Биотехнология на страже урожая

Биотехнология на страже урожая

Содержание

Введение

Биотехнология на страже урожая

Биотехнологические аспекты борьбы с возбудителями болезней растений

Биотехнологические аспекты борьбы с вредными насекомыми

Получение растений-регенерантов, устойчивых к абиотическим и биотическим стрессовым факторам методами клеточной инжене­рии

Получение растений-регенерантов, устойчивых к абиотическим и биотическим стрессовым факторам методами клеточной инжене­рии

Список литературы

Введение

Важнейшее место биотехнологии и биоинженерии принадлежит в со­временной селекции растений на устойчивость и качество продукции, создание нового поколения сортовых ресурсов страны и мира. Основные исследования биотехнологов направлены на создание улучшенных и принципиально новых генотипов сельскохозяйственных растений, обла­дающих единичной, групповой или комплексной устойчивостью к биоти­ческим или абиотическим стрессовым факторам среды при сохранении и повышении их продуктивности и качества. Эпифитотийный характер распространения наиболее опасных грибковых, вирусных и бактериаль­ных заболеваний культурных растений, уничтожающих до 30 % (а ино­гда и более) урожая, создали в России и ряде других стран мира ситуа­цию, при которой потребность в обновлении сортовых ресурсов сельскохозяйственных культур на основе сочетания традиционных методов се­лекции и новых методов биотехнологии стала исключительно острой.

Биотехнология на страже урожая

В настоящее время значительная часть урожая сельскохозяйствен­ных растений — около 30% — гибнет от вредителей и болезней. Усилия специалистов в области Защиты растений — отрасли сель­скохозяйственной науки, разрабатывающей методы и приемы борьбы-с болезнями, вредителями и сорняками культурных расте­ний — пока не дают желаемых результатов. В связи с этим необ­ходимо искать принципиально новые подходы к решению чрезвы­чайно актуальной проблемы защиты растений. И здесь на помощь человеку приходит биотехнология. Так, например, использование метода культуры изолированных органов и тканей растений позво­ляет получать в большом количестве оздоровленный (безвирус­ный) посадочный материал.

Развитие биотехнологии позволило совершенно по-новому оценить методы, используемые для защиты растений. Так, напри­мер, в свете достижений биотехнологии стало очевидным, что мы явно недооцениваем возможности биологического метода борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений и, напротив, переоцениваем роль химического метода. Именно бла­годаря развитию биотехнологии стало возможным создание про­мышленности инсектицидных вирусов, их производство и культи­вирование в клетках животных.

Как известно, под биологическим методом защиты растений понимают использование живых организмов или продуктов их жизнедеятельности для предотвращали я или снижения ущерба, причиняемого вредными организмами. Идея биологического ме­тода борьбы с. вредителями растений была выдвинута еще в конце прошлого века, но не получила интенсивного развития отчасти потому, что в те времена более перспективным казался химический метод. Создание в середине XX столетия мощной промышленности по производству разнообразных пестицидов вселяло уверенность в том, что проблема защиты растений будет наконец-то решена. Однако довольно скоро стало ясно, что эти надежды иллюзорны. Дело в том, что с увеличением масштабов применения и" рас­ширения спектра ядохимикатов происходит рост числа устойчивых к ним насекомых. Кроме того, химические препараты действуют, как правило, нецеленаправленно. Они убивают не только вредных, но и полезных насекомых, в том числе тех, которые, являясь ес­тественными врагами вредителей, надежно помогают человеку в его борьбе за спасение урожая. В силу этого обстоятельства оставшиеся после химической атаки в живых вредители и бывшие до того нейтральными виды насекомых получают возможность для беспрепятственного размножения, причем нейтральные виды не­редко становятся вредными для человека. Следует отметить также, что пестициды являются токсичными веществами для животных и человека. Многие из них длительное время сохраняются в при­родной среде, приводя к существенному ее загрязнению. Наиболее опасными для человека являются пестициды хлорорганической природы, способные длительно, -до. десяти лет, сохраняться в почве и накапливаться в организме животных в жировой ткани. По дан­ным Всемирной Организации Здравоохранения, ежегодно в мире около полумиллиона людей заболевает, а свыше пяти тысяч умирает в результате отравления пестицидами.

