Альбит обладает комплексным разносторонним действием на растения. Среди его основных свойств могут быть названы: стимуляция роста, повышение урожая, фунгицидное действие, антистрессовая (антидотная) и удобрительная активности, а также усиление засухоустойчивости растений. Все эти положительные свойства препарата являются следствием трёх основных механизмов1, с помощью которых Альбит действует на растения (Рис. 1). Остановимся на каждом из них подробнее.
I.1.1.С тимуляция роста растений
Материалы данной главы опубликованы в работе: Злотников А. К., Багирова С. Ф., Гинс В. К., Дурынина Е. П., Злотников К. М., Костина Н. В., Кураков А. В., Павулсоне С. А., Пустовойтова Т. Н., Романов Г. А., Скворцова И. Н., Суслина Л. И. (2001) Биопрепарат Альбит для стимулирования роста и защиты растений. В сб. «Идеи В. В. Докучаева и современные проблемы сельской местности: материалы международной научно-практической конференции». ч. II. Москва-Смоленск. Изд-во «Универсум» с. 170 180.
Альбит стимулирует рост растений прежде всего благодаря своей высокой фитогормональной активности.
Ф
Рис. 1. Механизмы действия Альбита на растения (принципиальная схема)
итогормоны — соединения, с помощью которых осуществляется взаимодействие клеток, тканей и органов растений и которые в малых количествах необходимы для запуска и регуляции физиологических и морфогенетических процессов – основных функций растительного организма. На возможность существования у растений веществ, функционально сходных с гормонами животных, впервые в 1880 г. указал Ч. Дарвин в своей книге «Способность к движению у растений»2.
Фитогормоны участвуют в процессах роста, развития (дифференциации), транспорта питательных веществ, управляют реакциями растения на различные стрессы и т. д. Гормоны растений (ФАВ)3 – сравнительно низкомолекулярные органические вещества (Mr 28-346 Дальтон). Они образуются в различных тканях и органах и действуют в очень низких концентрациях порядка 10-13-10-5 моль/л. К числу фитогормонов относят гиббереллины, ауксины, цитокинины, этилен, а также абсцизовую и жасмоновую кислоты, фузикокцины и др. По своему химическому составу ФАВ относятся к фенолам, терпеноидам, пиронам и другим химическим соединениям4.
Большинство ФАВ образуются самими растениями, однако нередко эти соединения находят сначала у взаимодействующих с растениями микроорганизмов, а уже потом – в клетках растений. Так, гиббереллины были впервые выделены из гриба Gibberella (Fusarium)5. Аналогично, гены синтеза цитокининов были впервые открыты у ассоциированных с растениями метилотрофных бактерий, а уже затем – у самих растений6. Данные факты свидетельствуют о важной роли микроорганизмов в регуляции роста растений.
Наиболее высокая способность к синтезу регуляторов роста отмечена у тех микроорганизмов, которые физиологически и экологически связаны с растениями: ризосферных, фитопатогенов, микоризных грибов, симбиотических азотфиксаторов. Среди представителей почвенной микрофлоры высокая способность к образованию ФАВ отмечена у ризобий, агробактерий, псевдомонад, энтеробактерий и азоспирилл7.
В сельскохозяйственной практике многих стран используются бактерии-продуценты ФАВ, стимулирующие рост растений, а также чистые фитогормоны – продукты микробиологического синтеза (например, гетероауксин, индолилмасляная кислота, гиббереллины). Нередко при применении ростстимулирующих бактерий (например, азотобактера) положительный эффект в начале относили за счёт азотфиксации. Однако, в ряде случаев не обнаруживалось корреляции между прибавкой урожая и азотфиксирующей активностью. Полагают, что при этом действие бактерий обусловлено прежде всего продукцией ФАВ8.
Кроме широко известных ФАВ, почвенные бактерии часто также продуцируют сигнальные молекулы, с помощью которых микроорганизмы взаимодействуют друг с другом и с растением. Данные соединения действуют в чрезвычайно низких концентрациях и определяют процессы таксиса, узнавания, регуляции роста и развития организмов. К числу таких соединений относятся различные фенольные соединения, флавоноиды и др.
Фитогормональную активность Альбита изучали в Институте физиологии растений им. К. А. Тимирязева Российской академии наук (ИФР РАН), в лаборатории проф. Г. А. Романова. В биотестах на колеоптиле пшеницы (ауксины), карликовом горохе (гиббереллины) и проростках амаранта (цитокинины) изучали, обладает ли Альбит свойствами основных фитогормонов. Было установлено, что Альбит обладает высокой ауксиновой активностью, которая позволяет препарату непосредственно влиять на растения, интенсифицируя их биохимические процессы, рост и развитие и растяжение клеток. Ауксиновая активность препарата проявляется и остаётся практически постоянной в широком диапазоне разведений Альбита (от 2 мл/л – разведение 1:500 до 0,1 мл/л – разведение 1:10000). Эта активность сопоставима с действием основного растительного ауксина индолил-3-уксусной кислоты (ИУК) концентрации примерно 10–6 М. Вероятно, ростстимулирующее действие Альбита на растения объясняется прежде всего его значительной ауксиновой активностью.
