Биотехнология на страже урожая

Явление антагонизма микроорганизмов было известно давно. В 20-х годах, задолго до открытия антибиотиков, оно использовалось для борьбы с фитопатогенной флорой. Положительные результаты были получены при применении некоторых актиномицетов и миколитических бактерий в борьбе с болезнями льна,, сеянцев сосны, хлопчатника, овощных культур, садовых косточко­вых пород и др. Микробы-антагонисты могут быть использованы для общего оздоровления почвы.

После открытия антибиотиков для борьбы с заболеваниями растений, как правило, стали использовать не сами микроорга­низмы, а продуцируемые ими вещества. Однако и сейчас в ряде стран выпускаются препараты, содержащие микроорганизмы, которые оказывают губительное действие на возбудителей болез­ней растений, причем произошло разделение сферы применения антибиотиков и микроорганизмов-антагонистов.

Для борьбы с семенной инфекцией и для обработки пораженных вегетирующих растений используют антибиотические вещества, тогда как для борьбы с почвенной инфекцией, сохраняющейся на растительных остатках, применяют микробы-антагонисты в виде чистых культур или компостов для обогащения почвы. Дело в том, что эффектив­ность внесения антибиотиков в почву, как уже отмечалось, невелика из-за быстрого разрушения их почвенными микроорга­низмами. В качестве антагонистов могут выступать бактерии, грибы, вирусы.

Из грибов-антагонистов широко используются представители рода триходерма (Trichoderma). В Великобритании, Франции, Швеции, Австралии триходерму применяют для борьбы с млечным блеском плодовых культур. В США разработаны способы выращи­вания и внесения в почву триходермы для борьбы со склеротинией на арахисе и некоторыми другими заболеваниями.

Во Франции получен положительный эффект в борьбе с серой гнилью винограда при опрыскивании растений препаратами триходермы. В Израиле создан препарат, используемый против ризоктониоза картофеля и других возбудителей болезней.

Препарат триходермин получают на основе культивирования гриба на различных растительных отходах и других субстратах (хлебном мякише, соломенной резке, отходах зернового хозяйства, торфе).

Он используется для подавления в почве возбудителей болезней льна, корневых гнилей, вертициллезного увядания хлоп­чатника и других болезней сельскохозяйственных растений

Триходерма зеленая (Trichoderma viride), употребляемая для изготовления этого препарата, продуцирует два антибиотика: глиотоксин и виридин, обладающие антибактериальными и анти­грибковыми свойствами.

Триходермин получают также методом глубинного культивиро­вания. Опыты показали, что предпосевная обработка семян пшеницы триходермином из расчета 4 г/кг снижает поражаемость растений на протяжении всего периода вегетации на 54—71% и увеличи­вает урожай на 2 ц/га. Внесение триходермина в торфоперегной­ные горшочки в количестве 50 мг снижает поражаемость огурцов корневыми гнилями на 60 % и увеличивает урожай на 31—74 %.

Биотехнология и генетическая инженерия открывают новые широкие возможности в деле создания форм микроорганизмов, губительно влияющих на возбудителей болезней растений, отличающихся высокой эффективностью и безвредностью для человека и полезных животных.

Биотехнологические аспекты борьбы с вредными насекомыми

В настоящее время все большее распространение получает микробиологический метод борьбы с вредными насекомыми. С этой целью используются вирусы, бактерии, грибы и простейшие животные. С их помощью среди насекомых искусственно вызывают быстро распространяющиеся заболевания.

Основоположником микробиологического метода борьбы с вредными насекомыми является великий французский микробио­лог Луи Пастер. В 1874 г. он предложил использовать энтомопатогенные бактерии для борьбы с опасным вредителем винограда филлоксерой. Через пять лет русский ученый И. И. Мечников применил гриб — возбудитель зеленой мускардины для уничтоже­ния хлебного жука. Большой вклад в разработку микробиологиче­ского метода борьбы с вредными насекомыми внес канадский исследователь Ф. д'Эррель. Им были выделены культуры неспороносной бактерии и использованы для борьбы с саранчой в некоторых странах Южной Америки и Северной Африки. Боль­шое количество энтомопатогенных форм спорообразующих бакте­рий было выявлено и изучено в 1922—1942 гг. советскими учеными. Некоторые из этих форм бактерий стали использоваться в производстве инсектицидных препаратов, уничтожающих вреди­телей кукурузы, винограда и хлопчатника. В 1959—1960 гг. в СССР, США, Франции было организовано промышленное производство специальных бактериальных инсектицидов, содержа­щих споры Bacillus thuringiensis. В настоящее время микробные препараты заняли прочное место среди средств защиты растений от вредителей.

Микробиологические препараты нередко используются в ком­бинации с сублетальными дозировками химических инсектицидов. Сублетальные концентрации пестицидов не столь опасны для человека, как обычные дозы. Вместе с тем они ослабляют защитные силы вредных насекомых, делают их более восприимчи­выми по отношению к инфекции.

Следует подчеркнуть, что использование микробных препара­тов для борьбы с вредными насекомыми не представляет опасности для человека, поскольку возбудители болезней насекомых обладают высокой степенью специфичности. Кроме того, как правило, они не накапливаются в окружающей среде. Вместе с тем микробные инсектициды действуют медленнее, чем химические препараты и их эффективность в значительной степени зависит от условий среды. Кроме того, их следует вносить достаточно часто, чтобы препарат действовал на протяжении длительного времени. Причина этого недостатка — в высокой степени специализации энтомопатогенных микроорганизмов: гибель вредных насекомых влечет за собой отмирание самих микроорганизмов. Последний недостаток микробных инсектицидов может быть устранен с помощью методов генетической инженерии. Можно, например, ввести ген, обеспечивающий синтез токсических веществ в широко распространенные сапрофитные, обитающие на растениях бактерии. В этом случае колебания в численности вредных насекомых не будут отражаться на численности инсектицидных бактерий.

Вирусные болезни очень широко распространены среди насе­комых. В связи с этим вирусные инсектициды являются эффектив­ным средством защиты лесных насаждений и сельскохозяйственных культур от вредных насекомых. В России производятся вирус­ные инсектициды, предназначенные для борьбы с наиболее опасными вредителями сельского и лесного хозяйства: капустной, озимой и хлопковой совкой, непарным и кольчатым шелкопрядами, американской белой бабочкой, рыжим сосновым пилильщиком и яблонной плодожоркой.

Основным препятствием на пути широкого внедрения в прак­тику вирусных препаратов является трудность культивирования вирусов как облигатных паразитов. Характерной особенностью их производства является размножение вирусов в живых клетках. Для получения вирусных инсектицидов используются соответст­вующие насекомые-вредители. Но насекомые, предназначенные для размножения вирусов, отнюдь не являются стерильными, они населены разнообразной микрофлорой, в том числе и вирусами. В связи с этим при производстве вирусных инсектицидов необхо­дим строгий и постоянный контроль их, качества. Присутствие  в насекомых посторонней микрофлоры приводит к снижению качества препаратов. Кроме того, в процессе производства этих препаратов приходится заражать вирусом большое количество насекомых, а затем извлекать его из массы погибших личинок. Все это сказывается на стоимости и качестве препарата.

В связи с отмеченными трудностями ученые задались целью выяснить, нельзя ли использовать для производства вирусов метод культуры клеток животных. Ведь преимущества этого метода очевидны: клетки могут быть избавлены от посторонней микро­флоры, они однородны, размножаются стабильно.

Первые попытки культивирования клеток насекомых были предприняты в начале XX в. Однако длительное время среди ученых было распространено мнение, что выращивание клеток беспозвоночных в культуре не имеет практического значения. По этой причине исследования в области культуры клеток насекомых велись недостаточно активно. Интенсивные исследова­ния проблемы начались в 60-х годах, когда Т. Д. Грейс получил первые четыре перевиваемые линии из тканей яичников эвкалипто­вого шелкопряда. В 1976 г. уже насчитывалось более 120 пере­виваемых линий клеток насекомых, а к 1983 г. их количество превысило 200.

Для получения клеточных линий используют первичные культуры эмбрионов, гомоцитов, яичников, имагинальных дисков, жировых тел, мацерированных личинок, куколок или имаго. Доказано, что личинки и куколки насекомых — лучшие источники получения культивируемых клеток. Методика получения первичных культур клеток насекомых достаточно отработана. Она включает следующие этапы:

—стерилизация поверхности насекомых и подлежащих куль­тивированию тканей;

—диссоциация клеток;

—пересадка их на питательную среду.

Срок жизни первичных клеточных культур ограничен. Через определенное время культура стареет, что проявляется в грануля­ции цитоплазмы, сморщивании и округлении клеток, потери связей между клетками и твердым субстратом. Усилия вирусологов направлены на получение стабильных клеточных линий, т. е. клеток, способных культивироваться на искусственных питатель­ных средах до бесконечности. В настоящее время получены стабильные (перевиваемые) клеточные линии таких важных вредителей сельского и лесного хозяйства, как непарный шелко­пряд, капустная металловидка, хлопковая и табачная совка и др.

