CC BY
342
Паразиты растений
УДК 632.651:581.2
ПРИМЕНЕНИЕ ХИТИНА И ХИТОЗАНА В БОРЬБЕ С ФИТОПАРАЗИТИЧЕСКИМИ НЕМАТОДАМИ
Ж.В. УДАЛОВА1, В.Б. УДАЛОВА2 кандидаты биологических наук С.В.ЗИНОВЬЕВА1 доктор биологических наук
1 Центр паразитологии ИПЭЭ им. А.Н.Северцова РАН, 117071, Москва , Ленинский проспект, 33, e-mail: [email protected].
2Всероссийский научно-исследовательский институт гельминтологии
им. К.И.Скрябина
Приведен обзор литературных данных и результатов собственных исследований по возможности применения хитина и хитозана в борьбе с фитопарази-тическими нематодами. Дан сравнительный анализ экономических и биологических показателей применения этих полимеров в защите овощных культур от фитонематод.
Ключевые слова: хитин, хитозан, борьба, фитопарази-тические нематоды, Meloidogyne incognita.
Хитин - второй по распространенности природный полисахарид (первое место занимает целлюлоза). Он является основой наружного скелета ракообразных, кутикулы насекомых, клеточных стенок грибов и бактерий. В панцирях ракообразных его содержание может составлять до 35 %. Широкая распространенность и значительное содержание в различных биологических объектах определили интерес исследователей к хитину, как к сырью для создания новых материалов на его основе. Однако первоначальные исследования в области модификации хитина показали его низкую реакционную способность по сравнению с целлюлозой, что значительно затормозило дальнейшие работы в этой области и лишь в середине XX в. исследования возобновились. В 1980 г. в связи с увеличением вылова антарктического криля в СССР возникла проблема утилизации многотонных панцирьсодержащих отходов, продукты, разложения которых приводили к загрязнению окружающей среды. Для решения проблемы была создана Всесоюзная комплексная целевая программа «Криль». Было установлено, что хитин и его производные обладают целым рядом уникальных свойств, позволяющих использовать их в различных отраслях производства: в легкой, пищевой и бумажной промышленности, для очистки воды, в медицине, косметологии, сельском хозяйстве и др. В настоящее время мировое производство хитина и его производных составляет 3000 т в год [1]. Возможность применения хитина в борьбе с почвенными фитопатогенными микроорганизмами впервые была показана Mitchell and Alexander [24]. Они установили, что внесение хитина в почву существенно снижает поражаемость корней бобов грибами рода Fusarium, вызывающих корневую гниль.
В сельском хозяйстве хитин используют в борьбе с корневыми нематодами [19, 22, 23, 26]. Механизм его действия недостаточно изучен, но, скорее всего, он связан, с одной стороны, с усилением хитиназной активности различных микроорганизмов почвы (бактерий и актиномицетов), что приводит к разрушению яйцевых оболочек нематод, а с другой, нематодоцидное действие, по-видимому, обусловлено увеличением концентрации аммиака, обра-
зующегося при гидролизе хитина [17, 23, 30, 31]. Поскольку образуется фито-токсичный аммиак, то высокие концентрации хитина в почве могут привести к гибели растений. Однако внесение хитина совместно с гемицеллюлозой (продукт переработки растительного сырья) может существенно снизить фи-тотоксичность [17]. В исследованиях Bell с соавт. [16] было показано, что применение хитина снижает популяции эктопаразитической нематоды Para-trichodorus minor и эндопаразитической Heterodera trifolii как в почве, так и на корнях растений клевера. С другой стороны, общая численность нематодной фауны увеличивается за счет нематод, питающихся бактериями и грибами, что является доказательством отсутствия прямого нематодоцидного действия. Сапробиотические нематоды, вероятно, реагируют на быстрое увеличение хитинолитических микроорганизмов, вызванное внесением хитина в почву, соответственно увеличивается их численность [28]. В вегетационных исследованиях было показано, что внесение в почву хитина позволяет существенно снизить численность Meloidogyne incognita в почве и на корнях растений томатов [20]. Эффективность одновременного внесения хитина с нема-тофаговым грибом Paecilomyces lilacinus оказалась выше в отношении галловой нематоды M. incognita на томатах, чем применение хитозана и гриба по отдельности [25]. Оценку проводили на основании развития растений и количеству образовавшихся галлов на грамм корней. На основе хитина создан препарат кландозан, применяемый для снижения численности фитонема-тод и в том числе таких патогенных, как галловые, паразитирующих на основных овощных культурах [27, 29, 30].
