усниновой кислотой (получаемой из экстракта лишайника), которая не столь токсична как сера или медь.
В целом, исследователи считают, что новохизоль может стать основой для создания целой линейки биопестицидов (как в чистом виде, так и в комплексах), которые можно будет варьировать в зависимости от условий задачи. К тому же, его можно применять не только для защиты урожаев пшеницы. От грибных заболеваний страдают многие культурные растения, например, тот же картофель поражается грибом- фитофторой, хорошо знакомой не только аграриям, но и дачникам.
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии