Биопрепараты в современном земледелии



Растущий спрос на продовольствие в мире требует повышения устойчивости и продуктивности растений. В этой статье подчеркивается важность рассмотрение биопрепаратов в контексте современного сельского хозяйства в целом, и роль лектинов в сельскохозяйственном применении, в частности.

Ключевые слова: сельское хозяйство, предпосевная обработка семян, экономическая эффективность, препараты.

Для разработки современных прогрессивных, экономически целесообразных, менее энергоемких технологий возделывания сельскохозяйственных культур важна комплексная их оценка с учетом агрономической, экономической и энергетической эффективности. Важное место в современных технологиях отводится питанию растений, регулирование которого осуществляется применением удобрений и биопрепаратов [1, 2, 3, 4, 5].

В связи с резким повышением цен на минеральные удобрения все большее распространение получает оценка экономической эффективности. Анализ фактической окупаемости и экономической эффективности применения минеральных удобрений и биопрепаратов позволяет выявить резервы их повышения в условиях современного сельскохозяйственного производства.

Эффективность использования в сельскохозяйственном производстве минеральных и органических удобрений, других средств химизации и биологизации определяется экономическими параметрами, в частности, условным чистым доходом и уровнем рентабельности. Эти показатели зависят от урожайности сельскохозяйственных культур, возделываемых в севообороте, стоимости полученной продукции и производственных затрат на ее получение. Производственные затраты включают стоимость работ по выполнению технологических операций выращивания сельскохозяйственной культуры, стоимость расходных материалов (семена, удобрения, средства защиты, топливно-смазочные материалы), оплату труда, амортизацию техники.

Биопрепараты для земледелия

Были накоплены знания о том, что с помощью микроорганизмов растение обеспечивает свои потребности в элементах питания (азот, фосфор и калий и другие), гормонах, физиологически активных веществах, микроорганизмы способны защитить растение от фитопатогенов, причем наиболее опасных — почвенных инфекций, для борьбы с которыми пока нет эффективных средств. Список полезного воздействия микроорганизмов на растения далеко не исчерпывается только этим, но и упомянутого достаточного, чтобы заключить, что активизация микробно-растительного взаимодействия является мощнейшим фактором повышения продуктивности агрофитоценоза, которое в настоящий момент используется крайне неудовлетворительно.

Показано, что полезное действие микрофлоры не приурочено только к определенной группе растений, но является всеобщим явлением.

Все эти данные позволили наметить реальные пути повышения эффективности растениеводства за счет оптимизации и всестороннего 12 использования природных возможностей агрофитоценоза. К сожалению, многие годы с использованием не адаптированных к конкретным условиям элементов «интенсификации производства» не прошли даром, и сейчас в почве отмечено повышение численности и разнообразия вредных видов, что вызывает резкое и часто необратимое падение почвенного плодородия. Ряд элементов агротехники возделывания сельскохозяйственных культур также не способствует активизации биологического фактора, так как её применение нарушает физико-химические свойства почвы. К сожалению, современные сорта часто генетически не способны к продуктивному взаимодействию с полезными микроорганизмами, так как в процессе селекции, направленной против действия эволюции, растения потеряли способность конкурировать за почвенную микрофлору и расселять ее на своих корнях. Микробиологические препараты могут, например, значительно снизить дозы минеральных удобрений, повысить коэффициент их использования. Только в условиях нынешнего дефицита микробиологические препараты можно рассматривать как замену агрохимии. Однако, актуальность подобной проблемы не исчезает даже при достаточном потреблении агрохимикатов. Более того, оптимальное использование химических средств возможно лишь при их рациональном сочетании со всем комплексом биологических препаратов и технологий.

Применение лектинов в сельском хозяйстве

Растущий спрос на продовольствие в мире требует повышения устойчивости и продуктивности растений [Умарова, 2016]. В этом отношении перспективными препаратами являются лектины. Однако значительная часть работ этого направления посвящена лектинам растений. Так, разработан препарат для увеличения системной индуцированной устойчивости самой распространенной бобовой культуры, гороха, к фитопатогенным грибам. Препарат включает в свой состав лектин из семян фасоли, который является элиситорным соединением, выступающим в роли индуктора защитных реакций и формирующим устойчивость растений. Предпосевная обработка семян бобовой культуры данным препаратом повышает прорастание семян, урожайность и иммунную систему гороха к различным заболеваниям, вызванных патогенными микромицетами.

