92
92
Новосибирский государственный аграрный университет (г. Новосибирск, Россия)
Тенденции развития биотехнологии микробных средств защиты растений в России
М.В. Штерншис
Аннотации
Рассмотрены основные тенденции развития биотехнологии микробных средств защиты растений в историческом, научном и социальном аспектах. Обсуждены ключевые моменты разработки биопрепаратов для контроля численности насекомых-фитофагов и фитопатогенных организмов. Отмечены перспективы создания и применения биопрепаратов на основе природных штаммов микроорганизмов.
Ключевые слова: биотехнология; биопрепараты; микроорганизмы; бакуловирусы; средства защиты растений.
The article is devoted to formation and development of Russian research in microbial pesticides for pest insect and plant disease control. Historical, scientific and social aspects have been briefly reviewed. Great Russian microbiologist Elie Metchnikoff was the first who proposed to use natural entomopathogenic fungus Metarhizium anisopliae as a basis of microbial insecticide for plant protection. This discovery began the era of microbial pesticide biotechnology all over the world. In Russia, a new wave of interest to ecologically safe microbial pesticides has been arose in the middle of the XX century due to the organization of All-Russian (then All-Union) Institute for Plant Protection (SaintPetersburg). First of all, bacterial insecticides based on Bacillus thuringiensis (Bt) were developed, tested and registered for commercial use, including Dendrobacillin® (Bt subsp. dendrolimus) and Entobacterin® (Bt subsp. galleriae). Later, Lepidocid® based on Bt subsp. kurstaki and Bitoxibacillin® based on Bt subsp. thuringiensis were developed. Now these two microbial pesticides are widely used for plant protection in agriculture and forestry. Due to two bacterial toxins contained in Bitoxibacillin® it is active both for Lepidopteran and Coleopteran insects. Fungi causing insect diseases are also important for microbial control. In 1960-1980, Russian researchers developed the fungal insecticides based on Conidiobolus obscura and Conidiobolus thromboides, although these pesticides were not widely used. Microbial insecticides based on fungi of Beauveria and Lecanicillium genera are of more interest for plant protection, especially in greenhouses. Baculoviruses as the most ecologically safe natural agents of microbial insect control were actively studied by Russian scientists in the second half of the XX century. The viral insecticides based on nucleopolyhedroviruses of Mamestra brassicae, Lymantria dispar, Lymantria monacha and Neodiprion sertifer as well as based on granulovirus Cydia pomonella, Pieris brassicae, Pyrausta sticticalis, Agrotis segetum and Dendrolimus sibiricus were developed and registered in the 1970-1980. However, no Russian viral insecticides have been presented so far in Russian Catalogue of registered pesticides for commercial use. As to microbial pesticides for plant disease control, the first one based on Trichoderma viride was developed in Russia in the middle of the XX century. Later, bacterial pesticides based on Pseudomonas and Bacillus genera started to compete with fungal ones. The first bacterial preparations were Planriz® based on P. fluorescens and Bactophyt® based on B. subtilis. Together with other bacterial fungicides, such as Pseudobacterin-2® and Phytosporin®, these biotechnological products are widely used for plant disease control in Russia. The microbial pesticides are produced not only by large-scale factories but also by small firms and biological laboratories as well. The conception of small-scale regional biotechnological production proposed by research leaders and supported by the government at the end of the last century helped to intensify the use of microbial pesticides in agriculture. In order to improve the biotechnological products, the further research in selection of natural agents, their interaction with targets and the environment and formulations of microbial agents should be carried out.governmental and financial support could supply successful realization of Russian achievements concerning the biotechnology of microbial pesticides for plant protection in agriculture and forestry.
Key words: biotechnology; biopesticides; microorganisms; baculoviruses; plant protection.
Основное содержание исследования
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. Приоритет России в биотехнологии производства микробных средств защиты растений признается и современными зарубежными учеными [1]. Из-за недооценки ряда факторов и недостатка знаний производство и использование этого препарата в защите растений от фитофагов через несколько лет прекратилось. Интерес к исследованиям по энтомопатогенным биопрепаратам в России возрос в 40-е гг. ХХ в., а к 1960-м гг. разработаны отечественные бактериальные препараты на основе Bacillus thuringiensis (Bt) - "Дендробациллин" и "Энтобактерин", производство которых было освоено Бердским заводом биопрепаратов, в настоящее время - ПО "Сиббиофарм" (г. Бердск, Новосибирская обл.). 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) (ВИЗР, Санкт-Петербург), стал "Триходермин", а бактериальным - "Планриз" (первоначальное название "Ризоплан") (Институт генетики и цитологии АН Республики Беларусь) на основе Pseudomonas fluorescens.
