Проблемы и перспективные биотехнологические решения профилактики пирикуляриоза в рисовых севооборотах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проблемы и перспективные биотехнологические решения профилактики пирикуляриоза в рисовых севооборотах

Рис - одна из важнейших сельскохозяйственных культур. Его зерном питаются более трёх миллионов человек [1]. Скученность и однотипность возделываемых растений агробиоценоза привели к возникновению новых и весьма благоприятных условий для питания, размножения и специализации в процессе филогенеза различных видов фитопатогенов и, в конечном счёте, к значительным изменениям в составе вредоносных грибковых болезней сельскохозяйственных культур. Грибы ? неотъемлемая часть биосферы нашей планеты и важный объект народно-хозяйственного значения. С одной стороны, грибы используются в пищу человеком и для изготовления лекарственных препаратов, а с другой - являются возбудителями заболеваний человека и животных, причиной аллергических реакций, потенциальными биологическими ядами, но наибольший ущерб наносят грибы как фитопатогены. В агротехнологической практике грибы могут выступать и как опасные вредители, и как средство решение защиты от фитопатогенов, а также способ повышения плодородия почвы.

Для поддержания пищевых потребностей непрерывно растущей глобальной популяции урожай риса должен удвоиться в следующие 40 лет, для чего необходимо максимально сократить потери. От 10% до 30% урожая риса ежегодно теряется из-за поражения пирикуляриозным грибом Magnaporthe oryzae (Herbert) Barr [1]. Помимо риса, данный патоген вирулентен для более восьмидесяти видов культурных и дикорастущих растений. В своём развитии M. oryzae проходит вегетативную стадию (Pyricularia oryzae Cav.), представленную мицелием и конидиями, и совершенную сумчатую стадию (Magnaporthe oryzae (Herbert) Barr), наличие которых привело к использованию двух названий для обозначения этого возбудителя [2]. Несмотря на мощное развитие агрохимической индустрии, возможности её далеко не беспредельны. Причём использование химических средств защиты растений приводит к химическому загрязнению окружающей среды (в частности загрязнению фунгицидами). Настоящее требует более тонкого и бережного подхода к использованию природных ресурсов, в том числе и в земледелии. Для этого, в соответствии с закономерностями развития агроэкосистем, должны измениться стратегия и тактика не только защиты растений, но и всей растениеводческой практики. Использование биотехнологических подходов к защите сельскохозяйственных растений позволяет получать безопасный продукт с меньшими затратами.

Биоконтроль - это альтернативный практический и экономический подход к борьбе с заболеваниями растений. В качестве альтернативы химическим средствам защиты биотехнология может предложить следующие решения: ускорение селекции устойчивых сортов с помощью MAS («маркерные технологии»); создание трансгенных, устойчивых к пирикуляриозу сортов риса; применение живых-форм антагонистов против грибных заболеваний; применение фунгицидов биологического происхождения; вытеснение Pyricularia oryzae из агроценоза, путём введения конкурентов или уничтожения источников заражения биологическими способами.

В практике молекулярной биотехнологии применяют несколько подходов к конструированию устойчивости риса к пирикуляриозу. Понимание того, будет ли такая устойчивость долговременной и эффективной в полевых условиях против разнообразных изолятов все ещё может появиться только после основательных исследований. Существующие трансгенные подходы можно классифицировать по пяти основным направлениям. Во-первых, подходы, которые используют компоненты путей иммунитета растения, например экспрессию доминантных специфичных к изоляту генов устойчивости риса, таких как Pi-ta и Pi-d2, или генов устойчивости широкого спектра действия, таких как Pi9. Во-вторых, сверхэкспрессию генов, связанных с защитной системой растения, таких как PR-хитиназы и b - 1,3 - глюконазы. В-третьих, усиление устойчивости к пирикуляриозу у трансгенного риса с недостаточным синтезом линоленовой кислоты. В-четвертых, высокая индуцируемая патогеном экспрессия ключевого гена биосинтеза жасминовой кислоты. В-пятых, усиление устойчивости к пирикуляриозу трансгенного риса со сверхэкспрессией фактора транскрипции WRKY45, который служит связующим звеном защитной сигнальной системы. В-шестых, подходы, использующие микробные гены, которые вызывают неспецифический защитную реакцию у риса, к примеру, трансгенный рис несущий гены белков бактериальных жгутиков Acidovorax avenae уменьшающий повреждение пирикуляриозом или экспрессирующий ген кодирующий белок гарпин из Xanthomonas oryzae pv. oryzae. В-седьмых применение прямой фунгицидной активности растительных и нерастительных трансгенов, которые придают устойчивость растениям только после патогенного стимула, например полученный из бабочки синтетический цекропин А или антимикробные пептиды [3].

