CC BY
89
УДК 632.95.02
ПЕСТИЦИДЫ-ИНГИБИТОРЫ МИТОХОНДРИЙ: МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ И ОПАСНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
А.И. Перфильева
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, [email protected] Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 132
Многие пестициды, применяемые в сельском хозяйстве, направлены на подавление функционирования митохондрий патогена. Использование ингибитора гликолиза монойодацетата натрия в качестве модельного агента, показало, что помимо угнетения патогена, может происходить ин-гибирование функционирования митохондрий растений. Библиогр. 16 назв.
Ключевые слова: пестициды; ингибиторы; митохондрии; растения.
PESTICIDES-INHIBITORS OF MITOCHONDRIONS: MECHANISM OF ACTION AND DANGER OF USE
A.I. Perfileva
Irkutsk State Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia, [email protected] Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS, 132, Lermontov St., Irkutsk, 664033, Russia
Many of pesticides used in agriculture, are directed at suppression of pathogen mitochondrions functioning. The glycolisys inhibitor (iodoacetic acid sodium salt) using as the model agent showed that besides pathogen oppression, there can be an inhibition of plants mitochondrions functioning. 16 sources.
Key words: pesticides; inhibitors; plants.
В настоящее время в сельском хозяйстве активно применяется широкий спектр химических препаратов для борьбы с возбудителями заболеваний культурных растений. Это обусловлено крайне неблагоприятным фитосани-тарным состоянием [1]. Согласно прогнозам, наша страна может в ближайшие 10-15 лет достичь среднемирового уровня по интенсивности применения пестицидов. В настоящее время среди пестицидов, разрешенных к применению в Российской Федерации, 16% - инсектициды, 15% - фунгициды, 50% - гербициды, в тоже время средств для борьбы с широко распространенными бактериальными заболеваниями культурных растений крайне мало.
Механизм действия применяемых агентов для обработки растений от патогенных бактерий разнообразен. Большинство используемых в агрономии пестицидов способны ингибировать или активировать оксидазы (на-
пример, диэтилен и гидразин сернокислый); приводить к пероксидации липидов и окислению ДНК; влиять на супероксиддисмутазу; запускать апоптоз путем активации каспаз [2]. Хлорорганические соединения (дихлордифе-нилтрихлорэтан (ДДТ), диоксины) обладают высокой токсичностью и аккумуляцией. Действующее вещество некоторых гербицидов -хлорфеноксикислота заменяет гормоны растений, способствуя их усиленному росту, истощая энергетические запасы сорняка [2]. Сульфамидные препараты подавляют синтез 4-аминобензойной кислоты, необходимой для патогенных бактерий. Препарат зенкор приводит к повреждению ДНК, мутагенному действию [3]. Недавно появившийся фунгицид пер-форм блокирует у грибов синтез эргостерина - вещества клеточных мембран, нарушает работу митохондрий, препятствует прорастанию спор, используется для борьбы с корне-
выми гнилями [4].
Бактерицидное и фунгицидное действие многих фунгицидов и бактериоцинов определяется их способностью ингибировать функционирование дыхательной цепи патогенной микрофлоры. Многие пестициды, содержащие ртуть, мышьяк, кадмий, свинец подавляют функцию митохондрий [4]. Известно, что по направленности действия пестицида на митохондрии различают три вида пестицидов. Первые из таких пестицидов (каптафол, кап-тан, фолпет, манкоцеб) блокируют тиол-содержащие ферменты - редуктазы и дегид-рогеназы, участвующие в дыхании. Другие (например, динокап) препятствуют процессу образования АТФ из АДФ, сопряженного с переносом электронов, т.е. разобщают окислительное фосфорилирование в клетке патогена. Третьи (азоксистробин, крезоксим-метил, циазофомид, амисульбром, карбоксин), связываясь с цитохромом Ь, являются ингибиторами митохондриального комплекса III (уби-хинон-цитохром С-окси-редуктазный) дыхательной цепи. В качестве пестицидов также применяются ингибиторы, подавляющие сук-цинатдегидрогенный комплекс. Многие из используемых в настоящее время препаратов (Дитан, новозир, пенкоцеб), являются мульти-сайтовыми ингибиторами, т.е. способны действовать на несколько мишеней [5, 6].
Применяемые на сегодняшний день пестициды для ограничения распространения фитопатогенов представляют значительную опасность для обитателей природы, накапливаясь в почве и воде. Попадая в организм человека, они вызывают аллергические реакции, отрицательно влияют на иммунную систему, некоторые из них обладают канцерогенным действием [1]. Однако имеется не достаточно информации о влиянии пестицидов, в частности, ингибирующих функционирование митохондрий, на растения. Слабая изученность влияния пестицидов на растения объясняется, во-первых, их сложностью, во-вторых, отсутствием методов и модельных систем, с использованием которых можно было бы разграничить и воспроизвести различные этапы влияния пестицида как на патогены, так и на растения, и дать им качественные характеристики.
В качественного модельного агента для изучения влияния митохондриальных ингибиторов на растения нами был исследован мо-нойодацетат натрия (МИА) - ингибитор ключевого фермента гликолиза глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы [7], алкогольдегидро-геназы и глицеральдегидфосфатдегидрогена-зы. МИА ингибирует гликолиз, следовательно,
в клетке также подавляется функционирование митохондрий.