 Н
Рис. 2. Молекулы важнейших пигментов растений (хлорофиллов a и b)
аиболее известные растительные гормоны, ауксины, названы так от греч. auxano — «я расту». Ауксин активирует деление и растяжение клеток, необходим для формирования проводящих пучков и корней, способствует разрастанию околоплодника. Ткани, обогащенные ауксином, обладают аттрагирующим действием, т. е. способны притягивать питательные вещества. В плазмалемме ауксин индуцирует работу Н+-помпы, в результате чего матрикс клеточных стенок закисляется. Это приводит к усилению активности кислых гидролаз и размягчению клеточных стенок, что является необходимым условием для растяжения клеток. Ауксины также активируют синтез всех форм РНК, в том числе матричных, что в свою очередь приводит к формированию новых полирибосом и синтезу белков в цитоплазме. Основным ауксином в растительнои организме является индолил-3-уксусная кислота, однако ауксиновой активностью обладают также многие другие соединения9.
Существенной цитокининовой и гиббереллиновой активности у Альбита не выявлено, хотя возможность присутствия следовых количеств гиббереллинов не исключена. Многие пестициды и биопрепараты обладают антигормональной активностью, т. е. при попадании в растения подавляют действие фитогормонов. Исследования, проведённые с Альбитом в ИФР РАН, показали, что Альбит антигормональной (антиауксиновой, антицитокининовой либо антигиббереллиновой) активностью не обладает.
 Вторым механизмом регуляции роста растений (помимо фитогормональной активности) является стимулирующее воздействие Альбита на фотосинтез – основной процесс растительного организма. В ходе фотосинтеза растения, используя энергию солнечного света, синтезируют глюкозу (предшественник большинства веществ растительного организма) из углекислого газа и воды. Часто у обработанных Альбитом посевов наблюдатели отмечают «более зелёный и насыщенный цвет». Данное явление объясняется тем, что препарат увеличивает в клетках растений содержание хлорофиллов – основного компонента фотосинтеза (Рис. 2). В опытах ВНИИССОК (2003-2004 гг.) показано увеличение содержания хлорофиллов в листьях шиповника, лука и газонной травы на 6–12 % под влиянием обработки Альбитом. Свой вклад в усиление синтеза хлорофиллов, по-видимому, вносит наличие в составе Альбита фрагментов молекулы хлорофилла (остатки фитина и порфиринового кольца), которые поступают в препарат из хвойного экстракта и хлорофилло-каротиновой пасты. Альбит также в достаточно большом количестве (38,7 г/л) содержит магний, необходимый для синтеза хлорофилла. Кроме повышения содержания хлорофилла, в опыте ВНИИ садоводства на яблоне (2002) отмечено усиление интенсивности фотосинтеза (Fv/Fm) на 5-7 %. Установлено, что препарат также повышает накопление антиоксидантов в растительных клетках, что облегчает ускоренное формирование новых структурных элементов растительного организма.
Стимуляция синтеза хлорофилла и антиоксидантов вносит свой вклад также и в антистрессовую активность Альбита. Было, в частности, показано, что обработка гербицидами снижает содержание хлорофилла у основной культуры на 35 %, белка – на 32 % («гербицидная яма»)10. Благодаря стимуляции вышеназванных процессов Альбит ускоренными темпами преодолевает данный эффект, что позволяет сохранить урожай.
Рис. 3. Принципиальная схема ростстимулирующего действия Альбита
На основе обобщения результатов лабораторных и полевых опытов, можно построить принципиальную схему ростстимулирующего действия Альбита (Рис. 3). Препарат усиливает интенсивность основного синтетического процесса растительной клетки – фотосинтеза. Благодаря высокой ауксиновой активности Альбита наблюдается ускоренный рост и растяжение клеток. Стимуляция роста растений проявляется в ускоренном прохождении ими фаз развития, формировании дополнительной биомассы, усиленном кущении, образовании мощной корневой системы и т. д. (см. главу Error: Reference source not found).
Стимуляция роста растений была бы малоэффективной, если бы не была подкреплена необходимым дополнительным минеральным питанием, позволяющим «отстраивать» бурно растущий растительный организм11. Благодаря своим агрохимическим свойствам Альбит обеспечивает необходимое дополнительное поступление элементов питания в растения (см. главу Error: Reference source not found). Эффективность препарата против болезней и стрессов (в частности, засухи) также позволяет растениям высвободить больше пластических метаболитов для роста, сохранить ткани растений от поражения патогенами.
Ускоренный вегетативный рост под влиянием препарата позволяет растениям накопить достаточный запас пластических метаболитов. Однако впоследствии стимуляция роста растений при использовании Альбита дополняется опережающей стимуляцией цветения, формирования генеративных органов, избирательным оттоком питательных веществ в их пользу (Error: Reference source not found). Происходит дополнительная закладке зёрен у зерновых культур, бобов в стручках у зернобобовых, завязей у овощных и плодовых культур.
Конечным результатом процесса стимуляции роста является увеличение урожая растений.
I.1.2.Индукция устойчивости к фитопатогенам и стрессам
В настоящей главе рассмотрены механизмы фунгицидного действия Альбита. Собственно фунгицидная эффективность препарата рассмотрена в главе Error: Reference source not found.
Материалы данной главы опубликованы в статьях:
Bagirova S. F., Ignatova S. I., Tereshonkova T. A., Gorshkova N. S., Zlotnikov A. K. (2001) Resistance of tomato to fungal diseases. Beiträge zur Züchtungsforschung: Bundesanstalt für Züchtungsforschung an Kulturpflanzen. 7. Jahrgang, Heft 1 p. 52-54.