Что касается разработки биопрепаратов как альтернативы химическим гербицидам, то в России они пока находятся на уровне исследований природных микробиологических агентов регуляции численности сорных растений, сосредоточенных во Всероссийском научно-исследовательском институте защиты растений (ВИЗР, г. Санкт-Петербург) [2].
Ключевыми вопросами биотехнологии микробных средств защиты растений от вредителей и болезней являются: выбор наиболее пригодных агентов биологической регуляции численности фитофагов и фитопатогенов, механизм их взаимодействия с вредными видами и окружающей средой, способы производства и форма препаратов, повышение эффективности использования в сельском и лесном хозяйстве. Отметим также, что основой этих препаратов являются как живые культуры микроорганизмов, так и продукты их метаболизма (токсины, ферменты и др.).
Энтомопатогенные препараты. Из энтомопатогенных биопрепаратов наиболее распространены бактериальные - на основе спор и токсинов энтомопатогенной бактерии Bt. Первый отечественный бактериальный инсектицид "Дендробациллин" разработан в 1953 г. профессором Иркутского государственного университета Е.В. Талалаевым. В 1949 г. в очаге массового размножения сибирского шелкопряда Е.В. Талалаев выделил бактерию Bt subsp. dendrolimus, которая послужила основой препарата. В ВИЗРе вскоре был разработан биопрепарат "Энтобактерин" на основе Bt subsp. galleriae, выделенной из гусениц пчелиной огневки. Позже в качестве хозяев разных подвидов Bt были выявлены насекомые не только отряда чешуекрылых, но и двукрылых, и жесткокрылых, что привело к разделению бактерии на патоварианты А, В, С и др. При этом каждый патовариант, активный только для определенного круга насекомых, отличался по форме белкового кристалла д-эндотоксина как основного действующего начала. Так, токсичный для гусениц кристалл имеет бипирамидальную форму, а токсичный для личинок жуков - характеризуется пластинчатой формой в виде квадратов, прямоугольников и ромбов.
Помимо упомянутых выше биопрепаратов "Энтобактерин" и "Дендробациллин", в России разработаны препараты "Лепидоцид" (ВНИИ "Биохиммашпроект", г. Москва) на основе Bt subsp. kurstaki и "Битоксибациллин" (БТБ) (создан во Всесоюзном институте сельскохозяйственной микробиологии) на основе Bt subsp. thuringiensis, которые используются в настоящее время в сельском и лесном хозяйствах. В соответствии с названием БТБ содержит наряду с белковым эндотоксином b-экзотоксин. Этот токсин нуклеотидной природы, как правило, продуцируется Bt subsp. thuringiensis. Содержание двух микробных токсинов в препарате расширяет спектр его действия.
Как основа грибных биопрепаратов важны представители энтомопатогенных грибов из отделов Zygomycota и Deuteromycota царства Fungi [3]. В России разработаны препараты на основе энтомофторовых грибов Conidiobolus obscura (ранее Entomophthora thaxteriana) и Conidiobolus thromboides (ранее E. pyriformis = E. virulenta) [4, 5], однако они не нашли широкого применения в защите растений. Большее значение в биотехнологии микробных средств защиты растений имеют энтомопатогенные грибы, входящие в отдел Deuteromycota. Большинство несовершенных грибов - паразитов членистоногих - относится к родам Beauveria, Isaria (бывший род Paecilomyces), Metarhizium, Lecanicillium (ранее Verticillium). На основе этих грибов созданы российские препараты "Боверин" [6] и "Вертициллин" [7], эффективные в защите тепличных культур от сосущих вредителей.
К категории микробных средств защиты растений относят также группу вирусных энтомопатогенных препаратов. Их основу составляют бакуловирусы как высокоспецифичные природные регуляторы численности насекомых. Род Baculovirus представлен группами А и В. В группу А входят вирусы ядерного полиэдроза (ВЯП) с ДНК-со дер жащим палочковидным вирионом. Вирионы располагаются в белковом матриксе так, что формируются многогранники, называемые полиэдрами. В группу В входят вирусы-возбудители гранулеза (ВГ), отличающиеся от ВЯП тем, что одиночный вирион помещен в белковую капсулу (гранулу).