В работах данных авторов подчеркивается, что способность лектинов положительно воздействовать на рост и развитие растений, делают их перспективным инструментом для сельскохозяйственного применения, как нетоксичных стимуляторов роста растений

Другим направлением применения лектинов в сельском хозяйстве является создание новых лектин-бактериальных препаратов, способных увеличивать активность полезных почвенных микроорганизмов, что позволит получать более высокие урожаи [Кириченко, 2014]. Так, в исследованиях Кириченко и Коць [Кириченко, Коць, 2011] было установлено, что предпосевная обработка семян комплексной лектин-бактериальной композицией (штамм Аzotobacter chroococcum + лектин из семян яровой пшеницы) оказывал благотворное влияние на систему «растение — почва — микроорганизмы», следствием которого было активное развитие необходимой микрофлоры, а также повышение стрессоустойчивости и продуктивности зерна пшеницы до 18 %. Авторами были выявлены преимущества комплексных композиций бактерий с лектинами по сравнению с монокультурами.

Тем не менее, в последнее время в лектинологии наблюдаются тенденции перехода от исследований лектинов растений и животных к лектинам мицелиальных грибов. Это, в первую очередь, объясняется наличием большого разнообразия продуцентов, синтезирующих высокоактивные лектины с уникальными углевод специфическими активностями, а также их способностью к быстрому росту и возможностью использовать для роста дешевые компоненты питательных сред.

Избирательная способность узнавать и взаимодействовать с углеводными детерминантами на клеточных поверхностях, а также благодаря различным свойствам и функциям, делают лектины микромицетов перспективными препаратами для использования в различных отраслях народного хозяйства. Среди которых, одним из перспективных направлений является сельское хозяйство.

Так, найдены лектины микромицетов с инсектицидной активностью. В работах лектинологов во главе с Хамсхоу [Hamshou et al., 2010], очищенный лектин гриба Sclerotinia sclerotiorum в концентрации 66 мкг/мл вызывал 50 % гибель опытных насекомых, а именно тли Acyrthosiphon pisum , наносящей вред гороху. Многие заболевания растений связаны с их поражением фитопатогенными грибами. Наиболее распространенным методом защиты растений отданных заболеваний является обработка семян и растений фунгицидами. Использование фунгицидов значительно уменьшает потери урожая, однако установлено, что многие из них обладают канцерогенным и мутагенным действием, не полностью разрушаются в природе, накапливаясь в полезной флоре и фауне, они могут вызывать появление в популяциях фитопатогенов резистентных форм [Choudary et al ., 2007; Sharma, Parihar, 2010]. В связи с этим важное значение приобретает вопрос о разработке новых средств защиты растений, которые отвечают современным требованиям экологии.

Одним из перспективных подходов к разработке таких биопрепаратов, в плане индуцированной устойчивости растений, является применение соединений паразита, участвующего в процессе патогенеза. К таким соединениям можно, по-видимому, отнести лектины фитопатогенных микромицетов, обладающих элиситорной активностью.

Так, Ларрок с соавторами [Larroque et al ., 2011] показали, что фитопатогенный гриб Phytophthora parasitica , возбудитель табака, способен образовывать лектин с молекулярной массой 38 кДа, гликопротеин клеточной стенки мицелия, принимающий участие в прикреплении к клеточной стенке растений и к целлюлозосодержащим субстратам. Поверхностный лектин P.parasitica представляет собой неспецифический элиситор, индуктор защитных реакций, способный вызывать некроз у растений. Было установлено, что агглютинин фитопатогена вызывает некроз, образование этилена, накопление белка реакции сверхчувствительности (СВЧ), увеличение переоксидазной активности у растений Arabidopsis thaliana , обеспечивающие устойчивость данного растения. Представлены данные об участие дифференциально 3-ех путей сигнализации, салицилатной, жасмонатной и этиленовой, в процессе активации некроза и защиты у Arabidopsis thaliana благодаря лектину патогена.

Вывод

Имея значительный потенциал для практического применения, лектины, в том числе и лектины микромицетов, могут быть использованы и в сельском хозяйстве. Однако их функции тесно связаны со структурой этих молекул, с их физико-химическими свойствами, с возможными перестройками в структуре молекул в зависимости от принадлежности штаммов-продуцентов, в том числе, к сапрофитным и патогенным видам. Однако сравнительные исследования лектинов сапрофитных и фитопатогенных видов ранее не проводились.