Злотников А. К., Багирова С. Ф., Гинс В. К., Дурынина Е. П., Злотников К. М., Костина Н. В., Кураков А. В., Павулсоне С. А., Пустовойтова Т. Н., Романов Г. А., Скворцова И. Н., Суслина Л. И. (2001) Биопрепарат Альбит для стимулирования роста и защиты растений. В сб. Идеи В. В. Докучаева и современные проблемы сельской местности: материалы международной научно-практической конференции. ч. II. Москва-Смоленск. Изд-во «Универсум» Смоленского ГУ. с. 170 180.
Zlotnikov K. M., Pustovoitova T. N., Zlotnikov A. K. (2000) Metabolites of Pseudomonas aureofaciens H16 and Bacillus megaterium PC2 increase drought resistance of spring wheat. In: Kulaev I. S. (Ed.) Modern problems of microbial biochemistry and biotechnology. Abstr. Int. Symp., Puschino, June 25-30, 2000. IBPM. Puschino. p. 138-139.
Альбит не обладает прямым фунгицидным действием, т. е. не является ядом, напрямую уби-вающим патогенов–возбудителей болезней растений. Фунгицидные свойства Альбита основа-ны на том, что препарат усиливает иммунитет растений, их естественную способность сопро-тивляться болезням. По классификации проф. Ю. Т. Дьякова (МГУ) Альбит относится к фунгицидам 4 поколения12. Поскольку механизмы реакции растений на патогенов и на различные стрессы схожи, иммуногенные свойства Альбита усиливают способность растений сопротивляться стрессам: засухе, механическим повреждениям нематодами и другими организмами, пестицидному стрессу и др.
Механизмы иммунитета растений подробно рассмотрены в специальных изданиях, например в весьма обстоятельном учебнике проф. Ю. Т. Дьякова с соавт.13, книге акад. И. А. Тарчевского14, зарубежных обзорах15 и др., к которым мы и отсылаем читателей, желающих подробно изучить данный вопрос. В рамках настоящей книги рассмотрим этот вопрос в предельно краткой форме.
Защитные механизмы растения встречают патогена ещё на подходе к клетке (выделяемые в воздух эфирные масла, фитонциды), затем патоген сталкивается с ригидными барьерами (кутикула, клеточная стенка). В клетках растений конститутивно присутствуют низкомолекулярные вещества, токсичные для патогенов (фитоантиципины). Геном растений обуславливает синтез белков и других высокомолекулярных соединений, снижающих восприимчивость к инфекции. Данная врождённая (горизонтальная) устойчивость позволяет некоторым видам и сортам растений успешно сопротивляться определённым болезням. Например, сорта озимой пшеницы Зентос и Прикумская-115 обладают повышенной устойчивостью к фузариозу колоса16. Однако чтобы отражать атаки большинства фитопатогенов, врождённой устойчивости оказывается недостаточно. Для этого требуется значительное усиление растительного иммунитета (так называемая вертикальная устойчивость), которая является, как правило, реакцией растения на патогена или обработку какими-либо веществами.
Растение узнаёт о присутствии патогена по наличию выделяемых патогеном специальных веществ – элиситоров. Элиситоры чаше всего представляют собой полисахаридные компоненты клеточных стенок фитопатогенных грибов. Взаимодействуя с рецепторами на поверхности растительных клеток, элиситоры запускают те или иные сигнальные системы. В зависимости от вида элиситора и рецептора, различают аденилатциклзную, МАР-киназную, фосфатидную, кальциевую, липоксигеназную, НАДФН-оксидазную, NO-синтазную, протонную и др. сигнальные системы. Далее сигнал передаётся в глубь клетки и организма, вызывая различные реакции вертикальной устойчивости.
 У животных иммунный ответ растений обеспечивается специальными структурами (молекулами – антителами и клетками – лейкоцитами), которые активно перемещаются по кровеносным сосудам к очагу инфекции. Растения лишены кровообращения, зато у них каждая клетка способна на иммунный ответ. Вместо молекул и клеток по растительному организму передаются сигналы, в результате действия которых ткани растений становятся иммунными
Рис. 4. Молекулы, принимающие участие в сигнализации системной защиты у растений: А — салициловая кислота, B — жасмоновая кислота, C — метиловый эфир жасмоновой кислоты, D — олигогалактурониды (Х = 2-10), E — этилен, F — абсцизовая кислота, G — арахидоновая кислота (из книги Ю. Т. Дьякова с соавт.)
(устойчивыми) к заболеваниям. Сообщения об инфекции передаются от мест первичного поражения с помощью сигнальных молекул (мессенджеров, индукторов фитоиммуннитета), таких как салициловая и жасмоновая кислота (Рис. 4). Внутри клеток трансдукция сигнала осуществляется в-основном при помощи каскада фосфорилирования белков.
Ответом на полученный сигнал об атаке патогена являются различные реакции: повышение активности пероксидаз и хитиназ, лигнификация (укрепление) клеточных стенок, синтез растительных антибиотиков – фитоалексинов, активирование генов защиты и синтез защитных PR-белков, реакция сверхчувствительности (контролируемый некроз наиболее близких к месту инфекции растительных клеток, лишающий патогена возможности расти и размножаться), а также системная приобретённая устойчивость (systemic acquired resistance, SAR).
