CC BY
12Вестник защиты растений, ,3, 2004 39
УДК 632.053:632.938
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ДЕЙСТВИЯ НЕКОТОРЫХ ИНДУКТОРОВ БОЛЕЗНЕУСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ НА ВРЕДНЫХ ЧЛЕНИСТОНОГИХ
Е.П.Мокроусова, Е.А.Степанычева, А.В.Щеникова, В.Н.Буров
Всероссийский НИИ защиты растений, Санкт-Петербург
В лабораторных экспериментах проведена оценка влияния обработок растений огурца хи-тозансодержащими индукторами болезнеустойчивости на поведенческие реакции и демографические показатели повреждающих его фитофагов - оранжерейную белокрылку и калифорнийского трипса. Установлено, что хитозар М индуцирует повышение устойчивости к ним растений. Обработанные всходы оказывают репеллентное действие на имаго белокрылки, вызывая снижение численности заселяющих растения самок и откладываемых яиц, и снижают потенциал размножения калифорнийского трипса. хитозары М-1 и F повышают репеллентное действие растений на белокрылку, а хитозар F-Cu M делает растение более привлекательным для этого фитофага. Обсуждается вопрос о необходимости при использовании индукторов болезнеустойчивости растений, как средств защиты, учитывать их возможное влияние и на другие компоненты агроценоза, вредных и полезных членистоногих.
В последние годы один из путей поиска новых химических средств защиты растений (ХСЗР) связывают с изучением природы и механизмов действия семи-охемиков - феромонов, алломонов, регуляторов роста, развития и поведения насекомых и ряда других веществ, регулирующих химическое взаимодействие в биологических системах на популяцион-ном и биоценотическом уровне (Буров, Новожилов, 2001). Феномен использования одной из групп этих соединений, а именно - индукторов иммунитета, состоит в их способности стимулировать механизмы химической самозащиты растений в ответ на повреждающее действие вредных организмов. Факты существования индуцированной химической защиты растений, основанной на их способности отвечать на повреждающее воздействие биотических агентов продукцией защитных веществ, обеспечивающих их устойчивость к повторному заражению, обнаруженные еще в 70-е годы прошлого века (Loebenstein, 1963; Kuc, 1966), наиболее полно изучены в отношении взаимодействия растение - фитопатоген. В этом направлении удалось не только зарегистрировать ответные защитные реакции растений, но и выявить природу веществ, как обеспечивающих эту защиту от патогенов, так и ответственных за индукцию их синтеза растением (элисито-ров). На основе последних уже созданы
синтетические аналоги индукторов иммунитета к болезням, ряд из которых (бион, хитозан, фитохит и др.) используются в сельскохозяйственной практике в виде коммерческих защитно-стимулирующих составов (Тютерев, 2000). Отличительной особенностью подобных химических средств защиты растений является отсутствие у них прямого токсического (биоцидного) действия и обеспечение защитного эффекта через влияние на ре-гуляторные механизмы, в частности -через активацию генов защиты и изменения обмена веществ в сторону, неблагоприятную для патогенов. Аналогичная способность растений повышать свою устойчивость к фитофагам после воздействия на них природными или синтетическими элиситорами была установлена значительно позже (Green, Ryan, 1972). Показано, что результатом искусственной (при обработке элиситорами) или естественной (вызванной предварительным повреждением) индуцированной иммунизации растения становится или резкое уменьшение его привлекательности для фитофага при питании или откладке яиц, или снижение ряда демографических показателей (темпов роста, развития, массы тела, плодовитости) и, как правило, значительное увеличение смертности, приводящее к снижению коэффициента роста численности популяции. В то же время в литературе появляются
противоречивые данные о возможностях как положительного, так и отрицательного реципрокного влияния обработок индуцирующими защитные реакции элисито-рами на патогенов и фитофагов, сосуществующих в одном биотопе.