Благодаря усилиям ученых разных стран токсичность пести­цидов за последние годы существенно снижена. При соответствую­щем подборе ассортимента препаратов, при их правильном чере­довании нежелательные концентрации пестицидов в окружающей среде резко уменьшаются. Созданы препараты, которые быстро и без образования вредного остатка разлагаются в почве.

И, тем не менее, производство и использование в сельском хо­зяйстве пестицидов имеет ряд серьезных недостатков. Согласно статистике, только один из десяти тысяч синтезированных пре­паратов становится достоянием практики.

Недостатки химического метода борьбы с вредителями и воз­будителями болезней растений заставили исследователей обратить более пристальное, внимание на биологический метод. Интерес к нему резко возрос в связи с достижениями в области биотехно­логии. Следует четко разграничить сферы интересов специалистов в области биотехнологии и биологической защиты растений. Био­технология занимается разработкой технологических процессов, обеспечивающих производство вирусов, бактерий, грибов, простей­ших и насекомых, а также биологически активных веществ живых организмов (антибиотиков, гормонов, феромонов и др.), предназ­наченных для борьбы с возбудителями болезней, вредителями сельского хозяйства и сорной растительностью. Таким образом, если специалиста в области биологической защиты растений ин­тересует проблема использования соответствующих средств, то биотехнолога прежде всего волнующ вопросы организации их производства, И здесь уместно отметить, что выращивание бак­терий и грибов для целей защиты растений, принципиально не отличается от культивирования их для получения различных веществ, например антибиотиков. Вместе с тем биотехнология и генетическая инженерия существенным образом расширяют воз­можности эффективного использования биологических средств защиты растений.

Биотехнологические аспекты борьбы с возбудителями болезней растений

Вирусы вызывают около 300 различных болезней сель­скохозяйственных культур. По сравнению с фитопатогенными грибами и бактериями это не так уж много; количество грибов и бактерий, наносящих вред растениеводству, приблизительно в 100 раз больше. Однако вредоносность вирусных болезней в ряде случаев не только не уступает грибным или бактериальным, но и превосходит их. Больные растения изменяют свой внешний вид, дают низкий и худшего качества урожай.

Борьба с вирусной инфекцией осложняется тем, что вирусы являются облигатными паразитами растительной или животной клетки. Уничтожение их сопровождается гибелью самой клетки. Поскольку вылечить растения, пораженные вирусами, практически невозможно, мероприятия по борьбе с ними носят главным образом профилактический характер, они призваны препятствовать воз­никновению болезни и ее распространению.

Прекрасные перспективы оздоровления посадочного мате­риала, освобождения его от вирусной инфекции открывает метод культуры изолированных тканей и органов. Еще в 1934 г. осново­положник метода культуры тканей растений Ф. Уайт указал на отсутствие вирусов в кончиках корней растений, зараженных ви­русом табачной мозаики. Подобные результаты были получены также другими авторами. Основываясь на этих фактах, ученые из Национального агрономического института (Франция) пред­ложили метод получения оздоровленного посадочного материала георгин из культивируемой на питательной среде меристемы. Из апикальной меристемы этих растений они вырастили взрослые особи, которые были свободны от вирусной инфекции. Сорт кар­тофеля Бель де фонтене, который практически исчез в результате заражения вирусами, был возрожден из здоровой меристемы, изолированной из зараженного растения и культивируемой на искусственной питательной среде. Исследования французских ученых явились основополагающими в проведении работ, целью которых было получение здорового посадочного материала.

Процесс получения свободных от инфекции растений можно разделить на три этапа:

—определение зараженности оздоравливаемого образца с по­мощью растений — индикаторов присутствия вирусов;

—термотерапия и культивирование меристемы;

—проверка регенерируемых из меристемы растений на отсут­ствие вирусов и размножение растений в условиях изо­ляции.

Обычно для эффективного освобождения от вирусов исполь­зуются эксплантаты меристем размером 0,1—0,2 мм. Однако, чем меньше размер эксплантата, тем труднее он приживается и реге­нерирует в целое растение. Для получения меристемы картофеля используют или образовавшиеся на клубнях световые ростки, или верхушки побегов целых растений. Перед взятием эксплан­татов концы побегов стерилизуют в растворе гипохлорита кальция, а затем несколько раз промывают стерильной водой.

Освобождению от вирусов способствует термическая обработка эксплантатов. Установлено, что при температуре порядка 30—40° происходит снижение концентрации вирусов, особенно в растущих частях растений. Этот прием позволяет использовать более круп­ные эксплантаты, которые легче приживаются.