Одним из существенных недостатков применения хитина является слишком высокая норма расхода. Для того чтобы популяция нематод ощутимо сократилась, необходимо внести около 10 тонн данного вещества на гектар посадок [29-31].
Для хитина характерна большая длина и ограниченная гибкость макромолекул. Вследствие высокой жесткости полимерной цепи и интенсивного межмолекулярного взаимодействия полимер плохо растворим.
Число кристаллических областей в хитине достаточно велико и составляет в зависимости от происхождения и способа выделения 60-85 % [1]. Трансрасположение в элементарном звене макромолекулы хитина заместителей (ацетамидной и гидроксильной групп) у С2 и С3 обусловливает значительную гидролитическую устойчивость ацетамидных групп, поэтому отщепление ацетамидных групп можно проводить в достаточно жестких условиях и не полностью. В процессе дезацетилирования хитина существенно уменьшается общая упорядоченность структуры макромолекулы, степень кристалличности снижается и составляет 40-50 %, уменьшается молекулярная масса макромолекулы из-за существенной деструкции полимерной цепи.
Одной из главных характеристик полимеров, обусловливающих широту его применения, является растворимость. В отличие от своего предшественника хитина, хитозан, получаемый его дезацетилированием, достаточно хорошо растворим в разбавленных органических кислотах, а низкомолекулярные формы растворимы в воде в отсутствие кислой среды. Для хитозана характерно явление полиэлектролитного набухания, т. е. аномальное повышение вязкости разбавленных растворов при уменьшении концентрации полимера.
Благодаря большому числу функциональных групп хитозана обеспечивается возможность образования между полимером-хитозаном и другими химическими соединениями связей различной прочности, что позволяет регулировать скорость выхода препарата и его активность. Поэтому хитозан широко используют в качестве биоразлагаемого носителя препаратов различной направленности, что обеспечивает их эффективное и пролонгированное действие. В растворенном виде хитозан - универсальный сорбент, поскольку при набухании способен прочно удерживать в своей структуре растворитель, а
также растворенные и взвешенные в нем вещества как органической, так и неорганической природы.
В современном сельском хозяйстве используют препараты на основе хитозана, в частности, для борьбы с галловой нематодой. Хитозан обладает элиситорной активностью и способен индуцировать в растениях как салици-латный, так и жасмонатный пути метаболизма защитных химических реакций [4]. С одной стороны, хитозан угнетает развитие патогена: подавляет рост спор мицелия грибов, обладает антивирусной активностью, с другой, стимулирует прорастание семян, а также рост и развитие растений [2]. На основе хитозана разработаны и внедрены в практику сельскохозяйственного производства такие препараты, как нарцисс (хитозан 50 %, 20 % глутамино-вой кислоты и 30 % янтарной кислоты), хитозары (хитозан + салициловая кислота + фосфорнокислый калий, хитозан + арахидоновая кислота), агрохит (лактат низкомолекулярного хитозана) и др.
На системах картофель - фитофтора, томаты - галловая нематода показано, что обработка растений низкомолекулярным хитозаном (5 кД) вызывает накопление фитоалексинов в тканях растения-хозяина, снижает общее содержание и изменяет состав свободных стеринов, приводя к угнетению развития стеринозависимых патогенов, активирует хитиназы, Р-глюканазы и ли-поксигеназы, а также стимулирует образование активных форм кислорода. Активация неспецифических защитных механизмов в тканях растения позволяет ингибировать рост и развитие патогенов [32].