Тем не менее, разработка эффективных и экологичных препаратов на основе лектинов микромицетов для защиты сельскохозяйственных культур, необходима и открывает новые перспективы в борьбе с заболеваниями растений и повышением урожайности культур.

Литература:

1. Антипенко, Е. А. Возможности и перспективы применения ботулотоксина в неврологической практике / Е. А. Антипенко, А. В. Густов // СТМ. — 2011. — № 1. — C. 102–104.
2. Бибикова, М. В. Биотехнология микромицетов — реальность и перспектива / М. В. Бибикова, А. В. Катлинский // Современная микология в России. — 2008. — Т. 2. — С. 33–34.
3. Билай, В. И. Микроорганизмы-возбудители болезней растений / В. И. Билай, Р. И. Гвоздяк, И. Р. Скрипаль, В. Г. Краев, И. А. Элланская, Т. И. Зирка, В. А. Мурас — Киев: Наукова думка. — 1988.- 552 с.
4. Ветченкина, Е. П. Активность внутриклеточных лектинов Lentinus edodes на разных стадиях развития гриба при глубинном и твердофазном культивировании / Е. П. Ветченкина, В. Е. Никитина // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. — 2008. — Т. 10, № 2. — С. 629–635.
5. Войткова, В. В. Изучение апоптоза методом проточной цитофлоуметрии / В. В. Войткова // Бюллетень ВСНЦ СО РАМН. — 2010. — № 6, ч. 1. — С. 220–225.
6. Гершанович, В. Н. Транспорт аминокислот, полипептидов и органических кислот у бактерий / В. Н. Гершанович // М.: Медицина. — 1977. — 184 с.
7. Душкин, А. В. Сравнительная антимикробная активность антибиотиков группы цефалоспоринов, модифицированных механическим измельчением с сорбцией на наноструктурированных частицах диоксида кремния / А. В. Душкин, А. П. Лыков, О. Н. Ларина, С. А. Гуськов, В. И. Евсеенко, И. А. Гольдина, И. В. Сафронова, К. В. Гайдуль, Н. З. Ляхов, В. А. Козлов // Фундаментальные исследования. — 2011. — № 9, ч.2. — С. 234–237.
8. Жерносекова, И. В. Биосинтетические характеристики мутантного штамма 2Р-15 в присутствии экзогенных аминокислот / И. В. Жерносекова, А. А. Тымчук, А. Г. Понизовцева, Н. П. Черногор, А. И. Винников // Биология. Экология. — 2008. — Т. 1, № 16. — С.78–83.
9. Ильинская, О. Н. Краткосрочные тест-системы для определения генотоксичности / О. Н. Ильинская, А. Б. Маргулис // Методическое руководство. — Казань: КГУ. — 2005.
10. Ли Вэй. Маннан-связывающие лектины из морского червя Serpula vermicularis и GlcNAc/GalNAc-специфический лектин из колониальной асцидии Didemnum ternatanum. Дисс. кандидата биол. наук. — Владивосток. — 2004. — 111 c — 31 c.
11. Лоенко, Ю. Н. Лектины морских беспозвоночных / Ю. Н. Лоенко, В. Е. Глазкова, А. А. Артюхов // Успех современной биологии. — 1992. — Т. 112, № 5–6. — С. 785–794.
12. Луцик, М. Д. Лектины / М. Д. Луцик, Е. Н. Панасюк, А. Д. Луцик // Львов: Высшая школа. -1981. — 156 с.
13. Лысак, В. В. Систематика микроорганизмов / В. В. Лысак, О. В. Фомина // Минск: БГУ. — 2014. — 304 с.
14. Мерабишвили В. М. Онкологическая статистика (традиционные методы, новые информационные технологии) / В. М. Мерабишвили // Руководство для врачей. Часть I. СПб. — 2015. — С. 223.
15. Молодченкова, О. О. Лектины и защитные реакции растений / О. О. Молодченкова, В. Г. Адамовская // Вісник Харківського національного аграрного університету. Серія біологія. — 2014. — Вып. 1, № 31. — С. 30–46.
16. Нетрусов, А. И. Практикум по микробиологии / А.И Нетрусов // М: Академия. — 2005. — 608 с.