CC BY
140
Паразиты растений
УДК 632.95.024.13
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ РАСТЕНИЙ ОТ ГАЛЛОВЫХ НЕМАТОД
Ж.В. УДАЛОВА кандидат биологических наук
Центр паразитологии ИПЭЭ им. А.Н. Северцова Российской АН
О. БАЙЧЕВА
Институт экспериментальной патологии и паразитологии Болгарской АН
М.В. ПРИДАННИКОВ кандидат биологических наук С.В. ЗИНОВЬЕВА доктор биологических наук Центр паразитологии ИПЭЭ им. А.Н. Северцова Российской АН
Приведены данные о наиболее перспективных направлениях защиты растений от галловых нематод, основанные на физиолого-молекулярных механизмах взаимодействия растений с нематодами. Можно выделить следующие направления: восстановление нарушенного метаболизма зараженных растений (с использованием элементов минерального питания растений, а также природных соединений с адаптогенными свойствами); применение элиситоров в качестве индукторов иммунитета; применение микроорганизмов-антагонистов нематод; создание устойчивых к галловым нематодам сортов растений; создание трансгенных форм растений с устойчивостью к нематоде.
Ключевые слова: Meloidogyne incognita, M. агепапа, защита растений.
Галловые нематоды рода Meloidogyne (Tylenchida; Meloidogynidae) широко распространены во всем мире. На территории Европы в открытом грунте выявлено пять видов мелойдогин - Meloidogyne incognita, M. arenaria, M. javanica, M. hapla и M. thamesi, в защищенном грунте встречаются преимущественно M. incognita, M. arenaria и M. javanica [13, 17]. Эти же виды распространены в производственных теплицах и оранжереях на территории России [6]. Ущерб от галловых нематод в странах Европы и США по данным ФАО оценивается не менее чем 30 млрд долларов ежегодно. До последнего времени единственным способом защиты растений от галловых нематод являлась обработка пестицидами. В настоящее время к современным средствам защиты растений предъявляются высокие требования - высокая эффективность должна сочетаться с экологической безопасностью. Паразиты и их хозяева рассматриваются как равноправные члены биоценоза, каждый из которых наделен определенными свойствами, позволяющими этим организмам реализовать видовой генетический потенциал. Перед биологами поставлена задача - максимально ограничить наносимый тем или иным видом паразитов ущерб при минимальных нарушениях стабильности экосистем и минимальном внесении в экосистемы чужеродных биологически активных веществ. Успехи фундаментальной науки в области изучения физиолого-биохими-ческих механизмов патогенеза и устойчивости растений способствовали раз-
витию ряда направлений и методов борьбы с фитопатогенами, в том числе и с галловыми нематодами.
Восстановление метаболизма зараженных растений природными соединениями. В качестве альтернативы химическим методам защиты растений от галловых нематод еще в 50-60-х годах прошлого века был поставлен вопрос о терапии растений [10]. Этот метод ставит целью «помочь» растению сохранить гомеостаз, нарушенный деятельностью паразитов, путем обработки соединениями, способствующими восстановлению структурной и функциональной целостности растительного организма. Известно, что инвазия растений галловыми нематодами оказывает комплексное воздействие на минеральный состав всех органов и тканей. Проведенные в Болгарской АН исследования показали, что инвазия растений M. arenaria оказывает влияние на такие важные для жизнедеятельности растений элементы, как Cu, Mn, Fe, Mg и Zn. Установлено, что соли аммония, которые являются элементами минерального питания растений, влияют на содержание вышеназванных элементов в органах растений томатов, инвазированных M. arenaria [15, 16, 20]. Прикорневая подкормка томатов растворами солей в концентрации 1,3 мкг/мл восстанавливала баланс микроэлементов в тканях растений, нарушенный при инвазии их галловой нематодой (табл.1). Таким образом, была установлена эффективность применения солей аммония для стабилизации метаболических процессов при мелойдогинозе.