Применительно к целям защиты растений, в условиях обычно наблюдаемого одновременного воздействия на растение фитофагов и возбудителей болезней возникает особая необходимость изучения воздействия используемых индукторов
Вестник защиты растений, ,3, 2004 болезнеустойчивости не только на патогенов, но и на другие элементы системы, в частности - на растительноядных членистоногих.
Задачей настоящей работы явилось выявление возможности побочного действия некоторых рекомендованных к использованию в борьбе с фитопатогенами индукторов болезнеустойчивости на основе хитозана на сопутствующие виды членистоногих - вредителей растений защищенного грунта.
Методика ]
Лабораторные эксперименты проводили во Всероссийском НИИ защиты растений на базе лаборатории регуляторов роста, развития и поведения насекомых. Семиохимическое взаимодействие изучалось в двухкомпонентных системах растение -вредитель. В качестве продуцента использовались растения огурца (Cucumis sativus, гибрид Фларри), в качестве консументов - оранжерейная бе-локрылка (Trialeurodes vaporariorum Westwood) и западный цветочный трипс (Frankliniella occidentalis Pergande). Оцениваемые индукторы болезнеустойчивости - хитозансодержащие элиситоры -: хитозар-М, хитозар М-1, хитозар-F, хи-тозар- F^u M, рекомендованные для борьбы с мучнисто- и ложно-мучнисторосяными грибами, были синтезированы в лаборатории фитотоксиколо-гии ВИЗР проф. С.Л.Тютеревым. Первые из них (группа М) имеют в своем составе такие известные элиситоры, как салициловая, а вторые (группа F) - жасмоновая кислоты.
Растения огурца, выращиваемые индивидуально в пластиковых стаканчиках, в фазе 2-3-х настоящих листьев обрабатывали 0.1% (по д.в.) растворами индукторов до момента смыкания капель на листьях.
В экспериментах с оранжерейной бе-локрылкой характер ответной реакции растений на обработку элиситором оценивали через двое суток после опрыскивания, используя биотесты. При этом дистантную ориентацию имаго фитофага
на интактные и обработанные растения прослеживали в условиях их свободного выбора в течение 8 последующих дней в специально сконструированных садках-ольфактометрах (рассеянное освещение, температура +25°С). Ежедневно оценивали распределение имаго между растениями. В конце опыта подсчитывали количество отложенных яиц. Повторность опытов 4-кратная.
При работе с калифорнийским трип-сом оценивали влияние обработок индукторами устойчивости на демографические показатели фитофага, определяющие дальнейшую динамику его численности. С этой целью в садок со взрослыми особями вредителя помещали по 8 обработанных и контрольных растений для питания и откладки яиц. Через два дня имаго трипсов удаляли, а растения с отложенными на них яйцами переносили в чистый бокс для предотвращения повторного заселения. Эффект воздействия оценивали по изменению численности личинок дочернего поколения на обработанных и контрольных растениях.
С целью выяснения конкретных факторов, вызывающих снижение потенциала размножения, через двое суток после обработки листья с обработанных и контрольных растений заселяли на 2 дня самками трипса, после чего подсчитывали процент их смертности. При дальнейшем наблюдении фиксировали процент отрож-дения личинок и их выживаемость до линьки на II возраст. Опыт включал 10 повторностей по 10 самок в каждой.
Вестник защиты растений, ,3, 2004
При определении прямого действия препаратов на трипса листья огурца заселяли самками фитофага в день обра-
41
ботки (сразу после испарения растворителя) и в дальнейшем соблюдали методику предыдущего опыта.