Гораздо более изученной и широко используемой, в том числе в селекции устойчивого риса, является маркерная селекция. Использование маркеров - «сигналий», изменчивость которых связана с признаками, важными для селекционеров, началось еще с работ А.С. Серебровского (1926). Генетические маркёры (метчики, фактор идентификации), чётко фенотипически проявляющиеся менделирующие признаки, которые сопряжены с изменчивостью другого, качественного или количественного признака, применялись в селекции в случае, если изучаемый ген кодирует качественный признак с неполной пенетрантностью или сопряжён с количественным признаком, а также в случае неявного проявления гена. Отбирая в потомстве генотипы с маркёром, можно с определённой вероятностью ожидать, что они унаследуют признак, по которому ведётся селекция. Биотехнологические методы позволили перевести маркерную селекцию на качественно новый уровень и оценивать не весь комплекс химических субстанций, вплоть до веществ вторичного происхождения, а первичные продукты генов (белковый полиморфизм), а в настоящий момент, собственно, генетический материал клетки (полиморфизм ДНК). В настоящий момент, полное секвенирование генома возбудителя пирикуляриоза позволяет сопровождать селекцию, направленную на создание сортов, как с «вертикальной» (расоспецифической), так и с «горизонтальной» (нерасоспецифической) [4], [2], [5].

Современная маркерная селекция располагает следующими клонированными генами устойчивости (R генами): Pi-b, Pi-ta, Pi9, Pi2 (Piz-5), Piz-t, Pi-d2, Pi33², Pi36, Pi37, Pi-CO39 (t), Pi40, Pik^h, pi21. Эти гены позволяют создавать сорта как с расоспецифической, так и с нерасоспецифической устойчивостью. Хорошо изучены следующие гены авирулентности: AVR-Pita1 и / или AVR-Pita2, ACE1, AVR1-CO39 и PWL1/PWL2, что позволяет быстро и эффективно контролировать состояние популяции патогена, а также отбирать его авирулентные линии [6]. В отечественных селекционных организациях (ВНИИ риса, ВНИИЗК) ведётся программа создания отечественных сортов риса с высоким потенциалом урожайности и длительной устойчивостью к пирикуляриозу, предусматривающая объединение эффективных генов устойчивости к этому патогену. Например, в сорт Снежинка введены гены pi-ta, pi-b, pi-z, на сортоиспытании находятся аналог сортов Боярин и Вираж, несущий объединённые гены Pi-2 или Pi-1+Pi-33 в одном генотипе: (Pi-2 х Вираж) х (Pi-1+33 хБоярин) и сорт Магнат (Pi1 и Pi2) [4; 5; 7-9].

Современная биотехнология предлагает вместо синтетических пестицидов препараты биологического происхождения. Биопестициды лишены традиционных проблем, связанных с применением химических фунгицидов, которые являются ксенобиотиками, загрязняющими окружающую среду, сельскохозяйственную продукцию и представляющими опасность для здоровья человека и животных; способствуют возникновению резистентных к ним форм патогенов и вредителей. Биологические фунгициды могут быть продуктами метаболизма грибов, растений и бактерий.

Обширные исследования показали, что различные типы микробов потенциально способны заменить неорганические химические соединения (удобрения и пестициды), которые применяются на полях в широких масштабах.

Продуцирование вторичных метаболитов, таких как антибиотики, Fe-хелатные сиферофоры, и цианиды, чаще всего, бывают характерны для подавления роста грибов флуоресцентными псевдомонадами в ризосфере некоторых зерновых [10].

В качестве биофунгицидов, выделяемых из грибов, используются также препараты «непрямого действия» - ингибиторы биосинтеза стеринов в растительных тканях. Некоторые патогенные грибы (напр. оомицеты (сем. Phythiaceae)) не способны синтезировать необходимые для своего развития стерины и (или) их предшественники и получают стерины из растительных тканей, таким образом, нарушение синтеза фитостеринов приводит к нарушению жизненного цикла фитопатогенов. Статины - эффективные и высокоспецифичные ингибиторы стеринов, которые являются продуктами вторичного метаболизма грибов. Рядом авторов к применению предлагаются такие вещества, как компактен (продуцент Aspergillus terreus) и ловастатин (продуцент Penicillium citrinum (Thom)), обладающие широким спектром воздействия как на грибные патогены, так и на насекомые и вирусы [11], [12]. В целом использование веществ биологического происхождения является более безопасным для окружающей среды методом защиты растений от патогенов и вредителей, позволяющим преодолеть некоторые нежелательные последствия химического метода.