Среди естественных механизмов, позволяющих растениям выживать в естественных условиях при воздействии многочисленных стресс факторов, в том числе и нематод, большое значение имеют вторичные растительные метаболиты [18]. Особенно большое значения имеют соединения изопреноид-ного строения, которые не обладают нематодоцидными свойствами, но выполняют в растениях роль адаптогенов. К числу таких соединений относят стероидные гликозиды [11]. Для защиты растений от паразитических нематод испытан препарат фуростаноловых гликозидов (ФГ), полученных из культуры клеток Dioscorea deltoidea, обладающий адаптогенными свойствами [9,
21, 23]. Исследования показали, что препарат нормализует нарушенный нематодами обмен (интенсивность окислительных процессов в растениях, процессы фотосинтеза) [2, 3]. Обработка растений в производственных тепличных хозяйствах снижала зараженность растений нематодами и повышала урожайность томатов на 12, а огурцов на 42 % (табл. 2).
Использование элиситоров для создания препаратов, повышающих устойчивость растений к нематодам. Новый метод защиты растений основан на индуцировании иммунного потенциала растительной ткани. Инструментом, с помощью которого удается индуцировать иммунные системы растительной ткани, служат элиситоры или индукторы защитных реакций. Для повышения устойчивости растений к фитопатогенам особенно перспективны биогенные элиситоры, представляющие собой метаболиты паразитов и их растений-хозяев, участвующие в процессах патогенеза. В настоящее время разрабатывается возможность практического применения некоторых биогенных элиситоров для индуцирования устойчивости растений к нематодам [4,
22, 23].
Нами исследовано действие арахидоновой кислоты (С20 полиненасыщенная жирная кислота) и хитозана с молекулярной массой 5 кДа и степенью дезацетилирования 85 % на системах томаты - M. incognita, огурцы - M. incognita. При обработке растений элиситорами в определенных концентрациях, а особенно элиситорами (хитозана или арахидоновой кислоты) в сочетании с сигнальными молекулами (салициловой или жасмоновой кислотами) наблюдали снижение поражаемости растений нематодами (число галлов на корень) и морфо-физиологическое угнетение галловых нематод (снижение их размера и плодовитости) (табл. 3).
1. Влияние обработки томатов ванадатом аммония на содержание Cu, Mn, Fe, Mg и Zn в органах здоровых и зараженных ___M. arenaria растений_
Вариант обработки Анализируемая часть растения Содержание, мкг/г
Cu Mn Fe Mg Zn
Контроль (здоровые) Стебли Листья Зрелые плоды Незрелые плоды 7,92±0,41 6,44±0,40 6,03±0,29 2,26±0,15 59,29±4,30 10,14±0,72 4,52±0,31 5,0±0,33 265,11±19,00 109,23±6,60 50,71±2,80 43,06±2,90 2 539,60±203,00 741,00±55,00 627,90±56,00 692,40±48,00 22,43±1,90 81,19±5,30 8,04±0,51 4,52±0,28
Зараженные (без обработки) Стебли Листья Зрелые плоды Незрелые плоды 4,06±0,28 7,98±0,44 3,62±0,23 6,37±0,44 206,40±11,20 47,42±2,90 3,34±0,27 6,22±0,39 459,11±28,00 64,10±3,70 19,46±0,92 102,02±7,40 3 856,60±316,00 1 311,80±121,00 611,00±46,00 795,90±71,00 28,42±0,19 132,3±8,10 6,34±0,45 18,19±1,30
Зараженные (обработанные под корень) Стебли Листья Зрелые плоды Незрелые плоды 8,00±0,47 6,94±0,46 5,46±0,32 6,41±0,39 48,81±2,80 3,90±0,32 3,36±0,34 5,30±0,41 146,75±44,00 50,67±2,60 74,05±4,10 125,03±7,10 3 601,40±306,00 1 474,60±132,00 614,80±54,00 687,20±49,00 14,86±0,82 77,49±4,30 15,48±0,91 16,49±0,88
Здоровые (обработанные под корень Стебли Листья Зрелые плоды Незрелые плоды 17,6±0,91 10,27±0,73 7,17±0,48 6,67±0,51 356,91±21,40 44,86±2,80 17,46±0,92 10,53±0,48 85,71±5,60 28,73±1,90 260,18±18,00 43,61±2,70 3 926,50±293,00 1 825,10±155,00 851,80±58,00 857,10±53,00 45,00±2,80 301,14±18,00 23,31±1,40 27,62±1,90