В производственных условиях на естественно заражШной галловой нематодой M. incognita почве в течение ряда лет проводили исследования, где оценивали нематодоустойчивость растений томатов и огурцов, обработанных препаратом хитоян (низкомолекулярный хитозан, растворенный в 1%-ной янтарной кислоте), их урожайность, а также морфо-физиологические и попу-ляционные показатели нематод [6, 9-13]. Применяемый нами низкомолекулярный хитозан (25 кДа) не фитотоксичен. Благодаря своей структуре, он лучше проникает в корневую систему растения, чем высокомолекулярный. Было показано что, несмотря на заражение корневой системы, галловая нематода в корнях проявляла признаки морфо-физиологического угнетения, выражающееся задержкой развития нематод, мелкими размерами самок, низкой плодовитостью. В условиях теплиц внесение хитозана должно быть регулярным. Для получения стабильного результата интервал внесения должен составлять не менее 2 нед. Нами показано, что данное средство позволяет использовать его на любых стадиях развития растений, что существенно для условий закрытого грунта, где химические средства защиты во время вегетации к применению запрещены.
Учитывая вышеперечисленные свойства хитозана, а именно хорошую растворимость в воде и способность удерживать в структуре растворенные в воде вещества, были проведены исследования возможности комплексного внесения хитозана с другими соединениями, которые могли бы усилить его ингибирующее действие на нематод. Минеральная подкормка растений может оказывать неоднозначное действие на заражение растений нематодой. Так, калийные удобрения способствуют развитию нематофаговых грибов [18], азотные удобрения ингибируют развитие галловой нематоды [21]. С другой стороны, несбалансированное применение минеральных веществ может вызвать ингибирование и создать благоприятные условия для размножения патогена. При субоптимальной обеспеченности растений питательными веществами (азотом, калием и др.) создаются благоприятные условия для развития нематод [3]. В лабораторных условиях было показано [11] , что обработка растений огурца только минеральными удобрениями, входящими в регулярную подкормку растений, не влияла на зараженность растений галловой нематодой, тогда как комплексное внесение минеральной подкормки с хитозаном приводило к снижению количества и размеров галлов, образовавшихся на корнях (в 1,8 и 2,3 раза соответственно). В производственном испы-
тании в системе огурцы - M. incognita, было показано, что совместное внесение минеральных удобрений (калийных, азотных и магниевых) с низкомолекулярным хитозаном позволяет усилить антинематодные свойства хитозана [14, 15]. Применение хитозана совместно с комплексом минеральных удобрений в течение вегетации растений повышает устойчивость растений к заражению нематодой (на 60-70 % снижается количество зараженных растений), увеличивает урожай производственных теплиц (на 2,1-3,6 кг/м2), продлевает срок вегетации на 2-3 мес. Внесение одних минеральных удобрений, наоборот, стимулировало развитие нематод и увеличивало галлообразование на корнях растений, что являлось причиной снижения урожайности растений.
Показано, что применение для защиты растений одного хитозана эффективно только в случае средней степени заражения патогеном, при сильном заражении целесообразно комбинированное внесение хитозана с химическими средствами защиты [5].
Обработка растений антигельминтным препаратом нилвермом показала его эффективность в отношении фитонематод при комбинированном внесении с хитозаном [8]. Совместное действие хитозана с нилвермом изучали на огурцах в производственных теплицах в продленном обороте. Оценивали действие как отдельных соединений, так и их комплекса. Препараты вносили под корень растений. В галлах всех опытных вариантов самки были мельче контрольных, а в отеках содержалось от 8 до 45 яиц, тогда как в контроле -от 250 до 950 яиц. При оценке урожайности огурцов отмечено, что при обработке растений нилвермом она увеличилась на 4 %, хитозаном - на 9, а комплексом нилверм + хитозан - на 11 % по сравнению с контролем.