Для нужд медицины и здравоохранения разработано заводское оборудование для массового производства клеток позвоночных животных in vitro. Эта технология, по мнению специалистов, может быть использована с небольшими модификациями и для культи­вирования клеток насекомых.

В настоящее время выпускается несколько препаратов, содержащих энтомопатогенные вирусы. Это прежде всего ряд отечественных препаратов типа вирин: вирин-ЭНШ против непарного шелкопряда, вирин-АББ против американской белой бабочки, вирин-ЭКС против капустной совки, вирин-ЯМ против яблоневой моли, вирин-КШ против кольчатого шелкопряда, вирин-ГЯП — против яблонной плодожорки, вирин-ХС против хлопковой совки и препарат элкар против совок из рода. Heliothis.

Наряду с вирусами для борьбы с вредными насекомыми используются бактерии. Наибольшее практическое значение в деле организации борьбы с насекомыми-вредителями имеет бактерия В. fburingiensis, она составляет основу "современной промышлен­ности по производству бактериальных, инсектицидов. В. thuringiensis объединяет разновидности спорообразующих бактерий, вы­рабатывающих особые энтомоцидные токсины, обладающие высокой активностью по отношению к насекомым. Эти токсины могут быть двух видов: кристалловидный и растворимый.

Кристаллы первого типа имеют ромбовидную (тетрагональ­ную) форму. Они обнаруживаются в клетках в процессе споруляции с помощью обычного светового микроскопа. Их часто называют параспоральными включениями или эндотоксинами. После завершения спорообразования кристаллы попадают в питательную среду, где обнаруживаются в свободном виде. По химической природе кристаллы представляют собой термо­лабильные белковые вещества, разрушаемые при температуре 60°. Бактерии, продуцирующие кристалловидный токсин, обитают среди микрофлоры кишечника различных насекомых. Выделенный из них токсин, будучи введен в гусениц чешуекрылых насекомых, вызывает паралич кишечника. Насекомые гибнут при обработке их растворами очень слабой концентрации— 1:106.

Некоторые разновидности В. thuringiensis образуют энтомоцидный низкомолекулярный токсин нуклеотидной природы, называемый экзотоксином, который в отличие от кристалловид­ного токсина находится в культуральной жидкости в растворенном состоянии и не разрушается при кипячении. В составе его имеются два родственных вещества, названные тюрингиензинами А и В. Экзотоксин отличается от кристалловидного токсина меньшей специфичностью — он активен по отношению ко многим видам насекомых. Препараты обоих токсинов безвредны для теплокровных животных, рыб и растений.

В нашей стране и за рубежом из В. thuringiensis в промышлен­ных масштабах изготовляют ряд препаратов, предназначенных для борьбы с вредными насекомыми. Из зарубежных препаратов известны биотрол, турицид, агритрол, бактан, дипел, бактоспейн и др. Мировое производство препаратов из В. thuringiensis в 1979 г. составляло более 1200 т, что позволяет обработать площадь посевов в несколько миллионов гектаров.

В США инсектициды на основе В. thuringiensis производятся компанией «Сельскохозяйственные продукты Монсанто» («Mon­santo. Agricultural Products»). Фермеры в течение двадцати лет используют эти препараты для защиты таких культур, как капуста, хлопчатник, бобы, картофель.

В Росии созданы, применяются или проходят испытание следующие препараты: дендробациллин, энтобактерин, инсектин, гомелин, битоксибациллин (БТБ-202), бактериальный инсектицидный препарат (БИП), алестин, туверин-2, лепидоцид, инсектин-2. Они поражают свыше 200 видов вредных насекомых. Промышлен­ное изготовление бактериального препарата энтобактерина осуще­ствляется в нашей стране еще с 1959 г.

Бактериальные инсектициды обычно выпускаются в виде порошка. Это удобная для транспортировки, хранения и использо­вания форма. Против ряда вредителей, применяются гранулиро­ванные и инкапсулированные формы бактериальных препаратов. Так, например, для борьбы с кукурузным мотыльком успешно используются препараты, в гранулах с кукурузной мукой.