Зараженные (опрыскивание) Стебли Листья Зрелые плоды Незрелые плоды 10,92±0,66 11,84±0,83 7,98±0,51 7,69±0,42 89,61±5,60 13,30±0,59 4,73±0,22 7,59±0,51 501,51±29,00 487,09±28,00 28,91±1,70 20,66±1,60 3 195,60±291,00 2 456,60±211,00 848,30±49,00 768,70±49,00 48,07±2,80 161,01±8,80 22,95±1,41 19,22±1,30
2. Влияние ФГ на галлообразование, плодовитость M. incognita и _урожайность растений томатов_
Вариант обработки, мг/мл Балл поражения Число яиц в оотеках, шт. Урожай, кг/м2
ФГ/0,005 2,5 134 6,16
Контроль(вода) 4 266 5,50
НСР (Р = 0,05) 57,01
3. Действие сигнальных молекул и биогенных элиситоров на развитие _растений томатов и галловой нематоды M. incognita _
Концентрация Масса стебля, г Длина стебля, см Число галлов/растение Число яиц в оотеке
АК (10-8) 110,0 108,0 284 124
ЖК (10-') 68,2 73,6 470 144
СК (7 х 10-8) 141,0 147,0 413 189
Хитозан (100 мкг/мл) 86,0 124,3 193 99
АК (10-8) + ЖК (10-') 177,1 166,4 146 69
АК 10-8 + СК (7 х 10-8) 155,0 182,0 246 73
Хитозан (100 мкг/мл) +ЖК (10-7) 73,8 75,2 201 76
Хитозан (100 мкг/мл) + СК (7 х 10-8) 103,3 128,5 144 68
Контроль (инвазиро-ванные растения) 45,3 58,8 352 108
Контроль (здоровые растения) 59,3 62,3 - -
НСР(Р=0,05) 24,7 18,3 73 108
Примечание. АК - арахидоновая кислота; СК - салициловая кислота; ЖК - жасмоновая кислота.
Анализ иммунного потенциала восприимчивых растений томатов, которые были обработаны элиситорами, показал, что иммунная реакция их на инвазию была аналогичной реакции на инвазию растений устойчивых сортов, на что указывал ряд биохимических критериев, характеризующих иммунное состояние растений: активность ферментов пероксидазы, фенилаланинамми-аклиазы, РЯ-белков, фитоалексинов и др. [5, 7, 8]. По-видимому, именно увеличение иммунного потенциала привело к заметному улучшению роста и развития растений, снижению поражаемости корней нематодами и изменению морфо-физиологических и популяционных параметров паразита. Особенно эффективным оказалось действие исследованных элиситоров в сочетании с сигнальными молекулами - метиловым эфиром жасмоновой кислоты и салициловой кислотой. На основе этих элиситоров в России созданы и широко применяются препараты: иммуноцитофит - на основе арахидоновой кислоты, агрохит - на основе хитозана.
Биологический способ регуляции численности нематод, основанный на их связях с почвенными микроорганизмами. Выявлена биологическая и хозяйственная эффективность некоторых штаммов грибов, бактерий, способных контролировать численность галловых нематод [1, 12]. Это хищные нематофаговые грибы - гифомицеты рода Arthrobotrys, обладающие уникальной способностью улавливать и поражать нематод специальными ловчими образованиями. Среди грибов-эндопаразитов, воздействующих на попу-
ляцию галловых нематод, наиболее изучен Paecilomyces lilacinus, важнейшей особенностью которого является паразитирование на яйцах нематод. Бактерия Pasteuria penetrans в теле нематоды активно размножается и может образовать свыше двух миллионов спор. Активно исследуют бактерии, продуктами метаболизма которых являются салициловая кислота, и бактерии, активно утилизирующие продукты хитина и хитозана.
Создание сортов растений, устойчивых к галловой нематоде. Основой для выведения устойчивых сортов томатов служат дикие формы Lycoper-sicon peruvianum (L.), устойчивость которых к галловым нематодам связана с присутствием гена Mi. Определенные трудности в применении устойчивых форм выражаются в появлении агрессивных рас и патотипов галловых нематод. Важным условием эффективного применения устойчивых гибридов является видовой состав галловых нематод в хозяйстве. Гибриды более устойчивы, если популяция нематод представлена каким-то одним видом, и значительно менее устойчивы против комплекса из двух и более видов.