Нами были проведены исследования влияния МИА на растениях и клубнях картофеля (Solanum tuberosum), а также на микроорганизмах: Clavibacter michiganensis spp. sepedonicus (Cms) - палочковидная бактерия, вызывает заболевание, известное как кольцевая гниль картофеля [8] и дрожжах Saccharomyces cerevisiae. Было показано, что МИА в концентрации 1 мМ снижал интенсивность поглощения кислорода и активность де-гидрогеназ в клетках микроорганизмов, т.е. обладал бактерицидным и фунгицидным эффектом [9]. Исследуемый агент не оказывал никакого влияния на прорастание клубней картофеля при обработке в различные периоды хранения. Таким образом, МИА оказывал губительный эффект на активно делящиеся клетки микроорганизмов, но не влиял на клетки клубней картофеля, для которых характерен более замедленный метаболизм. Влияние МИА на жизнеспособность картофеля in vitro также не наблюдалось. В полевых экспериментах, проведенных в течение трех лет, было показано повышение продуктивности картофеля после предпосадочной обработки клубней МИА [10], что может быть объяснено поверхностной дезинфекцией клубней и повышением содержания фитоалексинов в растительных клетках после обработки МИА [11]. Однако, молекулярные исследования картофеля после обработки МИА показали снижение в картофеле in vitro белков теплового шока (БТШ) и усиление колонизации растений патогеном [12]. Известно, что БТШ защищают клетку от гибели при стрессах абиотической природы [13], также существуют мнения, что БТШ индуцируются при вторжении патогенов в растения и при обработке элиситорами [14, 15]. Снижение содержания БТШ после обработки МИА, по-видимому, является следствием подавления функционирования митохондрий. Известно, что митохондрии в процессе митохондриальной ретроградной регуляции влияют на экспрессию генов белков теплового шока в ядре [16].
Таким образом, пестициды - митохонд-риальные ингибиторы, накапливаясь в почве после обработки, могут снижать защитные барьеры не только патогенов, но и растений, нарушая митохондриальную ретроградную регуляцию экспрессии генов, в частности генов БТШ, защищающих растения при стрессах различной природы, в результате чего растение становится более подверженным колонизации патогенными микроорганизмами. Поэтому для снижения экологического риска
очень важно использовать химические агенты, которые, убивая патогенную микрофлору, не загрязняли бы окружающую среду. Для этого
необходимо использовать пестициды, быстро разлагающиеся после обработки на неопасные соединения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Горбатов В.С., Матвеев Ю.М., Кононова Т.В. Экологическая оценка пестицидов: источники и формы информации // Агро XXI. 2008. № 1-3. С. 79.
2. Защита растений от болезней: учебник. 2-е изд. / В.А. Шкаликов [и др.]. М.: Наука, 2005. 327 с.
3. Карамова Н.С., Денисова А.П., Сташевски З. Мутагенное действие экстрактов растений картофеля Solanum tiberosum L., обработанных пестицидами // Ученые записки Казанского ун-та. Серия естественные науки. 2009. Т. 151, кн. 1. С. 155-163.
4. Список пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации. Справочное издание. М.: АНО «Редакция журнала «Защита и карантин растений», 2013. 636 с.
5. Защита картофеля от болезней, вредителей и сорняков / Б.В. Анисимов [и др.]. М.: Картофелевод, 2009. 272 с.
6. Leroux P., Gredt M., Leroch M., Walker P. Exploring mechanisms of resistance to respiratory inhibitors in field strains of Botrytis cinerea, the causal agent of gray mold // Appl Environ Microbiol. 2010. V. 76, № 19. P. 6615-6630.
7. Справочник биохимика / Р. Досон [и др.]. М.: Мир, 1991. 543 с.
8. Eichenlaub R., Gartemann K.H. The Clavibacter michiganensis subspecies: molecular investigation of gram-positive bacterial plant pathogens // Annu Rev Phytopathol. 2011. V. 49. P. 445-464.
9. Рымарева Е.В., Рихванов Е.Г., Торгашина М.А., Перфильева А.И., Копытчук В.Н., Варакина Н.Н. Влияние монойодацетата на термотолерантность Clavibacter michiganensis ssp. sepedonicus и
дрожжей Sa^haromyces cerevisiaе // J. of Stress Physiology & Biochemistry. 2008. V. 4, № 2. P. 4-13.
10.Перфильева А.И., Рымарева Е.В., Рихванов Е.Г. Эффект гипертермии и монойодацетата на продуктивность картофеля в вегетационных и полевых экспериментах // Агрохимия. 2013. № 6. С. 40-46.
11.Keen N.T., Ersek T., Long M., Bruegger B., Holliday M. Inhibition of the hypersensitive reaction of soybean leaves to incompatible Pseudomonas spp. by blasticidin S, streptomycin or elevated temperature // Physiology Plant Pathology. 1981. V. 18. P. 325-337.
12.Перфильева А.И., Рымарева Е.В. Разнона-правленность защитных реакций картофеля при биотическом и абиотическом стрессах // Агро XXI. 2012. № 4. С. 24-26.
13.Wang W., Vinocur B., Shoseyov O., Altman A. Role of plant heat-shock proteins and molecular chap-erones in the abiotic stress response // Trends Plant Sci. 2004. V.9, № 5. P. 244-252.
14.Duan Y.H., Guo J., Ding K., Wang S.J., Zhang H., Dai X.W., Chen Y.Y., Govers F., Huang L.L., Kang Z.S. Characterization of a wheat HSP70 gene and its expression in response to stripe rust infection and abiotic stresses // Mol Biol Rep. 2011. V.38, №1. P. 301 -307.
15.Maimbo M., Ohnishi K., Hikichi Y., Yoshioka H., Kiba A. Induction of a small heat shock protein and its functional roles in Nicotiana plants in the defense response against Ralstonia solanacearum // Plant Physiol. 2007. V.145, № 4. P. 1588-1599.
16.Юрина Н.П., Одинцова М.С. Сигнальные системы митохондрий растений: ретроградная регуляция // Физиология растений. 2010. Т. 57, №1. С. 9-22.
Поступило в редакцию 25 февраля 2014 г.