Результаты
Предварительными экспериментами было показано, что ни один из испытываемых препаратов сам по себе не обладает аттрактантным или репеллентным действием для используемых в биотестах фитофагов. В то же время серия экспериментов по дистантной ориентации оранжерейной белокрылки наглядно продемонстрировала четко выраженную оль-факторную реакцию имаго по отношению к обработанным растениям и выявила существенные различия в реакции фитофага на растения, обработанные разными индукторами болезнеустойчивости (табл. 1). Наиболее ярко эти различия выражены в вариантах с хитозаром FCu М и хитоза-рами F и М, где в первом случае наблюдается эффект аттрактивного действия, а в двух других - репеллентного. Следу-
и обсуждение
ет отметить, что, несмотря на относительно небольшую продолжительность сохранения высокой аттрактивности растениями (порядка 3 дней), обработанными хитозаром FCu Ы, количество откладываемых на их листья яиц превышает этот показатель на контроле (необработанные растения) более чем в 2 раза. После применения хитозара М репеллент-ное действие сохранялось на протяжении всего периода наблюдений, а численность отложенных яиц снижалась в 4 раза по сравнению с контролем. Реакции фитофага на растения, обработанные хитоза-ром F, свидетельствуют о сравнительно непродолжительном периоде репеллент-ного действия на имаго, но о существенном снижении интенсивности яйцекладки фитофага на обработанных растениях.
Таблица 1. Влияние обработки растений огурца индукторами болезнеустойчивости на их предпочитаемость оранжерейной белокрылкой
Количество имаго на растениях в различные дни после Наименование обработки индукторами устойчивости
Количество отложенных яиц на 8
индуктора 2- й 3-й 5-й 7-й день после обработки, экз/см2
Хитозар F-СuM
Опыт 89.5 ± 20.2 а 71.0 ± 8.5 а 38.0 ± 12.7 а - 98.7 ±11.4 а
Контроль 34.5 ± 4.5 б 50.7 ±14.4 а 20.2 ± 6.2 а - 42.7 ±7.8 б
Хитозар М-1 Опыт 10.7 ± 6.3 а 11.7 ± 4.6 а 26.7 ± 6.9 а
Контроль - 6.5 ± 4.9 17.2 ± 0.8 а 29.3 ± 3.2 а
Хитозар F Опыт 9.5 ± 2.5 а 10.5 ± 2.4 а 22.0 ± 2.4 а
Контроль - 23.9 ± 15.5 а 23.2 ± 7.6 а 65.7 ± 19.5 б
Хитозар М Опыт 7.2 ± 5.3 а 9.2 ± 2.6 а 7.2 ± 2.6 а 3.0 ± 0.8 а 5.7 ± 1.6 а
Контроль 15.7 ± 10.7 б 19.2 ± 8.8 а 21.2 ± 2.2 б 21.0 ± 5.7 б 24.2 ± 4.1 б
В садковых экспериментах с калифорнийским трипсом в условиях свободного выбора растений только в варианте с хитозаром М после 2- дневной экспозиции имаго фитофага отмечено достоверное снижение (на 43%) количества личинок дочерней генерации на обработанных растениях по сравнению с контрольными (табл. 2). Уточнение механиз-
мов, вызывающих такую реакцию популяции, показало, что ни в одном из вариантов содержания трипсов на обработанных индукторами устойчивости растениях не отмечается увеличения смертности ни взрослых особей трипса, ни отродившихся личинок дочерней генерации (табл. 3). В то же время в экспериментах с обработками растений индукторами хи-
тозар М и хитозар М-1 зарегистрировано отрицательное влияние содержания имаго на обработанных растениях на плодовитость самок. Интересно, что при экспозиции самок на обработанных листьях в течение суток индекс стерилизации в обоих вариантах составляет 64.3%, в то время как увеличение продолжительности их содержания до двух суток резко снижает этот показатель. В варианте с хитозаром М этот эффект снижается до уровня 47%, а при обработке хитозаром М-1 исчезает полностью. Дальнейшие эксперименты должны показать, имеем ли мы в данном случае дело с результатом прямого кратковременного действия выделяемых индуцированным растением веществ на процессы оогенеза, или наблюдаемый эффект является результатом простой задержки реализации уже
Вестник защиты растений, ,3, 2004 сформированной яйцепродукции, не изменяющей общей плодовитости фитофага.