Создание трансгенных растений, устойчивых к паразитическим нематодам. С этой целью используют гены различных белков, участвующих в защитных системах растений, начиная с элиситорных белков и кончая белками прямого антипатогенного действия.
Наиболее успешно развиваются два направления, в основе которых лежит создание генно-инженерных конструкций, которые могли бы повлиять на развитие нематод: создание трансгенных растений с генами ферментов, нарушающих питание нематод; создание трансгенных растений с искусственной гиперчувствительной реакцией, приводящей к некрозу тканей при инвазии [14, 19].
Также устойчивыми ко многим патогенам могут оказаться трансгенные растения, в которых экспрессируются модифицированные гены токсичных белков, кодирующие только их токсичные домены. Несмотря на ряд преимуществ трансгенеза (быстрота создания устойчивых сортов, введение генов устойчивости в высоко продуктивные сорта растений), необходимо учитывать длительную сопряженную эволюцию растений и их патогенов, в результате которой между ними установилось динамическое равновесие. Культивирование на больших площадях трансгенных растений с абсолютной устойчивостью может привести к нарушению общего равновесия в агробиоценозах и вызвать появление новых рас (патотипов) фитопатогенов и вредителей. Устойчивость трансгенных форм растений основана на трансформации моно-или олигогенов, которая рано или поздно в силу расообразовательных процессов преодолевается паразитами.
Стратегия индуцированной защиты, основанная на индукции множества генов, является фенотипической и похожа на горизонтальную и, как правило, хотя и не является абсолютной, но не преодолевается патогенами и поэтому более перспективна.
Работа выполнена при поддержке программ «Биоресурсы» и «Биоразнообразие».
Литература
1. Борисов Б.А. Демографическая адекватность - важнейший принцип выбора наиболее эффективных способов контроля численности галловых нематод рода Meloidogyne // Тр. Центра паразитологии ИПЭЭ РАН. - М.: Наука, 2008. - Т. 45. - С. 238-281.
2. Васильева И.С., Ванюшкин С.А., Зиновьева С.В. и др. Фотосинтетические пигменты растений томатов в условиях биотического стресса и действие на них фуростаноловых гликозидов // Прикл. биохимия и микробиология. -2003. - Т. 39, № 6. - С. 689-696.
3. Васильева И.С., Ванюшкин С.А., Зиновьева С.В. и др. Адаптогенное действие фуростаноловых гликозидов Dioscorea deltoidea Wall на окисли-
тельные процессы растений томатов в условиях биотического стресса // Прикл. биохимия и микробиология. - 2005. - Т. 41, № 3. - С. 347-353.
4. Васюкова Н.И., Зиновьева С.В., Ильинская Л.И. и др. Модулирование болезнеустойчивости водорастворимым хитозаном // Прикл. биохимия и микробиология. - 2001. - Т. 37, № 1. - С. 689-696.
5. Васюкова Н.И., Придворова С М., Герасимова Н.Г. и др. Участие фе-нилаланинаммиаклиазы и салициловой кислоты в индуцировании устойчивости томатов, инвазированных галловой нематодой Meloidogyne incognita // Докл. Академии наук. - 2007. - Т. 416. - С. 826-829.
6. Зиновьева С.В., Байчева О., Удалова Ж.В. и др. Современное состояние исследований галловых нематод рода Meloidogyne // Тр. Центра паразитологии ИПЭЭ РАН. - М.: Наука, 2008. - Т. 45. - С. 282-309.
7. Зиновьева С.В., Удалова Ж.В., Васильева И.С., Пасешниченко В.А. Роль изопреноидных соединений в адаптации растений к биогенному стрессу, вызванному паразитическими нематодами. (Обзор) // Прикл. биохимия и микробиология. - 2001. - Т. 37, № 5. - С. 456-462.
8. Зиновьева С.В., Васюкова Н.И., Ильинская Л.И. и др. Иммунизация томатов к галловой нематоде Meloidogyne incognita биогенными элиситорами // Прикл. биохимия и микробиология. - 1997. - Т. 33, № 3. - С. 293-296.
9. Зиновьева С.В., Васюкова Н.И., Озерецковская О.Л. Биохимические аспекты взаимодействия растений с паразитическими нематодами. Прикладная биохимия и микробиология // Прикл. биохимия и микробиология. - 2004. - Т. 40, № 2. - С. 111-119.