Изолированный кусочек ткани переносится затем на поверх­ность агаровой питательной среды, налитой в количестве 3—4 мл в пробирку, которую сразу же закрывают ватной пробкой. Фран­цузским ученым Ж. Морелем был предложен состав питательной среды для укоренения эксплантатов картофеля. Эта питательная среда отличается от других питательных сред* предназначенных для той же цели, тем, что содержит больше ионов калия и аммония, а в качестве стимулятора роста добавлен гиббереллин.

Пробирки с меристемами помещают в светлое помещение с температурой 25°С. Через каждые двадцать-тридцать дней в отдельных пробирках меристемы дают побеги. Побег длиной 3—4 см режут на фрагменты в 0,5—1,0 см, каждый из которых должен иметь листочек и пазушную почку и пересаживается на питательную среду того же состава для укоренения. Затем рас­тения переносят в почву.

Метод культуры тканей как средство радикального избавления от вирусов в настоящее время довольно широко применяется в мировой практике картофелеводства, поскольку именно карто­фель, будучи вегетативно размножаемой культурой, в значи­тельной степени подвергается вредоносному воздействию вирусной инфекции. Распространяясь по всему растению, вирусы попадают в клубни и стебли, заражают потомство и из года в год снижают выход продукции, ухудшают ее качество. Из-за поражения ви­русами многие ценные сорта картофеля сняты с производства. Для восстановления сорта приходится отыскивать единичные клоны, свободные от вирусной инфекции. Однако довольно часто ценные сорта бывают поражены вирусами на 100%. В этом случае только метод культуры меристем может способствовать восста­новлению сорта.

Разработанный физиологами растений метод оздоровления посадочного материала внедряется не только в картофелеводстве, но и при возделывании земляники, малины, плодовых культур, декоративных растений. Во Франции культура меристем нашла широкое применение для оздоровления георгин, гвоздик, орхидей. В ряде стран оздоровленный методом культуры меристем посадоч­ный материал стал предметом экспорта. В ВНР с 1980 г. действует специальное агропромышленное объединение, получающее методами клонального микроразмножения безвирусную рассаду овощных, плодовых и ягодных культур. В 1983 г. выращено 5 млн. штук стерильной рассады. Применение ее (по некоторым-оценкам) позволит Венгрии получить сорта винограда, в течение, двадцати лет не подверженные заболеваниям, удвоить урожай картофеля, в 20 раз повысить урожайность ежевики. Культура тканей — эффективный и самостоятельный метод оздоровления. Он годится для всех вирусов и поражаемых ими культур.   

Наряду с методом культуры тканей в избавлении растений, от вирусов имеют значение и методы генетической инженерии. Так, например, клонирование нуклеиновых кислот позволяет выяв­лять присутствие в растительной ткани вирусов и выбраковывать зараженные растения. Ученые из исследовательской сельскохозяй­ственной службы министерства сельского хозяйства США выде­лили РНК вироида веретеновидности клубней картофеля, синте­зировали при помощи обратной транскриптазы соответствующую ей ДНК-копию и клонировали ее. Избавиться от этого вироида нелегко, а его идентификация в клубнях картофеля позволяет выбраковывать зараженный посадочный материал. Использование только здоровых клубней ведет к значительному повышению "урожая. Таким образом, клонированная ДНК позволяет точно и надежно обнаруживать вирусы и вироиды, она способна к гибри­дизации с вирусной РНК.

В естественной обстановку встречается немало случаев, когда на фитопатогенных грибах — возбудителях болезней растений — развиваются и ведут паразитический образ жизни другие грибы. Такие паразитические грибы, развивающиеся на других грибах-паразитах, получили название паразитов второго порядка (гипер­паразитов). Если первичный паразит является возбудителем какого-то заболевания, то вторичный паразит может быть исполь­зован для борьбы с этим заболеванием. Задачей биотехнологии является разработка процессов производства микробиологических препаратов, предназначенных для борьбы с фитопатогенными грибами в условиях открытого и закрытого грунта.

Важное место в защите растений от возбудителей болезней принадлежит вырабатываемым микроорганизмами антибиоти­ческим веществам которые возникли в ходе эволюции как мощное средство борьбы микроорганизмов друг с другом. Использование некоторых антибиотиков для борьбы с болезнями растений ознаме­новало собой начало эры биотехнологического производства раз­личных агрохимикатов, среди которых следует отметить гербициды микробного происхождения, аттрактанты, экдизоны, фитогормоны и другие вещества, получаемые из живых организмов непред­назначенные для использования в сельском хозяйстве.