Уже более 100 лет тому назад исследователи знали, что растение, пережившее инфекцию, становится устойчивым к последующему заражению. В 1933 году американский фитопатолог Честер, обобщив около 200 публикаций, описал явление, которое он назвал физиологическим приобретённым иммунитетом. Впервые SAR была детально охарактеризована в исследованиях группа Дж. Куча (середина 1970-х гг.), где проводились исследования иммунитета растений семейства тыквенных Для индукции устойчивости использовали непатогенов этих растений, непатогенные штаммы патогенов, сами патогены и, наконец, продукты метаболизма паразита и хозяина. Было установлено, что растения огурцов могли быть системно защищены от возбудителя антракноза с помощью инокуляции грибом их первого настоящего листа. Тот же результат был получен на дынях и арбузах, которые удавалось системно защитить от грибных, бактериаль¬ных и вирусных болезней предварительным локальным инфицированием первых настоящих листьев. Было установлено, что системная устойчивость распространяется в растении снизу вверх. Важной особенностью системной устойчивости, открытой в этих исследованиях, оказалась иммунизация растений с помощью одного элиситора против широкого круга инфекций. Неспецифическая устойчивость, индуцируемая либо возбудителем антракноза, либо вирусом некроза табака, защищала растения по крайней мере против 13 видов патогенов, включая облигатные и факультативные паразитические грибы, вирусы и бактерии, вызывающие локальные и системные инфекции. Таким образом, элиситоры действовали подобно системным фунгицидам широкого спектра действия17.
С помощью биопрепаратов оказалась возможной иммунизация растений, напоминающая прививки у животных и человека. Таким образом, растение, обработанное элиситором-иммуннизатором, может приобрести устойчивость к патогенам ещё до начала инфекции.
Системная приобретённая устойчивость может вызываться как элиситорами самого патогена, так и веществами, продуцируемыми непатогенными организмами. Использование непатогенных организмов и их метаболитов имеет ряд существенных преимуществ. Во-первых, фитопатогены часто вместе с элиситорами выделяют супрессоры – вещества, маскирующие их действие. Во-вторых, многие патогены синтезируют патотоксины – токсические вещества, вызывающие симптомы болезни у растений (увядания, некрозы) даже при отсутствии проникновения патогена18. Поэтому, большинство фунгицидных биопрепаратов созданы на основе непатогенных микроорганизмов (псевдомонады, бациллы, триходерма и др.) К тому же многие почвенные бактерии, например, псевдомонады, сочетают прямую фунгицидную и иммуннизирующую активности.
Помимо иммунизации, непатогенные микроорганизмы также способны снижать поражённость растений патогенами за счёт стимуляции роста растений. Бурно развивающееся растение как бы «уходит от болезни». Так, обработка озимой пшеницы и картофеля азотфиксирующими бактериями может снизить поражённость растений фузариозом, ризоктониозом, паршой обыкновенной и корневыми гнилями в 1,5-2 раза19. С другой стороны, в ряде случаев активно растущее растение представляет собой более привлекательную мишень для патогенов и в большей степени ими поражается. Поэтому одной только ростстимулирующей активности для защиты растений от болезней недостаточно20. Для успешной защиты растений с помощью непатогенных микроорганизмов требуется, чтобы последние обладали комплексным действием (ростстимулирующим, иммунизирующим, фунгицидным).
Альбит как раз и является примером такого комплексного препарата.
В опытах Кафедры микологии и альгологии Биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, в Институте Биохимии им. А. Н. Баха РАН, БГАУ, Институте биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина РАН было установлено, что Альбит способен бороться с болезнями растений благодаря следующим основным механизмам:
-
Компоненты Альбита (поли-бета-гидроксимасляная кислота и другие) действуют на растения подобно элиситорам фитопатогенов, «предупреждая» растения об инфекции. В результате этого, в тканях растений возникает системная приобретённая устойчивость к широкому кругу патогенов. В результате, достигается иммунизирующее действие, сходное по эффекту с действием химических системных фунгицидов.
Согласно имеющимся данным, поли-бета-гидроксимасляная кислота действует на протеинкиназные рецепторы клеточных стенок растений, запуская НАДФ-оксидазную и аденилатциклазную сигнальные системы реакции растений на патогенов. Другие вещества, входящие в состав препарата (гидроортофосфат и нитрат калия, сульфат магния, полисахариды – метаболиты Bacillus megaterium и Pseudomonas aureofaciens) усиливают данный эффект. Из минеральных компонентов препарата особенно важным в плане иммунизации является гидрофосфат, способность которого усиливать защитные реакции растений известна уже давно21. В результате, в клетках растений увеличивается концентрация салициловой кислоты, возрастает активность пероксигеназ и хитиназ. Ткани растений приобретают неспецифическую устойчивость к широкому кругу патогенов (системная приобретенная устойчивость). Иммунные реакции проявляются в период от нескольких часов до суток с момента нанесения препарата (в зависимости от растения и способа применения).
В Башкирском гос. аграрном университете изучали морфологические и биохимические изменения в клетках картофеля, которые сопровождают усиление системной устойчивости при действии Альбита. Цитологические исследования показали, что после обработки растений на внутренней стороне клеточной стенки откладывается в 2-6 раза больше ламелл суберина. Одновременно значительно увеличивается количество митохондрий в протопласте. Эндоплазматический ретикулум распадается на фрагменты в виде цистерн с образованием в них большого числа вакуолей. В сенсибилизированных тканях формируются полиморфные лейкопласты вокруг ядра, они преобладают среди внутриклеточных компонентов. Лейкопласты лишены крахмала, содержат много белков и имеют электронно-плотную строму. В переферической части цитоплазмы накапливается агранулярный эндоплазматический ретикулум для синтеза каратиноидов, терпеноидов и фенолов. В результате клетки картофеля интенсивно противостоят инфекции. Биохимия индуцированной болезнеустойчивости состоит из двух этапов. На первом этапе происходит ранняя регуляция болезнеустойчивости после взаимодействия элиситоров с белками плазмалеммы. Наблюдается усиление проницаемости мембран для кальция. Кислотность симпласта увеличивается, одновременно апопласт приобретает более щелочную реакцию. Происходит усиление синтеза гидролитических ферментов и перекисей ненасыщенных жирных кислот. Формируются биологически активные комплексы кислорода с белками плазмалемы. На втором этапе происходит перенос активных форм кислорода во все клетки растения для многократного усиления системной устойчивости к внешнему воздействию.