Для повышения эффективности бактериальных инсектицидов употребляются различные- добавки — растекатели, прилипатели. или распылители. Препараты содержат споры бактерий и кри­сталлы эндотоксина, а в некоторых случаях (препарат битокси­бациллин) и термостабильныи токсин с помощью которого удается расширить спектр действия препаратов. Эти препараты можно комбинировать с сублетальными дозами химических инсектицидов, а именно некоторых карбаматов, фосфорорганических препаратов, пиретроидов, с препаратами энтомопатогенных вирусов, о которых говорилось выше. В нашей стране дендробациллин, энтобактерин, инсектин, гомелин, битоксибациллин используют в смеси с хлоро­фосом, золоном, фосфамидом, севином, бензофосфатом, фозолоном, метатионом, метафосом, полидофеном, рогором, карбофосом против непарного и кольчатого шелкопрядов, яблонной и капуст­ной молей, плодожорок, боярышниковой и розанной листоверток, хлопковых и капустных совок, боярышницы, шелкопряда-монашенки, комплекса пядениц, дубовой листовертки, лугового мотылька, красногрудой пьявицы, бересклетовой и японской восковой ложнощитовок, шишковой огневки. Химические добавки вряде случаев повышают эффективность биопрепаратов на 20—30% или не изменяют ее. Причины отсутствия эффекта при добавлении к биопрепаратам ядохимикатов еще не выяснены, однако в целом ряде случаев отмечено отрицательное влияние химических добавок на жизнеспособность спор В. thuringiensis (в случае фосфорорганических инсектицидов, алдрина, гепта-хлора). Вместе с тем ряд препаратов оказался совместимым с бактериями. Эти препараты могут быть рекомендованы к исполь­зованию при осуществлении интегрированной защиты растений от вредных насекомых (ортен, дилокс, ланнот, цетран, димелин).

С целью повышения эффективности бактериальных препаратов пытаются использовать особые клеющие вещества. Производст­венную проверку успешно прошел прилипатель поливинилацетат идрожжевая бражка в концентрации 1 %. Добавление к препа­рату В. thuringiensis фермента хитиназы, ускоряющего гидролиз хитинового покрова насекомых, ускоряет гибель еловой листо­вертки. Помимо хитиназы хороший эффект дает димелин, который подавляе 'образование хитина у гусениц и удлиняет межлиночный период. Наряду с В. thuringiensis для борьбы с вредными насекомыми могут быть использованы и некоторые другие бактерии. Так, например, культуры В. popilliae являются эффективным средством борьбы с японским жуком — опасным вредителем, поражающим около 300 видов растений. Бактерия вызывает так называемую молочную болезнь вредителя. Для практических надобностей бактерии выращивают непосредственно в организме личинок японского жука. Погибших личинок вносят в почву, где споры бактерий в течение длительного времени сохраняют жизнеспособ­ность и вирулентность. Детальное изучение биологических особенностей этих бактерий позволит успешно культивировать их на искусственных питательных средах и изготовлять бакте­риальные инсектициды в больших количествах. Они могут быть использованы для борьбы с вредными жуками и другими насеко­мыми, против которых ныне используемые средства малоэффек­тивны.

Для производства инсектицидных препаратов применяются не только виды энтомопатогенных бактерий, изъятые из природы, но и микроорганизмы, созданные методами генетической инжене­рии. Ученые, сотрудничающие с компанией «Сельскохозяйствен­ные продукты Монсанто» (США), разрабатывают проблему клонирования гена, контролирующего синтез токсичных для насе­комых веществ и передачи этого гена бактерии Pseudomonas fluorescens — безвредному неспороносному флуоресцирующему микроорганизму, который широко встречается в почве, воде, на различных растительных и животных субстратах. Созданные методами генетической инженерии энтомопатогенные бактерии можно использовать путем заражения ими семян или почвы во время посева. В этом случае инфекция может оказаться действен­ной в течение длительного времени. Ведь микроорганизмы, созданные методами генетической инженерии, даже в случае гибели вредных насекомых будут сохраняться в природной среде как обычные сапрофиты.

Проведенные исследования показывают, что клонирование токсичных генов возможно. Микроорганизмы, созданные методами генетической инженерии, оказались способными поражать опре­деленные виды вредителей растений.

В 1835 г. итальянский исследователь А. Басси впервые описал гриб из рода боверия, обнаруженный на гусеницах тутового шелкопряда. Гриб получил видовое название, образованное от фамилии первооткрывателя — боверия бассиана (Beauveria bassiana). Гусеницы тутового шелкопряда, пораженные этим грибом, были сморщенными, сухими, покрытыми белым налетом, что делало их похожими на засахаренные фрукты. По этой причине заболевание тутового шелкопряда получило название белая мускардина (от французского слова, означающего «засахаренный фрукт»). Позднее было обнаружено, что гриб поражает не только полезных насекомых, к числу которых относится тутовый шелко­пряд, но и многочисленных вредителей (колорадский жук, картофельная коровка, луговой и кукурузный мотылек, сосновая пяденица, сосновая совка, вредная черепашка, яблонная и персиковая плодожорка, некоторые виды клещей). Боверия бассиана распространена очень широко. Она встречается всюду, где имеются насекомые, и поэтому по праву считается космополи­том. Только в Северной Америке ею поражается свыше 175 видов насекомых. В нашей стране возбудитель белой мускардины вызывает заболевание более 60 видов насекомых. Насекомые и клещи, устойчивые к белой мускардине, способствуют распростра­нению ее мицелия и спор. Другой представитель рода боверия — боверия тонкая (Б. tonella) поражает главным образом вредных жуков: западного и восточного майских хрущей.