Антибиотики в качестве средства борьбы с фитопатогенными микроорганизмами обладают рядом преимуществ по сравнению с другими используемыми для той же цели веществами. Они легко проникают в органы и ткани растений, поэтому их. действие в мень­шей степени зависит от неблагоприятных факторов среды. Осо­бенно быстро проникают в растения антибиотики нейтральной природы (хлорамфеникол, пенициллин), медленнее — амфотерные (хлортетрациклин, окситетрациклин) и антибиотики-основания (неомицин, стрептомицин). По сравнению с животными тканями растительные ткани инактивируют антибиотики значительно мед­леннее. Таким образом, быстрое проникновение антибиотиков в ткани растений и интенсивное перемещение их по органами при сравнительно медленном разрушении позволяет создавать опре­деленные насыщения антибиотиками, необходимые для подавле­ния фитопатогенной микрофлоры. Исследования ученых показы­вают, что в тканях растений биологическая активность антибиоти­ков, проявляется значительно сильнее, чем в животных тканях. Большинство фитопатогенных грибов и бактерий можно успешно подавить в растениях с их помощью.

Кроме того, антибиотики, используемые для подавления фито­патогенных бактерий и грибов, нетоксичны для растений и питаю­щихся ими животных. В некоторых случаях они даже стимулируют рост и развитие растений, что способствует повышению их уро­жайности.

Попадая в почву или водоемы, антибиотики довольно быстро разрушаются. Этим они существенно отличаются от синтетических препаратов, применяемых в сельском хозяйстве. Ученые объяс­няют быструю" деградацию антибиотиков в окружающей среде тем, что их синтез осуществляется при участии ферментных систем. С помощью же ферментов происходит и разрушение антибиоти­ков. Соединения, синтезированные химическим путем, часто мед­ленно разрушаются в природной среде из-за отсутствия микро­организмов соответствующих ферментов. Интерес к использова­нию антибиотиков в растениеводстве резко возрос после того, как стали очевидными неблагоприятные последствия использования в этой же сфере ядохимикатов, которые наряду с подавлением фитопатогенных микроорганизмов отравляют полезные виды животных, питающихся обработанными растениями. Попадая из почвы в водоемы, ядохимикаты вызывают массовое отравление рыбы и других представителей водной фауны. Все это, в конечном счете, оказывает неблагоприятное воздействие на человека.

Впервые антибиотики в качестве средства борьбы с болезнями растений были применены в некоторых европейских странах и в США. Стрептомицин в комбинации с тетрациклином был исполь­зован против бактериальных заболеваний овощных и плодовых культур. Позднее с той же целью стали употреблять циклогексимид и гризеофульвин. В зарубежных странах для защиты растений от болезней и сейчас нередко используют антибиотики медицин­ского назначения (стрептомицин, террамицин, тетрациклин и др.). Так, например, препарат агристеп представляет собой 37%-ный сульфат стрептомицина, фитомицин — 20%-ный нитрат стрепто­мицина, агримицин-100 — 15%-ная смесь стрептомицина с окситетрациклином в соотношении 10:1 и т.д.

Следует, однако, иметь в виду, что многие болезнетворные для человека микроорганизмы присутствуют в почве или на поверх­ности растений. Обработка растений антибиотиками медицинского предназначения может способствовать отбору устойчивых к ним болезнетворных для человека микроорганизмов, что в конце концов приведет к падению эффективности медицинских анти­биотиков. Поэтому в последние годы усилились поиски антибиоти­ков, специально предназначенных для борьбы с болезнями растений. Наиболее широко и успешно такие поиски ведутся в Японии, где за последние 15 лет создано крупнотоннажное производство более десяти наименований препаратов — бластицидин, касугамин, полиоксины, валидамицин, целлоцидин, тетранактин.