-
Как показали опыты на картофеле и томате, реакция сверхчувствительности на проникновение гиф патогена у растений, обработанных Альбитом, наступает на несколько суток раньше, чем у контрольных, т. е. под действием Альбита растение раньше «обнаруживает» инфекцию и успевает активировать соответствующие механизмы фитоиммунитета.
-
Одно из действующих веществ Альбита (карбамид) обладает прямой фунгицидной активностью против ряда болезней растений (например парши яблони). Установлена также способность Альбита ингибировать прорастание спор и спроношение Phytophtora infestans de Bary.
-
Высокая ауксиновая активность Альбита (см. стр. 1) препятствует проникновению в растительную клетку патогенов, гидролизующих пектины клеточной стенки растений.
-
Высокая ростстимулирующая активность препарата позволяет Альбиту компенсировать энергетические затраты растения на иммуннизацию22. Ускоренные рост и дифференциация клеток также позволяют снизить поражённость растений внутренними инфекциями.
-
Альбит вызывает перестройку естественного микробного сообщества ризосферы, снижая количество фитопатогенных микроорганизмов в почве и увеличивая полезную микрофлору (косвенное действие, подробнее рассмотрено в следующей главе).
Данные факторы обуславливают фунгицидную активность Альбита, которая выражается в биологической эффективности на уровне 40–90 % против основных болезней сельскохозяйственных культур (глава Error: Reference source not found). Благодаря неспецифичности иммунного ответа, препарат способен увеличивать устойчивость растений к широкому кругу заболеваний.
Важно отметить, что пути реакции растений на фитопатогенов и различные биотические и абиотические стрессы, включая засуху и механическое повреждение, схожи. Так, например, при поранении растений насекомыми и поражении фитопатогенными микроорганизмами задействованы взаимно пересекающиеся схемы передачи сигнала и реакции, включающие липоксигеназу, линоленовую и жасмоновую кислоты. Пути различаются только используемыми первичными мессенжерами сигнала (системин в случае повреждения насекомыми и олигоурониды в случае атаки патогенов)23. MAP-киназная защитная система активизируется не только под действием полисахаридных и пептидных элиситоров, но и при повреждении тканей растений24. В этой связи представляют интерес факты достаточно высокой активности Альбита против вредителей (нематод).
В опытах ВНИИ защиты растений (г. Рамонь), проведённых в закрытом грунте, изучали возможность использования регуляторов роста, обычно применяемых для иммунизации и стимуляции роста растений (Иммуноцитофит, Нарцисс, Силк, Альбит, Крезацин и Мивал), для повышения устойчивости томатов и огурцов к галловым нематодам. Применение элиситоров на томатах по вегетации оказалось более результативным, чем обработка семян, эффективность колебалась от 38,9 % (Крезацин) до 44,9 % (Альбит). При обработке и семян, и вегетирующих растений томатов заметного повышения устойчивости к мелойдогинозу не произошло, что свидетельствует о достаточности обработок только по вегетации. В опытах на огурцах для повышения их устойчивости к южной галловой нематоде были использованы препараты, показавшие лучшие результаты на томатах, – Нарцисс, Иммуноцитофит и Альбит. На этой культуре, наоборот, именно обработка семян снижала зараженность растений галловыми нематодами. Биологическая эффективность Нарцисса, Иммуноцитофита и Альбита составляла соответственно 27,2; 30,9 и 48,8 %25.
Молекулярные механизмы усиления засухоустойчивости под влиянием Альбита ещё практически не изучены, хотя само явление охарактеризовано достаточно детально (глава Error: Reference source not found). Вероятно, сенсибилизация растений против осмотического и температурного стресса (засухи) включает определённые этапы систем и механизмов, индуцируемых Альбитом при иммунизации растений. Было показано, что процессы фитоиммунитета тесно связаны с активностью фитогормонов26. В этой связи возможно влияние препарата также через регуляцию ауксиновой активности. Кроме того, свою роль в повышении засухоустойчивости и сопротивляемости загрязнению окружающей среды может играть увеличение содержания основных фотосинтетических пигментов (хлорофиллов), увеличение интенсивности фотосинтеза, повышенный синтез антиоксидантов в клетках, что обеспечивает ускоренное восстановление растений после стрессовых воздействий. Важным механизмом засухоустойчивости является также повышение содержание аскорбиновой кислоты в листьях растений под влиянием Альбита от 6 до 40 % (ВНИИССОК, 2004). Аскорбиновая кислота (витамин С) является ойиверсальным окислительно-восстановительной молекулой растительного организма, повышенные концентрации которой способны усилить устойчивость растений к различным стрессам.