Тиабендазол из группы бензимидазолов в растениеводстве используют в качестве фунгицида. Он хорошо диффундируют в растительные ткани; не фитотоксичен. Механизм его нематодоцидного действия заключается в блокировке фумаратредуктазы и нарушении энергетического метаболизма у гельминтов. Для бензимидазолов характерно наличие овоцидного и лярви-цидного действия. Они малотоксичны для человека, но плохо растворимы в воде. Препарат оказывает ингибирующее действие на Globodera rostochiensis [33]. Одновременное внесение хитозана и тиабендазола существенно снижает зараженность растений огурца галловой нематодой [7]. Предобработка семян огурцов раствором хитозана, а затем опудривание тиабендазолом позволяет в среднем в 1,5 раза уменьшить интенсивность заражения корневой системы M. incognita.
Таким образом, на больших площадях производственных теплиц обработка растений томатов и огурцов как индивидуально хитозаном, так и в комплексе хитозана с минеральной подкормкой или с препаратами, оказывающими нематодоцидное действие, дает достаточно высокую экономическую эффективность и позволяет, несмотря на существенное исходное заражение растений, получать хороший урожай. А при регулярном их использовании можно значительно снизить и поддерживать невысокий уровень популяции галловой нематоды.
Проводя сравнительный анализ действия хитина и хитозана для борьбы с фитонематодами, можно выделить следующие характеристики данных полимеров. Хитин - экологически безвредное соединение, легко разрушаемое микроорганизмами. Применение хитина способствует увеличению хитиназ-ной активности хитинолитических микроорганизмов, приводящее к снижению численности популяции паразитических нематод и увеличению численности сапробиотических. Нематодоцидное действие связано с увеличением концентрации аммиака при гидролизе хитина. Отрицательными характеристиками хитина являются слабая растворимость из-за высокой жесткости полимерной цепи и интенсивного межмолекулярного взаимодействия, фитоток-сичность при выделении аммиака и высокие нормы расхода.
Хитозан - более перспективное соединение, поскольку он не фитотокси-чен; растворим не только в слабых растворах органических кислот, но и в
воде; у него низкая норма расхода. Механизм действия, направленный против патогенов, в том числе нематод, связан с высокой элиситорной активностью, т. е. хитозан способен индуцировать в растениях защитные химические реакции. Хитозан можно использовать на любых стадиях развития растений; он легко диффундирует в растительные ткани; также возможно комбинированное внесение хитозана с другими препаратами и минеральными веществами, благодаря хорошей растворимости в воде и способности удерживать в структуре растворенные вещества.
Работа выполнена при поддержке грантов «Биоресурсы» и РФФИ.
Литература
1. Гальбрайх Л.С. Хитин и хитозан: строение, свойства, применение // Соросовский образовательный журнал. - 2001. - № 1. - C. 51-56.
2. Гамзазаде А.И., Исмаилов Э.Я., Тютерев С.Л. и др. Новая модификация индуктора болезнеустойчивости растений и регулятора роста // Матер. докл. V Всероссийской конф. «Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана». - Москва-Щелково, 1999. - C. 83-87.
3. Рийспере А. Влияние минерального питания растения-хозяина на развитие картофельной нематоды // Изв. АН ЭССР. Биол. - 1990. - Т. 39, № 3. -С. 196--204.
4. Тютерев С.Л., Евстигнеева Т.А. Механизм действия хитозана в качестве фитоактиватора болезнеустойчивости // Сб. тр. Всерос. съезда по защите растений «Проблема оптимизации фитосанитарного состояния растениеводства». - СПб., 1995. - С. 126-131.
5. Тютерев С.Л. Научные основы индуцированной болезнеустойчивости растений. - С-Пб. ВИЗР, 2002. - 328 с.
6. Удалова В.Б., Селиверстов А.Ф., Ершов Б.Г. Применение хитозана и нилверма в комплексной системе мер борьбы с галловой нематодой в теплицах // Матер докл. V Всерос. конф. «Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана». - Москва-Щелково, 1999. - C. 123-126.