Таблица 2. Влияние обработки растений огурца индукторами болезнеустойчивости на численность дочернего поколения калифорнийского трипса (садковый эксперимент) Число личинок дочернего поколения на 1 растение
Индукторы устойчивости
Снижение численности потомства, %
Хитозар М-1 Контроль
35.0 ± 7.15 39.9 ± 7.49
0
Хитозар М Контроль
15.0 ± 2.17* 26.6 ± 3.25
43.6
Хитозар Е Контроль
29.2 ± 5.21 34.8 ± 3.96
Хитозар Е-Си М Контроль_
36.3 ± 7.25 30.3 ± 3.34
*Различия Р>0.95.
с контролем существенны при
Таблица 3. Влияние обработки всходов огурца индукторами болезнеустойчивости на демографические показатели калифорнийского трипса
Вариант Экспозиция самок (сутки) Исходное количество самок Гибель самок, % Количество отродившихся личинок на 1 самку Индекс стерилизации Смертность личинок, % (до 2 возраста)
Хитозар М (0.1% д.в.) 2 101 8.8 ± 2.8 0.8 ± 0.10* 47.3 0
Контроль 2 99 7.0 ± 3.0 1.5 ± 0.19 - 0
Хитозар М-1 (0.1% д.в.) 2 71 0 2.3 ± 0.31 0 0
Контроль 2 77 0 1.8 ± 0.39 - 0
Хитозар Е-Си М (0.1% д.в.) 2 91 1.0 ± 1.0 1.9 ± 0.31 0 0
Контроль 2 106 0 1.8 ± 0.22 - 0
Хитозар М (0.1% д.в.) 1 83 1.2 ± 1.0 0.5 ± 0.16* 64.3 1.2
Контроль 1 89 2.2 ± 2.2 1.4 ± 0.27 - 0
Хитозар М-1 (0.1% д.в. 1 87 1.2 ± 1.0 0.5 ± 0.16* 64.3 0
Контроль 1 89 2.2 ± 2.2 1.4 ± 0.27 - 0
Хитозар Е (0.1% д.в) 1 62 14.8 ± 5.2 1.1 ± 0.39 0 0
Контроль 1 74 1.2 ± 1.2 0.8 ± 0.18 - 0
*Различия с контролем существенны при Р>0.95.
В любом случае проведенные исследования свидетельствуют о том, что результаты обработки растений индукторами болезнеустойчивости не ограничиваются изменениями их реакции на воздействие патогенов, но могут оказывать существенное модифицирующее влияние и на характер взаимодействия растения с фитофагами. В частности, это касается препарата хитозар М, обработка которым растений огурца вызывает повыше-
ние их защитной реакции как к оранжерейной белокрылке, так и к калифорнийскому трипсу, выражающееся в снижении заселяемости растений и плодовитости фитофагов. Аналогичным образом препараты хитозар М-1 и хитозар Е, существенно повышают прямую защитную реакцию огурца, снижая его привлекательность для яйцекладущих самок оранжерейной белокрылки.
Однако, в то же время есть основания
0
0
Вестник защиты растений, ,3, 2004 полагать, что ответные реакции растений на обработки синтетическими иммуномо-дуляторами болезнеустойчивости могут иметь не только однонаправленное положительное, но и разнонаправленное (антагонистическое) действие на патогенов и фитофагов. При этом усиление защитных реакций растения против патогенов может сопровождаться снижением их устойчивости к фитофагам и усилением вредоносности последних. Примером такого рода могут быть эксперименты с использованием в качестве индуктора болезнеустойчивости хитозара Е-Си М, способствующего повышению аттрак-тивности растений огурца для оранжерейной белокрылки и, соответственно, резко увеличивающего его заселение этим фитофагом. Следует отметить, что в экспериментах с этими же индукторами на калифорнийском трипсе аналогичных результатов выявлено не было.