Механизмы антистрессового действия Альбита по отношению к фунгицидами (протравителям) и гербицидам были рассмотрены соответственно в главах Error: Reference source not found и Error: Reference source not found. Полученные данные свидетельствуют о выраженном иммунизирующем и антистрессовом действии Альбита, которое зачастую реализуется с помощью взаимосвязанных механизмов.
I.1.3.Усиление активности полезных почвенных микроорганизмов
Материалы данной главы опубликованы в статье:
Костина Н. В., Злотников А. К. (2000) Влияние препарата микробного происхождения Альбит на активности азотфиксации и денитрификации в ризосфере ячменя. Тез. межд. конф. «Проблемы экологии и физиологии микроорганизмов», 31 ноября 1999. М., «Диалог-МГУ». с. 67.
Количество микроорганизмов в 1 грамме почвы прикорневой зоны растений достигает нескольких сотен миллиардов. Почвенные микроорганизмы оказывают значительное положительное влияние на растение: снабжают его физиологически активными веществами, витаминами, доступным азотом (азотфиксация), высвобождают фосфор, калий и микроэлементы из почвенных минералов27. Почвенное микробное сообщество способно также подавлять развитие почвообитающих патогенов растений. В целом, микробное население почвы представляет собой весьма важный фактор, способный значительно влиять на продуктивность сельскохозяйственных растений. Разработаны специальные препараты, способные стимулировать развитие микробного сообщества, и как следствие, повышать урожайность растений28. Альбит обладает комплексным действием (иммунизация растений, стимуляция их роста, защита от стрессов), однако среди функций препарата одной из важнейших также является действие через почвенное микробное сообщество (Рис. 1). Препарат попадает в почву главным образом на поверхности обработанных семян и вызыввает изменения в функционировании почвенной микрофлоры, причём в особенности эти изменения затрагивают микробные популяции поверхности корней и ближайшей к корням зоны почвы (ризосферы).
Кратко остановимся на особенностях микроорганизмов, обитающих в почве29. Здесь, по сравнению с другими средами обитания, наиболее велики разнообразие и численность микробов. Например, по современным данным прямых микроскопических наблюдений, грамм почвы может содержать от сотен тысяч до сотен миллиардов бактерий. Общая длина грибного мицелия в грамме почвы может достигать сотен метров. Что касается видового разнообразия, то в соответствии с результатами молекулярно-биологического тестирования, в настоящее время известны (т. е. культивируются в лабораторных коллекциях) только несколько процентов обитающих в почве бактерий. Большая же часть бактериального населения почвы пока неизвестна учёным и представляет собой богатейший потенциальный источник микроорганизмов с самыми разными положительными свойствами (стимуляторов роста, продуцентов веществ, микроорганизмов для промышленного синтеза и др.) К почвенным микроорганизмам относятся микроскопические грибы (микромицеты), некоторые водоросл и простейшие, а также громадное разнообразие бактерий, как например представители родов Basillus, Pseudomonas, Klebsiella, Azotobacter, Beijerinckia, Clostridium, Arthrobacter, Flavobacterium, Aquaspirillum, Cellulomonas, Cytophaga, Mycobacterium, Derxia, Nocardia, Agromyces, Rhizobium, Agrobacterium и другие. В подавляющем большинстве случаев почвенные бактерии являются сапрофитными (непатогенными для растений)30.
Наиболее ярко разнообразие и численность почвенных микроорганизмов проявляются в прикорневой зоне растений – ризосфере. Под ризосферой понимают часть почвы, модифицированную под действием растущего корня растения, причём нередко в это понятие включается поверхность корня (ризоплан). По данным прямых электронно-микросопических наблюдений, а также энергетических расчётов, «ширина» ризосферы не превышают 250-1000 мкм Численность бактерий в прикорневой зоне растения в сотни и тысячи раз превышает таковую для неризосферной почвы («ризосферный эффект»), достигая 1010 клеток на грамм почвы. Важнейшим фактором, определяющим отличие ризосферы от других частей почвы, является активное взаимодействие микроорганизмов и растения в данной зоне. Деятельность растения в значительной степени определяет газо- и водообмен, а также трофические условия в ризосфере. В ризосферу поступает значительное количество корневых выделений и корневого опада, на долю которых приходится до 1/3 от продукции фотосинтеза растения. Поступление органического вещества изменяется с возрастом растений, достигая максимальных значений на ранних стадиях развития и в период цветения, и снижаясь со временем до нескольких процентов от всей продукции фотосинтеза31.
Микробное население ризосферы характеризуется высокой плотностью и видовым разнообразием и не является случайной смесью микроорганизмов. Это – отлаженная в процессе длительной совместной эволюции, сбалансированная система. В специальной литературе она получила название естественного микробного сообщества ризосферы. Преобладающее большинство ризосферных микроорганизмов – сапрофитные, непатогенные виды, взаимовыгодно сосуществующие с растениями. При сохранении нормальных условий внешней среды, сохраняется естественный баланс между этими видами и патогенами. При отсутствии внешних стрессов, естественное микробное сообщество выступает в качестве стабилизирующего фактора, препятствующего развитию фитопатогенов. В частности, известно, что сообщество непатогенных почвенных микроскопических грибов способно подавлять фузариозную корневую гниль. В англоязычной литературе существует специальный термин suppressive soils – почвы, способные противостоять болезням растений32. Высказываются мнения о том, что «зрелое» естественное микробное сообщество наилучшим образом стимулирует рост растений. Ещё основатель почвоведения В. В. Докучаев, а затем многочисленные другие исследователи предлагали использовать всю совокупность микроорганизмов плодородной почвы в качестве биоудобрения. В настоящее время такие удобрения разработаны33.