7. Удалова В.Б. Способ предпосевной комплексной обработки семян огурца против галловой нематоды (Meloidogyne spp.). // Пат. №2193834 от 10.12.02.
8. Удалова В.Б., Селиверстов А.Ф., Удалова Ж.В. и др. Применение хитозана в интегрированной системе борьбы с галловой нематодой (Meloidogyne incognita) на огурцах и томатах в тепличных хозяйствах // Сб. раб. «Основные достижения и перспективы развития паразитологии». - M., 2004. - С. 318320.
9. Удалова В.Б., Удалова Ж.В. Влияние хитозана на устойчивость растений огурца к Meloidogyne incognita и морфо-физиологические характеристики нематод // Матер. докл. науч. конф. Всерос. о-ва гельминтол. РАН «Теория и практика борьбы с паразитарными болезнями». - M., 2005. - Вып. 6. - С. 360-362.
10. Удалова В.Б., Селиверстов А.Ф., Удалова Ж.В. Низкомолекулярный хитозан в интегрированной защите растений огурцов от галловой нематоды // Матер. докл. науч. конф. Всерос. о-ва гельминтол. РАН «Теория и практика борьбы с паразитарными болезнями». - M., 2006. - Вып. 7. - С. 404-405.
11. Удалова В.Б., Удалова Ж.В., Селиверстов А.Ф. Применение низкомолекулярного хитозана с минеральными удобрениями в борьбе с галловой нематодой на растениях огурца // Матер. докл. науч. конф. Всерос. о-ва гельминтол. РАН «Теория и практика борьбы с паразитарными болезнями». - M., 2007. - Вып. 8. - С. 358-360.
12. Удалова Ж.В., Удалова В.Б., Селиверстов А.Ф. Комплексное применение низкомолекулярного хитозана в борьбе с галловой нематодой в производственных теплицах // Сб. раб. «Биоразнообразие и экология паразитов наземных и водных ценозов». - M., 2008. - С. 391-393.
13. Удалова В.Б., Удалова Ж.В., Селиверстов А.Ф. Индуцирование устойчивости растений огурца к галловой нематоде (Meloidogyne incognita) в производственных условиях защищенного грунта // Матер. докл. науч. конф. Всерос. о-ва гельминтол. РАН «Теория и практика борьбы с паразитарными болезнями». - M., 2008. - Вып. 9. - С. 474-476.
14. Удалова В.Б., Шестеперов А.А., Зиновьева С.В. и др. Методические рекомендации по применению хитояна при комплексной обработке растений огурца в борьбе с галловой нематодой в защищенном грунте // Рос. паразито-ло. журнал. - 2008. - № 3. - С. 117-119.
15. Удалова В.Б., Удалова Ж.В., Селиверстов А.Ф. и др. Способ обработки растений огурца против галловой нематоды (Мeloidogyne spp.) // Пат. № 2353085 от 27.04.09
16. Bell N.I., Watson R.N., Sarathchandra S.U. Suppression of plant parasitic nematodes in pastoral soils amended with chitin // New Zealand Plant Protect. -2000. - V. 53. - P. 44-47.
17. Culbreath A.K., Rodriguez-Kabana R., Morgan-Jones G. The use of hemi-cellulosic waste matter for reduction of the phytotoxic effects of chitin and control of root-knot nematodes // Nematropica. - 1985. - V. 15, N 1. - P. 49-75.
18. Eayre C.G., Jaffee B.A., Zehr E.I. Influence of potassium on spore germination in the nematophagous fungus, Hirsutella rhossiliensis 1 // J. Nematol. -1990. - V. 22, N 4. - P. 612-613.
19. Godoy G., Rodriguez-Kabana R., Shelby R.A. et al. Chitin amendments for control of Meloidogyne arenaria in infested soils. II. Effects on microbial population // Nematropica. - 1983. - V. 13. - P. 63-74.