Интересно то обстоятельство, что изучение и освоение препара­тов промышленностью Японии осуществляется очень быстро. Так, например, первый антибиотик для сельского хозяйства бластицидин-S, отобранный для борьбы с пирикуляриозом риса, был выделен в 1958 г., зарегистрирован в 1961 г., а уже в 1962 г. производство его составило 3,7 тыс. т. Спустя три года выпуск этого антибиотика увеличился в 5 раз. Общий объем антибиотиков, предназначенных для защиты растений, в 1977 г. превысил 100 тыс. т. Различные японские фирмы начали выпускать комбини­рованные препараты, содержащие антибиотики и синтетические фунгициды. Такие препараты имеют более широкий спектр действия и применяются для борьбы с комплексом болезней и вредителей. Антибиотики японского производства нашли широкое применение во многих странах мира: Канаде, Нидерландах, Австрии, Румынии, Польше, Египте, Пакистане, на Филиппинах и др.

Поиски антибиотиков для защиты растений ведутся и в ряде других стран. В США запатентованы антибиотики, эффективный против мучнистой росы, увядания томатов и других болезней. В Индии изготовляется и применяется в производственных масштабах антибиотический препарат ауреофунгии. В Бельгии запатентован никомицин, эффективный против бактериальных и грибных болезней растений.

В СССР использование медицинских антибиотиков для борьбы с заболеваниями растений запрещено. В различных учреждениях страны начиная с 50-х годов ведутся поиски немедицинских антибиотиков для защиты растений от болезней. В результате проведенных исследований выделены, изучены, испытаны и реко­мендованы для применения в сельском хозяйстве антибиотики фитобактериомицин и трихотецин.

Фитобактериомицин — антибиотик из группы стрептотрицинов, обладающий широким спектром бактерицидного и фунгицидного действия. Его получают с помощью актиномицета Actinomyces lavendulae, выделенного из почв Крыма. На основе фитобактериомицина разработано несколько товарных форм препарата: 2—5%-ный дуст фитобактериомицина, фитолавин-100, предназна­ченные для обработки семян, 10%-ный смачивающийся поро­шок — для опрыскивания растений. Дусты фитобактериомицина прошли государственные испытания и рекомендованы для произ­водственного применения в борьбе с бактериозом сои (2 %-ный дуст), бактериозом фасоли, корневой гнилью пшеницы и ячменя (5 %-ный дуст), полеганием сеянцев сосны и ели (1 %-ный дуст). Препараты применяют для предпосевной обработки семян из расчета 2—3 кг/т. Предпосевные обработки семян фасоли способст­вуют снижению поражаемости растений бактериозом на 70 % и дают прибавку урожая в 1,5—3 ц/га.

Получены данные, свидетельствующие об эффективности фитобактериомицина в борьбе с гоммозом хлопчатника, фузариозным увяданием бобовых, вертициллезным увяданием перца, антракнозом смородины, пятнистостью люцерны. Это говорит о том, что спектр эффективного применения препарата фитобакте­риомицина может быть расширен.

Наряду с изучением эффективности применения препаратов фитобактериомицина во ВНИИбакпрепарат разработана техноло­гия их промышленного производства. Освоено опытно-промышлен­ное производство дустов фитобактериомицина. Внедрение технологических разработок позволило значительно снизить себестоимость выпускаемых препаратов, повысить эффективность их применения.

Фитолавин-100 представляет собой активное вещество фито­бактериомицина. Его используют для предпосевного опудривания семян пшеницы и ячменя с целью профилактики корневой гнили, а также против бактериозов сои.

Трихотецин — антибиотик, имеющий широкий спектр функцио­нального действия. Его получают из гриба трихотециума розового (Trichothecium roseum). Этот некротрофный микроорганизм обитает нередко как сапрофит на растительных остатках. Вместе с тем он часто встречается как гиперпаразит на многих фитопатогенных грибах. Способность трихотециума паразитировать на грибах тесно связана с образованием им противогрибкового антибиотика трихотецина. Этот антибиотик убивает гифы грибов, и трихотециум розовый заселяет их, получая из убитых клеток питательные вещества.

Трихотецин выпускается в виде 10 %-ного смачивающегося порошка и 10%-ного дуста. Он применяется путем опрыскивания растений при первых признаках болезни, замачивания и опудрива­ния семян. Трихотецин эффективен при мучнистой росе огурцов в закрытом и открытом грунте, мучнистой росе табака, оидиуме винограда, мониальном ожоге косточковых плодовых деревьев, парше яблони. Опудривание семян пшеницы и ячменя снижает поражаемость растений корневыми гнилями. Успешное внедрение в растениеводство первых отечественных антибиотиков побуждает более энергично вести поиски новых препаратов немедицинского профиля, активных в отношении бактериальных, грибных и вирусных болезней растений.

Страницы: 1, 2, 3