Микробное сообщество ризосферы не является статической системой, в нём постоянно происходят изменения. Хорошо известны сезонные колебания численности ризосферных микроорганизмов. Попадание или искусственное внесение в почву любого дополнительного микроорганизма или вещества вызывает сдвиги в составе и структуре сообщества: происходят закономерные изменения количества и качества микроорганизмов, направленности и напряжённости микробиологических процессов, трофизма и размножения микробов. Совокупность данных событий определяется как микробная сукцессия34. В процессе сукцессии одни таксономические группы почвенных микроорганизмов размножаются, а численность других убывает, изменяется соотношение видов; также меняются во времени функциональные характеристики микробного сообщества. Инициировать начло сукцессии может, например, внесение какого-либо вещества, интродукция организмов, увлажнение почвы. В полевых условиях запуску микробной сукцессии служат, например, выпадение осадков, внесение удобрений и т. д. После этого, в течение сукцессии, свойства микробного сообщества плавно изменяются во времени, в конечном итоге возвращаясь к некоему постоянному уровню.
С практической точки зрения важно направить микробную сукцессию в нужном направлении – в сторону максимальной стимуляции роста растений и подавления патогенов. Как показывают результаты опытов, Альбит успешно справляется с этой задачей. Влияние препарата на микроорганизмы почвы изучали на факультете Почвоведения МГУ им. М. В. Ломоносова (кафедры Биологии почв и Агрохимии).
В
Таблица 1. Влияние Альбита на токсичность ризосферной почвы (Кафедра Биологии почв МГУ, 1999)
Стадия развития растений
|
Диаметр зоны токсичности, мм
|
контроль
|
обработка Альбитом
|
начало вегетации
|
40-55
|
0-30
|
середина вегетации
|
25-30
|
0-30
|
перед уборкой урожая
|
25-30
|
0
|
изучении принимали участие проф. Е. П. Дурынина, проф. А. В. Кураков, старший научный сотрудник И. Н. Скворцова, старший преподаватель Н. В. Костина. Опыты были поставлены на яровом ячмене сорта «Зерноградский», растения обрабатывались Альбитом по стандвртным рекомендованным методикам. Вегетационные опыты были поставлены Кафедрой агрохимии (глава Error: Reference source not found). Для изучения на разных стадиях развития растений брали образцы почвы из прикорневой зоны на разных стадиях развития растений.
Установлено, что обработка Альбитом вызывает изменения в микробном сообществе ризосферы растений, что выражается в снижении численности микроскопических патогенных грибов (напр., рода Fusarium) и повышении количества бактерий. Также отмечен рост обилия микромицетов родов Gliocladium и Trichoderma — антагонистов патогенов растений. Данные по сокращению числа патогенов и повышению численности антагонистов подтверждаются сообщениями Рязанской и Саратовской областных станций защиты растений о том, что в хозяйствах, где систематически применяется Альбит, улучшается фитосанитарное состояние почвы. Таким образом, за счёт перестройки почвенного микробного сообщества оказывается возможным бороться с патогенами без внесения живых биофунгицидов (таких, как Триходермин) – достаточно лишь стимулировать рост уже присутствующих в ризосфере биофунгицидных микроорганизмов.
Альбит также повышает общее количество высеваемых на питательные среды микроорганизмов (с 3 до 3,5 миллионов/г в почве и с 8 до 14,7 млн. на корнях). Под влиянием Альбита в почве растёт численность ростстимулирующих и азотфиксирующих бактерий (например Azotobacter), на 50-100 % усиливается ростстимулирующая способность почвы. В зависимости от доз применяемых удобрений, токсичность почвы под влиянием Альбита снижалась с 25-55 до 0-30 единиц (Таблица 1). Констатировано увеличение активности полезных микроорганизмов, стимулирующих рост растений, и снижение активности токсичных микроорганизмов под влиянием Альбита.
Одной из важнейших функций микробного населения ризосферы является азотфиксация. Азотфиксацией называют происходящий в клетках бактерий процесс восстановления молекулярного азота до аммиака, согласно уравнению:
Несмотря на то, что азот в избытке присутствует в атмосфере и растения буквально «купаются в океане азота», атмосферный молекулярный азот (N2) недоступен растениям. Чтобы восстановить молекулярный азот до аммиака и, тем самым, сделать его доступным растениям, необходимо разорвать 3 связи в молекуле азота и затратить 940 кДж/моль энергии. Для восстановления N2 в химическом процессе синтеза аммиака, несмотря на применение катализаторов, требуются высокие температура (свыше 500°С) и давление (около 35 МПа)35. Биологическая фиксация N2 микроорганизмами осуществляется при нормальной температуре и давлении, что свидетельствует об исключительно высокой эффективности участвующего в этом процессе фермента нитрогеназы. В состав фермента входит два белка: азоферредоксин и молибдоферредоксин, в соотношении 2:1. Оба белка содержат Fe и S, а молибдоферредоксин – 2 атома Mo36. Фиксировать молекулярный азот способны только прокариоты (бактерии). Организмы-азотфиксаторы широко распространены в природе. Их подразделяют на свободноживущих (обитают в почве, воде, в болотах и т. п.) и симбиотических (фиксируют азот в облигатном симбиозе с растениями, например ризобии в симбиозе с бобовыми). Ассоциативные азотфиксаторы, живущие в ризосфере первичных продуцентов органического вещества, – растений, водорослей и цианобактерий, – занимают промежуточное положение между этими двумя группами. К ним относятся представители родов Klebsiella, Bacillus, Enterobacter, Pseudomonas, Bacillus, Xanthomonas, Derxia и др. Ассоциативная азотфиксация играет решающую роль в снабжении небобовых растений азотом. Продуктивность ассоциативной составляет порядка десятков кг N/га почвы/год, в то время как азотфиксация свободноживущих азотфиксаторов (в открытой почве) составляет порядка нескольких кг N/га почвы/год37.