20. Ladner D.C., Tchounwou1 P.B. Evaluation of the effect of ecologic on root-knot nematode, Meloidogyne incognita, and tomato plant, Lycopersicon escu-lenum // Int. J. Environ. Res. Public Health. - 2008. - V. 5, N 2. - P. 104-110.
21. Laksharmana Rao P.V., Das J., Das A.K. et al. Evaluation of nematicidal properties of common chemicals against root-knot nematode, Meloidogyne javani-ca // Geobios. - 1990. - V. 17, N 5-6. - P. 251-254.
22. Mankau R., Das S. Effect of organic materials on nematode bionomics in citrus and root-knot nematode infested soil // Indian J. Nematol. - 1974. - V. 4. -P.138-151.
23. Mian J.H., Godoy G., Shelby R.A., Rodriguez-Kabana R. et al. Chitin amendments for control of Meloidogyne arenaria in infested soil // Nematropica. -1982. - V. 12. - P. 71-84.
24. Mitchell R., Alexander M. Chitin and biological control of Fusarium diseases. P1 // Dis. Reptr. - 1961. - V. 45. - P. 487-490.
25. Mittal N., Saxena G., Mukerji K.G. Integrated control of root-knot disease in three crop plants using chitin and Paecilomyces lilacinus // Crop Protection. -
1995. - V. 14,N 8. - P. 647-651.
26. Rodriguez-Kabana R., Morgan-Jones G., Ownley G.B. Effects of chitin amendments to soil on Heterodera glycines microbial populations and colonization of cysts by fungi // Nematropica. - 1984. - V. 14. - P. 10-25.
27. Rodriguez-Kabana R., King P.S., Robertson D.G. et al. Carden, potential for management of soybean nematodes // Nematropica. - 1988. - V. 18, N 1. - P. 45-52.
28. Sarathchandra S.U., Watson R.N., Cox N.R. et al. Effects of chitin amendment of soil on microorganisms,nematodes and growth of white clover (Tri-folium repens L.) and perennial ryegrass (Lolium perenne L.) // Biol. Fert. Soils. -
1996. - V. 22. - P. 221-226.
29. Spiegel Y., Cohn E., Chet I. Use of chitin for controlling plant parasitic nematodes I. Direct effects on nematode reproduction and plant performance // Plant and Soil. - 1986. - V. 95. - P. 87-95.
30. Spiegel Y., Chet I., Cohn E. Use of chitin for controlling plant-parasitic nematodes. II. Mode of action // Plant and Soil. - 1987. - V. 98. - P. 337-345.
31. Spiegel Y., Chet I., Cohn E., Galper S. et al. Use of chitin for controlling plant-parasitic nematodes. III. Influence of temperature on nematicidal effect, mineralization and microbial population buildup // Plant and Soil. - 1988. - V. 109. -P.251-256.
32. Vasyukova N.I., Zinov'eva S.V., Il'inskaya L.I. et al. Modulation of plant resistance to diseases by water-soluble chitosan // Appl. Biochem. and Microbiol. -2001. - V. 37, N 1. - P. 103-109.
33. Whitead A. G., Bromilow R. H., Fraser J. E. et al. Control of potato cyst-nematode, Globodera rostochiensis, and root-knot nematode, Meloidogyne incognita, by organosphosphorus, carbamate, benzimidazole and other compounds // Ann. of Appl. Biol. - 1985. - V.106, N 3. - P. 489-498.
Application of chitin and chitosan in control with phytoparasitic nematodes Zh.V. Udalova, V.B. Udalova, S.V. Zinovieva
The review of literary and own data about possibility of application of chitin and chitosan in control with phytoparasitic nematodes is presented. The comparative analysis of economic and biological indicators of application of the polymers in protection of vegetable cultures from phytonematodes is given.
Keywords: chitin, chitosan, phytoparasitic nematodes, control, Meloidogyne incognita.