Известно, что некоторые из микробиологических агентов эффективны как биологическая защита от болезней растений. К ним относятся представители таких родов, как Bacillus, Bdellovibrio, Dactylella, Gliocladium, Penicillium, Pseudomonas, и Trichoderma [13], [14]. Большинство исследований антагонизма Bacillus проводились на B. subtilis и B. cereus, и реже на B. firmus [15]. Несколькими исследователями изучена биологическая борьба с пирикуляриозом риса с использованием живых форм антагонистов, к примеру, с использованием авирулентных изолятов M. oryzae [16], грибного патогена пшеницы и ячменя Bipolaris sorokiniana [17] и гриба Exserohilum monoceras [18]. Также показано подавление заражения M. oryzae грибным изолятом MKP5111B, выделенным из микрофлоры поверхности листа риса, предполагается, что эта индуцированная устойчивость обеспечит защиту от пирикуляриоза риса [19]. Ряд работ описывают применение антагонистических бактерий для борьбы с M. oryzae: штаммы Pseudomonas fluorescens, Bacillus polymyxa [20], Bacillus licheniformis [21]] и Streptomyces sp. PM5 [22] данные испытания проводились на проростках или в условиях теплицы. В полевых исследованиях подтверждена эффективность как живых форм, так и культуральной жидкости и лизата Staphylococcus sp. LZ16 [23].

Биологическая борьба с пирикуляриозом риса приоритетная, недорогая и экологически приемлемая технология, по сравнению с применением фунгицидов. Однако её эффективность ещё не доказана в широкомасштабных, длительных полевых испытаниях. Более того, уязвимость биологических агентов к флуктуациям окружающей среды ставят под угрозу ее эффективность. Успех биоконтроля может зависеть от подходящей рецептуры, так же как и от жизнеспособности микробиологических агентов. Окончательно перспективные биологические агенты должны быть оценены по их влиянию на заболевание на фоне местной флоры и с гарантией того, что распределение авирулентных штаммов не приведёт к вирулентным мутациям [3].

Таким образом, в Краснодарском крае, с точки зрения возможностей решений, наиболее близких к внедрению, способных повысить эффективность отрасли рисоводства улучшить фитосанитарную обстановку и экологическую безопасность рисовых севооборотов, следует выделить производство биопрепаратов на базе сформированных в регионе мощностей, в том числе за счёт малых инновационных предприятий Кубанского аграрного университета ООО «Экспериментальная биофабрика» и ООО «Биориджин». Эти производства и наличие аналитического оборудования для осуществления микробиологического мониторинга на базе кафедры биотехнологии, биохимии и биофизики КубГАУ, а также научного потенциала партнёрских научно-производственных структур могут явиться достаточно прочной основой для упрощения решения проблем профилактики грибных болезней при производстве экологически безопасного риса на Кубани.

Уже имеющиеся и планируемые научно-технические разработки помогут при решении поставленных задач наладить биодеструкцию рисовых пожнивных остатков (стерня и солома) грибами антагонистами возбудителя пирикуляриоза с выраженными ферментативными и фунгицидными свойствами. Кроме того, должно быть налажено производство и использование биоорганических удобрений на основе отходов растениеводства (кроме рисовых) и животноводства в форме биокомпоста, полученного на основе переработки этих отходов полезными штаммами грибов и бактериальных ассоциаций культур микроорганизмов, способных профилактировать патогенные грибные инфекции и повышать плодородие почвы.

Список литературы

пирикуляриоз рис биотехнологический

1. Мухина Ж.М. и др. Изучение биоразнообразия возбудителя пирикуляриоза риса молекулярно-генетическими методами // Труды кубанского государственного аграрного университета. 2008. №14. С. 112-114.

2. Мухина Ж.М. и др. Изучение биоразнообразия фитопатогенного гриба Magnaporthe grisea (Herbert) Barr с использованием методов молекулярного маркироания. Методические рекомендации Российская академия сельскохозяйственных наук всеросссийский научно-исследовательский институт р., 2007. Вып. Методическ.