Во второй половине ХХ в. российскими исследователями выделены и идентифицированы бакуловирусы ряда насекомых, в том числе ВЯП капустной совки, непарного шелкопряда, шелкопряда-монашенки, рыжего соснового пилильщика (РСП), а также ВГ яблонной плодожорки, капустной белянки, лугового мотылька, озимой совки, сибирского коконопряда [8, 9]. На их основе разработаны отечественные препараты под общим названием
"Вирины" ("Вирин-КС" против капустной совки, "Вирин-Диприон" против РСП, "Вирин-ГЯП" против яблонной плодожорки и др.). По ассортименту этих биопрепаратов Россия занимала лидирующее положение в мире. Однако в данный период нет ни одного зарегистрированного российского "Вирина", что отражает неблагоприятную тенденцию в биотехнологии вирусных энтомопатогенных препаратов, обладающих самой высокой степенью экологической безопасности.
Биопрепараты против болезней растений. Важная роль в подавлении развития болезней растений принадлежит грибам-антагонистам. Грибы обладают широким спектром антагонистических свойств - гиперпаразитизмом, конкуренцией за питательный субстрат, продуцируют антибиотики и другие вещества, угнетающие жизне деятельность фитопатогенов. Большинство грибов, используемых в биотехнологии средств защиты растений от болезней, относится к несовершенным грибам.
микробное средство защита растение
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, T. koningii, T. asperellum и др. [10, 11]. В последнее время препараты, содержащие грибы рода Trichoderma, зарегистрированы под названиями "Глиокладин" и "Стернифаг" (ВИЗР и ЗАО "Агробиотехнология, г. Москва). Круг грибных антагонистов, используемых для создания отечественных биопрепаратов в защите растений, расширяется. Разработаны препарат "Вермикулен" на основе Penicillium vemiculatum и "Хетомин" на основе грибов рода Chaetomium (ВНИИ масличных культур, г. Краснодар).
Конкуренцию грибным препаратам, контролирующим численность возбудителей болезней растений, составляют бактериальные. В основе использования 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 препараты против болезней растений более распространены, чем грибные. Их основой являются бактерии двух родов - Pseudomonas и Bacillus.
Сапрофитные псевдомонады, заселяющие ризосферу, являются естественными регуляторами фитопатогенных микроорганизмов: Pseudomonas fluorescens, P. putida, P. aureofaciens и другие виды. Данные неспорообразующие бактерии характеризуются быстрым ростом, продуцируют антибиотики, бак териоцины 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, пир ролнитрин и др. Синтезируемые псевдомонадами сидерофоры образуют стабильные комплексы с трехвалентным железом: связывая ионы трехвалентного железа в почве, сидерофоры лишают многие виды фитопатогенных грибов необходимого элемента питания, что приводит к остановке их развития.
На возможность использования бактерий р. Pseudomonas для подавления болезней растений обратили внимание еще в 1939 г. Е.Ф. Березова и А.Н. Наумова. Но только в конце 80-х гг. ХХ в.А.Н. Перебитюк (Институт генетики и цитологии АН Республики Беларусь) разработал биопрепарат "Планриз" на основе P. fluorescens штамма АР-33. Впоследствии российскими учеными, работающими в разных регионах России, включая Сибирь, созданы препараты на основе местных штаммов P. fluorescens и P. aureofaciens, например: "Псевдобактерин-2" (Институт биохимии и физиологии микроорганизмов РАН, г. Пущино, Московская обл.), "Агат-25-К" (ТОО "БИО-БИЗ и Ко, г. Москва), "Бинорам" (Институт генетики и цитологии СО РАН, г. Новосибирск), "БиоВайс" (ООО "Планта-Плюс", г. Томск) и др.
Из аэробных спорообразующих бактерий наибольшее значение как основа биопрепаратов против болезней растений имеет Bacillus subtilis. Бактерии B. subtilis являются наиболее продуктивными из рода Bacillus по синтезу антибиотиков, которые подавляют рост фитопатогенных микроорганизмов. Рядом российских авторов выделены разные штаммы культуры этой бактерии, подавляющие фитопатогенные микроорганизмы, что привело к созданию ассортимента биопрепаратов на основе B. subtilis. После первого зарегистрированного в России препарата "Бактофит" (ГНЦ прикладной микробиологии, пос. Оболенск, Московская обл.; ПО "Сиббиофарм") появились "Фитоспорин" (Башкортостан), а также "Алирин-Б" и "Гамаир" (ВИЗР).