Мускардиновые грибы способны к сапротрофному питанию и сравнительно легко культивируются на искусственных питатель­ных средах. Правда, боверия тонкая несколько хуже растет в искусственных условиях, она требует присутствия в питательной среде витаминов. Боверия бассиана успешно размножается на ломтиках картофеля. Результаты сравнительного испытания гриба боверия бассиана в глубинной и поверхностной культурах показали, что в поверхностной культуре для его роста создаются более благоприятные условия. Состав питательной среды оказы­вает влияние на вирулентность гриба.

Еще в 60-х годах в Украинском институте защиты растений был изготовлен препарат боверин, представляющий собой порошок серого цвета, содержащий споры мускардиновых грибов В. bassiana и В. globalifera, а также наполнитель (каолин). Препарат был рекомендован в сочетании с сублетальными до­зами ядохимикатов для борьбы с колорадским жуком, дубовой листоверткой и другими вредителями сельского и лесного хозяй­ства.

В настоящее время для борьбы с вредными насекомыми привлекаются и другие виды грибов, в частности из родов метарризиум, вертициллиум, гирзутелла, гименостильбе, ашерсония, кониотириум, энтомофтора и др.

Важное место в арсенале средств борьбы с вредителями занимают биологически активные вещества насекомых. К числу таких веществ относятся феромоны, ювенильный гормон, гормон линьки.

Феромоны представляют собой биологически активные веще­ства, выделяемые животными в окружающую среду и специфи­чески влияющие на метаболизм, поведение, физиологическое и эмоциональное состояние других особей того же вида. Как правило, феромоны продуцируются специализированными железами животных. По характеру действия различают агрегационные феромоны (феромоны скучивания), феромоны, вызываю­щие реакцию тревоги или обороны, следовые феромоны, отмечающие путь следования насекомого в поисках пищи, феромоны-социального опознавания и регулирования, половые феромоны. Наиболее подробно изучены половые феромоны насекомыхкоторые обеспечивают встречу и узнавание особей разного пола и стимулируют половое поведение. Феромоиы, привлекающие особей противоположного пола, называют аттрактактами.

В 1959г. западногерманский биохимик Адольф Бутенандт установил строение полового аттрактанта самки тутового шелкопряда. Этот феромон был назван бомбиколом. Он вызывает, у самцов поведенческую реакцию при концентрации всего около, 1012 мг/л воздуха. К 1980г. феромоны были обнаружены y 700 видов насекомых, причем у 220 видов установлено химиче­ское строение. По химической природе феромоны не являются представителями какого-то определенного класса химических соединений. Половые феромоны самок чешуекрылых обычно относятся к предельным спиртам, ацетатам и альдегидам с 10—18 атомами углерода. Они могут быть представлены отдельными химическими соединениями, но чаще биологическое действие оказывает совокупность нескольких компонентов. Как правило, для биологического действия феромонов характерна видовая специфичность: разные виды насекомых используют в качестве феромонов определенные химические вещества или смеси с опре­деленным сочетанием компонентов.

В связи с открытием феромонов возникла мысль использовать их для борьбы с вредными насекомыми. Производство аттрактантов из желез насекомых малоэффективно из-за высокой трудоем­кости и низкого выхода продукта. В связи с этим были предпри­няты усилия по химическому синтезу этих веществ. К сожалению, химические феромоны оказались недостаточно специфичными, поскольку природные феромоны у многих насекомых представляют собой смесь индивидуальных химических веществ, причем некоторые компоненты ряда феромонов являются общими для нескольких видов. Синтез высокоспецифических феромонов за­труднен необходимостью получения химически чистых веществ и комбинаций их в определенном соотношении, отсутствием сведений о роли отдельных составляющих в управлении поведе­нием насекомых при спаривании. Известно, что у восточной плодожорки спаривание протекает в четыре этапа: привлечение самца к самке, приближение его, ориентация самки, копуляция. Каждый этап характеризуется действием определенного химиче­ского компонента.

Страницы: 1, 2, 3