3. Skamnioti P., Gurr S.J. Against the grain: safeguarding rice from rice blast disease. // Trends Biotechnol. 2009. Т. 27. №3. С. 141-50.

4. Костылев П.И. и др. Создание устойчивых к пирикуляриозу сортов риса с помощью ДНК-маркеров // №1. С. 26-28.

5. Костылев П.И. и др. Гриб Magnaporthe grisea - возбудитель пирикуляриоза риса и перенос генов устойчивости к нему методом маркерной селекции,» Ботаника и природное многообразие растительного мира С. 97-102.

6. Soubabere O. и др. Sequence characterized amplified region markers for the rice blast fungus, Magnaporthe grisea // Mol. Ecol. Notes. 2001. Т. 1, №1-2. С. 19-21.

7. Ковалев В.С. и др. Генотипирование российских сортов риса микросателлитными маркерами // №2. С. 32-35.

8. Зеленский Г.Л. Борьба с пирикуляриозом риса путём создания устойчивых сортов: монография. Вып. КубГАУ.

9. Зеленский Г.Л. Итоги 30-летней работы по селекции сортов риса, устойчивых к пирикуляриозу в России С. 427-440.

10. Howell C.R., Stipanovic R.D. Control of Rhizoctonia solani on Cotton Seedlings with Pseudomonas fluorescens and With an Antibiotic Produced by the Bacterium // Phytopathol. 1978. Т. 69. №5. С. 480-482.

11. Украинцева С.Н., Приданников М.В., Джавахия В.Г. Компактин - потенциальный биопестицид // №2. С. 64.

12. Джавахия В.Г., Петелина М.В. Влияние ловастатина на фитопатогенные грибы // Т. 4-6. С. 33-35.

13. Fravel D.R. Role of Antibiosis in the Biocontrol of Plant Diseases // Annu. Rev. Phytopathol. 1988. Т. 26. №1. С. 75-91.

14. Асатурова А.М. Физиологические признаки перспективных штаммов бактерий родов Bacillus и Pseudomonas - продуцентов микробиопрепаратов // Маслиничные культуры. Научно-технический бюллетень Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур. 2009. Т. 2. №141.

15. Suryadi Y. и др. Management of rice blast disease (Pyricularia oryzae) using formulated bacterial consortium // 2013. Т. 25. №5. С. 349-357.

16. Ashizawa T., Zenbayashi K., Sonoda R. Effects of preinoculation with an avirulent isolate of Pyricularia grisea on infection and development of leaf blast lesions caused by virulent isolates on near-isogenic lines of Sasanishiki rice // J. Gen. Plant Pathol. 2005. Т. 71. №5. С. 345-350.

17. Manandhar H.K. и др. Suppression of Rice Blast by Preinoculation with Avirulent Pyricularia oryzae and the Nonrice Pathogen Bipolaris sorokiniana. // Phytopathology. 1998. Т. 88. №7. С. 735-9.

18. Tsukamoto H. и др. Biological control of rice leaf blast with Exserohilum monoceras, a pathogen of Echinochloa species // Ann. Phytopathol. Soc. Jpn. 1999. Т. 65. С. 543-548.

19. Ohtaka N., Kawamata H., Narisawa K. Suppression of rice blast using freeze-killed mycelia of biocontrol fungal candidate MKP5111B // J. Gen. Plant Pathol. 2008. Т. 74. №2. С. 101-108.

20. Karthikeyan V., Gnanamanickam S.S. Biological control of Setaria blast (Magnaporthe grisea) with bacterial strains // Crop Prot. 2008. Т. 27. №2. С. 263-267.

21. Tendulkar S.R. и др. Isolation, purification and characterization of an antifungal molecule produced by Bacillus licheniformis {BC98}, and its effect on phytopathogen Magnaporthe grisea // J. Appl. Microbiol. 2007. Т. 103. №6. С. 2331-2339.

22. Prabavathy V.R., Mathivanan N., Murugesan K. Control of blast and sheath blight diseases of rice using antifungal metabolites produced by Streptomyces sp. PM5 // Biol. Control. 2006. Т. 39. №3. С. 313-319.

23. Yu Q. и др. Characterization and evaluation of Staphylococcus sp. strain LZ16 for the biological control of rice blast caused by Magnaporthe oryzae // Biol. Control. 2013. Т. 65. №3. С. 338-347.

Размещено на Allbest.ru