Обзор литературы, посвященной изучению спектров действия синтетических активаторов болезнеустойчивости и, в частности, композиций на основе хитоза-на, свидетельствует о том, что среди них могут существовать как препараты, эффективные против определенных патогенов, так и элиситоры с широкой неспецифической активностью против комплекса патогенов (Тютерев, 2002). Индуцируя ряд каскадов ответных биохимических реакций, характеризующихся определенным уровнем видоспецифично-сти, эти композиции могут вызывать проявление многообразных форм защитных реакций, включающих физиологические, морфологические и биохимические изменения. В последнем случае в системе растение - патоген это касается, в первую очередь, увеличения содержания фитоалексинов и других антибиотических веществ, накопления лигнина, повышения активности хитиназ, ряда ферментов, образования PR- белков и других веществ, подавляющих развитие инфекции. Некоторые из этих или подобных им веществ могут оказывать прямое отрицательное действие и на питающихся на индуцированном растении фитофагов. В частности, повышение активности хити-
назы оказывает отрицательное действие на рост и развитие гусениц фитофага -тутового шелкопряда (Shapiro et al., 1987). Предполагается, что хитиназа может способствовать деградации хитина -основного компонента структуры покровных тканей и таким образом способствовать проникновению инфекции в организм насекомого (Graham, Sticklen, 1994).
Работы с индукторами болезнеустойчивости на томате экспериментально доказали их способность не только подавлять развитие болезнетворных патогенов, но и снижать численность таких фитофагов, как минеры Liriomisa spp. (Inbar et al., 1998).
Недостаточно выясненным остается вопрос о возможности индукторов болезнеустойчивости, вызывающих синтез PR-белков, влиять на образование специфических ингибиторов гидролаз фитофагов. В то же время это имеет большое значение, так как известно, что даже при ограниченном несоответствии структуры биополимеров с гидролитическими ферментами гидролиз пищи затрудняется и физиологические процессы у фитофагов нарушаются (Шапиро, 1985).
Практически невыясненным до настоящего времени остается вопрос и о характере влияния индукторов болезнеустойчивости на такие стороны обменного процесса растений, как образование летучих метаболитов. Это связано с тем, что данный тип соединений фактически не играет роли в обеспечении защитных реакций растений от фитопатогенов. Между тем в индуцированном иммунитете растений к фитофагам летучие фракции вторичных метаболитов, определяющие поведенческие реакции фитофагов и энтомофагов и их дистантную ориентацию на поврежденное растение, могут иметь ведущее значение (Pare, Tumlinson, 1998).
Ранее с помощью ольфакторных биотестов (Pare, Tumlinson, 1996) и прямыми аналитическими методами (Pallini et al., 1997) уже было показано, что растения огурца, поврежденные некоторыми видами фитофагов, не только становятся менее благоприятными как для повтор-
ного заражения, так и для развития на них родительской и дочерней генерации фитофагов, но и начинают продуцировать летучие соединения, оказывающие на них репеллентное действие.
Выявленная нами различная степень привлекательности обработанных и контрольных растений огурца для бело-крылки свидетельствует о том, что подобную защитную реакцию растений вызывает и их обработка некоторыми индукторами болезнеустойчивости. По-видимому, эта реакция может быть связана со сложным и специфическим инстинктом "заботы о потомстве", при реализации которого самки многосторонне оценивают качество растений и избирают наиболее подходящие для них с целью откладки яиц. Снижение аттрактив-ности кормового растения при этом является показателем его меньшей благоприятности как для имаго, так и, в дальнейшем, для личинок. Кроме того, поиск мест питания и откладки яиц на растениях с повышенной устойчивостью требует больших энергетических затрат, ведущих в свою очередь к снижению плодовитости самок (Шапиро, 1985). Именно этот эффект был отмечен в наших экспериментах с трипсом и белокрылкой на
Вестник защиты растений, ,3, 2004 растениях, обработанных некоторыми индукторами болезнеустойчивости.