10. Турлыгина Е.С. Вопросы терапии растений закрытого грунта при галловом нематодозе // Сб. раб. мол. фитогельминтол. - М.: Наука, 1958. - С. 82-94.
11. Удалова Ж.В. Изопреноидные нематицидные соединения из высших растений // Тр. Ин-та паразитологии РАН. - М.: Наука, 2000. - Т. 42, № 1. -С.115-122.
12. Удалова В.Б., Мацкевич Н.В., Косовец В.С. Методические рекомендации по проведению исследований в фитогельминтологии. - М.: ВИГИС, 1988.- С. 39-43.
13. Чолева Б. Проучвания въерху видовия състав на головите нматоди в оранжериите // Растителна защита. -1973. - Т. 11. - С. 13-16.
14. Atkinson H. J., Urwin P.E., Clarke M.C., McPherson M.J. Image analysis of the growth of Globodera pallida and Meloidogyne incognita on transgenic tomato roots expressing cystatins // J. Nematol. -1996. - V. 28, № 2. - P. 209-215.
15. Baicheva O., Salkova D., Damyanova A., Luhareva N. Experimental study of invasion and treatment on development of tomato (Tiny Tim) plants. I Changes in mineral composition of tomato (Tiny Tim) plants invaded with Meloidogyne arenaria under treatment with NH4VO3 // J. of Balkan Ecology. - 2003. -V. 6, № 2. - P. 157-160.
16. Baicheva O., Salkova D., Damyanova A. et al. Vanadium and its compounds as a possible method for control against plant - parasitic nematodes // Exp. Pathol. and Parasitol. - 2005. - V. 3. - P. 3-8.
17. Chizhov V.N., Zinovieva S.V., Karapetyan J., Baicheva O. Root-knot nematodes (Meloidogyne, Goldi, 1887) jn territories of Russian Federation, Armenia and Bulgaria // Exp. Pathol. and Parasitol. - 2007. - V. 10, № 2. - Р. 3-6.
18. Harborn J.B. Introduction to Ecological Biochemistry. - Academic pr., 1994. - 318 p.
19. Hussey R.S. Evaluation of transgenic plants expressing proteinase inhibitor genes for root-knot resistance // SON Biotech. Newsletter. - 1993. - V. 5. - P. 14-15.
20. Salkova D., Baicheva O., Alexandrova R. Investigations of the vanadium influence on hosts of Meloidogyne and on hatching of the invasive larvae - J2 // Exp. Pathol. and Parasitol. - 2002. - V. 5, № 8. - P. 41-41.
21. Zinovieva S.V., Vasilieva I.S., Udalova Zh.V., Paseschnichenko V.A. Adaptation-Promoting Properties of furostanol glycosides and their effect on phy-topathogenic nematodes // Doklady Biological Sciences. Interperiodica Publishing. - 1995.- V. 34, № 1. - P. 131-133.
22. Zinovieva S.V., Vasyukova N.I., Iliinskaya L.I., Ozeretskovskaya O.L. Induction of Plant resistance to Nematodes by Elicitors from Fungal Pathogens // Dokl. Botanical Scinces. - 1996. - P. 346-348.
23. Zinovieva S.V., Udalova Zh.V. , Vasilieva I.S., Paseschnichenko V.A. Action of sterol glycosides on Meloidogyne incognita infected tomato and cucumber roots // Russ. J. Nematol. - 1997. - V. 5, № 2. - P. 77-80.
The perspective methods of protection of plants from root-knot nematodes Zh.V. Udalova, O. Baicheva, M.V. Pridannikov, S.V. Zinovieva
The data of the most perspective directions of protection of plants from root-knot nematodes, based on physiology-molecular mechanisms of the interactions of plants with nematodes are given. It is possible to allocate the following directions: restoration of the broken metabolism of the infected plants (with use of elements of mineral feed of plants and also natural connections with adaptogenic properties); application of elicitors as immunity inductors; application of microorganisms-antagonists of nematodes; building of plants resistance to root-knot nematodes; design of transgenic plants highly resistant to parasitic nematodes.
Keywords: Meloidogyne incognita, M. аrеnаria, protection of plants.