Альбит не содержит в своём составе живых азотфиксаторов (хотя бактерии Bacillus и Pseudomonas, используемые для его производства, являются азотфиксаторами). Однако за счёт увеличения числа и активности азотфиксаторов, препарат, сам не содержащий живых бактерий, усиливает активность азотфиксации в ризосфере в начале вегетации на 10-20 %, что ведёт к дополнительному снабжению растений азотом.
В отличие от Альбита, применение химических пестицидов, как правило, приводит к снижению численности почвенных микроорганизмов38, а также к резкому понижению активности микробной азотфиксации39. Одно из важнейших преимуществ биопрепаратов, в частности Альбита, состоит в том, что они не угнетают естественную микрофлору почвы.
Помимо азотфиксации, в ризосфере также может проходить процесс денитрификации, который, наоборот, ведёт к потере доступного азота из почвы. Многие ризосферные бактерии в анаэробных условиях способны к использованию нитратов как конечного акцептора электронов при анаэробном дыхании (денитрификация, или диссимиляционная нитратредукция). Нитратное дыхание стоит на втором месте после кислородного по энергетическому выходу40. Ферменты ассимиляционной нитратредукции находятся в цитоплазме клетки, ферменты диссимиляционной нитратредукции – нитратредуктаза (Mo-Fe-S-белок), нитритредуктаза и редуктаза N2O локализованы на клеточной мембране41. При ассимиляции нитратов они восстанавливаются до аммиака по следующей схеме:
Восстановление нитратов при анаэробном дыхании происходит в следующей последовательности:
Восстановление NO3–, NO2– и N2O сопровождается получением энергии (нитратное и нитритное дыхание, дыхание закисью азота)42. Денитрификация приводит к возникновению различных газообразных форм азота (NO2, NO, N2O и N2), благодаря чему почвы теряют доступный азот. По различным данным, за вегетационный период из пахотной почвы выделяется в среднем около 75 кг азота/га, в том числе в виде N2O почва может терять 25-214 кг N/га43. Денитрификация имеет важное экологическое значение, поскольку ряд газообразных продуктов денитрификации (NO и N2O) играют большую роль в возникновении «парникового эффекта» и в разрушении озонового слоя Земли44. Азотфиксация и денитрификация могут одновременно протекать в одной и той же бактериальной клетке, причём нитратное дыхание является источником АТФ для азотфиксации. Для обоих процессов необходимы сходные условия (пониженное парциальное давление кислорода, наличие доступных субстратов для окисления и легкодоступных источников углерода45. Различные факторы способны усиливать способность почвенного микробного сообщества либо к азотфиксации, либо к денитрификации.
В опытах Кафедры биологии почв МГУ было установлено, что обработка Альбитом на 10-88 % в течение всей вегетации растений снижает активность денитрификации – микробного процесса, приводящего к потере азота из почвы (Таблица 2). Отмечено снижение как потенциальной, так и актуальной денитрификации46. Наряду с усилением азотфиксации, это приводит к значительному увеличению снабжения растений доступным азотом (глава Error: Reference source not found).
Таблица 2. Влияние препарата Альбит на денитрификацию в прикорневой зоне ячменя
(Кафедра Биологии почв МГУ, 1999)
Стадия развития растений
|
Вариант
|
Активность денитрификации, мкг N-N2O/г час
|
Потенциальная
|
Актуальная
|
Высев семян
|
Контроль
|
1,28 ± 0,11
|
0
|
Кущение
|
Контроль
|
8,91 ± 0,56
|
0,15 ± 0,04
|
Альбит
|
6,43 ± 0,49
|
0,08 ± 0,04
|
Трубкование
|
Контроль
|
9,19 ± 0,62
|
0,04 ± 0,02
|
Альбит
|
8,90 ± 0,37
|
0,03 ± 0,01
|
Молочная спелость
|
Контроль
|
7,59 ± 0,44
|
0,25 ± 0,02
|
Альбит
|
7,21 ± 0,39
|
0,23 ± 0,02
|
Таким образом, действуя «опосредованно», через почвенное микробное сообщество, Альбит благотворно влияет на растения, усиливает их минеральное питание, снижает угрозу атаки патогенов, уменьшает токсичность почвы. Действующее вещество Альбита, поли-бета-гидроксимасляная кислота, является основным естественным запасным веществом большинства почвенных бактерий. Этим обусловлена её способность стимулировать полезное сообщество микроорганизмов на корнях растений.
Данное свойство Альбита во многом обуславливает усиленное снабжение растений элементами питания (агрохимическая активность). Ростстимулирующий эффект препарата также, видимо, во многом проявляется благодаря увеличению численности и активности почвенных ростстимулирующих микроорганизмов. В свою очередь, защитное действие Альбита складывается из его иммунизирующего действия и снижения активности почвенных фитопатогенов через сукцессию сообщества почвенных микроорганизмов.
Достарыңызбен бөлісу: |