В настоящее время невозможно заранее предсказать реакцию отдельных видов фитофагов на обработку каким-либо индуктором болезнеустойчивости растений, равно как и реакцию конкретного вида фитофага (или энтомофага) на обработку растений разными элиситорами. Характер и механизмы этих ответов могут быть поняты только после накопления и тщательного анализа экспериментального материала. Тем не менее, учитывая все большее расширение масштабов практического применения индукторов болезнеустойчивости как средств защиты растений целесообразность глубокого изучения возможного их влияния на сопутствующие виды вредных и полезных членистоногих не вызывает сомнений.
Авторы выражают глубокую признательность профессору С.Л.Тютереву за предоставленные композиции индукторов болезнеустойчивости и оказание методической помощи.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 02-04-50028
Литература
Буров В.Н., Новожилов К.В. Семиохемики в защите растений от сельскохозяйственных вредителей. /Труды РЭО, 72, 2001, с.3-15.
Тютерев С.Л. Совершенствование химического метода защиты сельскохозяйственных культур от семенной и почвенной инфекции. СПб, 2000, 251 с.
Тютерев С.Л. Научные основы индуцированной болезнеустойчивости растений. СПб, 2002, 328 с.
Шапиро И.Д. Иммунитет полевых культур к насекомым и клещам. Л., 1985, 320 с.
Graham L.S., Sticklen M.B. Plant hitinases. /Can. J. Bot., 72, 1994, p.1057-1083.
Green T.R., Ryan C.A. Wound-induced proteinase inhibitor in plant leaves; a possible defence mechanism against insects. /Science, 175, 1972, p.776-777.
Inbar M., Doostdar H., Sonoda R.M., Leibee G.L., Mayer R.T. Elicitors of plant defensive systems reduce insect densities and disease incidence. /Journal of Chemical Ecology, 24, 1,
1998, p.135-149.
Kuc J. Resistance of plants to infections agent. /Ann. Rev. Microbiology, 20, 1966, p.337-370.
Loebenstein G. Further evidence on systemic resistance induced by localised necrotic virus infections in plants. /Phytopathology, 53, 1963, p.306-308.
Pallini A., Jansen A., Sabelius M. Odour-mediated responses of phytophagous mites to conspecific competitors. /Oecologia, 110, 1997, p.179-185.
Pare P.W., Tumlinson J.H. Plant volatile signals in response to herbivore feeding. /Florida Entomologist, 79, 2, 1996, p.93-103.
Pare P.W., Tumlinson J.H Cotton volatiles synthesis and released distal to the site of insect damage. /Phytochemistry, 47, 1998, p.521-526.
Shapiro M., Presler H.K., Robertson J.L. Enhancement of baculovirus activity on gypsy moth (Lepidoptera: Lymantriidae) by chitinase. /J. Econ Entomol, 80, 1987, p.1113-1116.
Вестник защиты растений, ,3, 2004
45
PRELIMINARY EVALUATION OF INFLUENCE OF SOME INDUCTORS OF DISEASE-RESISTANCE IN PLANTS ON INVERTEBRATE PESTS E.P.Mokrousova, E.A.Stepanycheva, A.V.Shchenikova, V.N.Burov In laboratory bioassays the influence of treatments of cucumbers by chitosan-bearing inductors of disease-resistance in plants on herbivores (greenhouse whitefly and western flower thrips) has been evaluated. These pests have been found to demonstrate different behavioural responses and demographic indexes depending on the inductors used. Chitosar M has induced increasing the plant defense both against greenhouse whitefly and western flower thrips. Plants treated by this inductor have showed repellent properties for imagoes of greenhouse whitefly that has resulted in the significant decrease of the egg numbers lied. Similar results have been obtained in tests with western flower thrips. Chitosar M-1 and Chitosar P have stronger repellent activity for the greenhouse whitefly, than Chitosar M, whereas Chitosar F-Cu M induces attractiveness of plants for this pest. A possible practical application of the data obtained is discussed.
