|
Цель проекта заключается в разработке способа защиты
пшеницы и других злаковых культур от фузариозных гнилей с помощью
сочетания различных микробов-антагонистов, создание на их основе
глубинной технологии производства биологической субстанции, на основе
которой возможно создание пастообразных биопрепаратов, сохраняющих
биологическую активность штаммов-продуцентов и обладающих необходимыми
потребительскими свойствами.
Парша пшеницы, также известная как
фузариоз колоса (ФК), является серьезной болезнью пшеницы и ячменя и
вызывается грибами Gibberella zeae (анаморф - Fusarium graminearum). Во
время эпидемий болезнь приводит к существенным потерям урожая пшеницы и
ячменя в различных зерносеющих регионах мира. В период эпифитотий, когда
до 80% площадей инфицированы, потери урожая оцениваются сотнями
миллионов долларов. Так, например, в период 90-х годов экономический
ущерб от этой болезни в США составил около 1.2 млрд. долларов. Но не
только наличие возбудителя болезни является причиной потерь урожая.
Инфицированное зерно имеет низкое качество из-за наличия в нем
микотоксинов, включая дезоксиниваленол (ДОН) и эстрогенный токсин
зеараленон. ДОН подавляет рост клеток млекопитающих и может ингибировать
включение аминокислот при синтезе белка в клетках растений.
Попытки
снизить вредоносность парши обычно используемыми мерами для борьбы с
болезнями растений оказываются, в основном, безрезультативными или
непрактичными. Например, стандартная обработка полей после уборки урожая
путем запашки зараженных растительных остатков, может уменьшить
потенциал болезни, однако этот прием экономически не очень выгоден.
Определенные успехи сделаны в обнаружении и анализе естественной
устойчивости к парше у тех сортов пшеницы, которые постоянно
возделываются и являются чувствительными. Обработка химическими
фунгицидами снижает заболеваемость, но только несколько фунгицидов
зарегистрированы для использования на пшенице в период колошения.
Использование предпосевной обработки семян химическими фунгицидами также
снижает заболеваемость, однако экологическая небезопасность химических
фунгицидов и их остатков в почве делает малопривлекательной и эту
альтернативу.
Микробиопрепараты на основе микроорганизмов для борьбы
с фузариозом колоса пшеницы являются экологически безвредными и
эффективными средствами, существенно снижающими поражения, вызываемые F.
graminearum. В настоящее время проводятся исследования по разработке
стратегии биозащиты от фузариоза колоса пшеницы и поиску микроорганизмов
для осуществления этой стратегии. В последние годы биологические
средства защиты растений (БСЗР) стали наиболее приемлемой альтернативой
для борьбы с болезнями растений, и биопрепараты находят все более
широкое использование в сельском хозяйстве.
Две
научно-исследовательских группы предполагают объединить свои усилия в
совместном проекте по разработке биопрепаратов для борьбы с фузариозом
колоса зерновых культур: Коломбет Л.В., Государственный
Научно-исследовательский Центр Прикладной Микробиологии (ГНЦПМ),
Оболенск, Московская область, Россия и Шислер Д.А. – Национальный Центр
прикладных исследований в сельском хозяйстве (НЦПИСХ), Министерство
Сельского хозяйства США, Департамент научного обслуживания сельского
хозяйства (USDA-ARS).
Коломбет Л. В. с сотрудниками выделили штамм
микофильного гриба Trichoderma viride, обладающий антагонистической
активностью против широкого спектра фитопатогенных грибов, относящихся к
родам Fusarium, Helminthosporium, Rhizoctonia, Pythium, Sclerotium,
Alternaria и Verticillium. Штамм 16 T. viride был испытан для
предпосевной обработки семян пшеницы. В полевых опытах обработка штаммом
T. viride эффективно подавляла развитие фузариоза в дозах 20-30 г/тонну
семян, достигая эффективности, эквивалентной обработке химическим
стандартом в дозе 2 кг/тонну семян. Также было показано 8-10 кратное
снижение содержания фузариотоксинов в зерне после обработки T. viride по
сравнению с зерном, обработанным химическим фунгицидом.
Шислер с сотрудниками выделили 6 различных штаммов микроорганизмов,
обработка которыми пшеницы в стадии цветения, снижает заболеваемость
фузариозом. Большинство этих штаммов – грам-положительные бактерии, а
также дрожжи, были выделены из пыльников пшеницы с последующим
скринингом на способность разрушать холин. Холин стимулирует удлинение
ростовой трубки конидий гриба F. graminearum и присутствует в пыльниках
и других чувствительных к фитопатогену тканях колоса. Эти штаммы
показали свою эффективность против F. graminearum на пшенице в теплице и
в полевых опытах. Заболеваемость паршой была снижена более чем на 80% в
условиях теплицы и около 56% в полевых условиях при использовании одного
из штаммов этих микроорганизмов.
В предыдущих исследованиях по
биозащите клубней картофеля при хранении от фузариозной сухой гнили
Шислер показал, что обработка поврежденных клубней смесью двух
бактериальных антагонистов приводит к аддитивному, а иногда и
синергетическому эффекту. Удивительно, что эффективность обработки была
достигнута при использовании доз в 100 раз меньших, чем дозы для каждого
антагониста в отдельности. Поскольку стоимость получения биомассы
биопрепаратов является важным показателем в определении экономической
возможности биологической защиты, перспективной является разработка
таких методов применения препаратов, позволяющих достичь защитного
эффекта при сокращенных дозировках биопрепаратов. Пока не известно,
будут ли существенно снижены дозы при использовании различных
предлагаемых микробов-антагонистов, однако факт, что эти антагонисты
эффективны на разных стадиях жизненного цикла патогена, увеличивает
вероятность получения, по крайней мере, аддитивного эффекта в снижении
поражения пшеницы фузариозом по сравнению с обработкой только одним
антагонистом.
Успех защиты растений от болезней нередко зависит не
только от выбора защитного средства, но и от правильного срока его
применения. Специалисты-фитопатологи считают, что современные системные
фунгициды наиболее эффективны при обработках в инфекционные периоды за
4-5 дней до появления видимых признаков заболевания. Соавторами проекта
разработан индикатор (смесь специально подобранных химических веществ),
позволяющий через 2 часа после нанесения на листья или плоды обнаружить
за несколько дней до видимых проявлений болезни наличие в тканях
растения спор и прорастающего мицелия фитопатогенных грибов. Разработка
подобной экспрсс-диагностики для выявления возбудителей ФК позволит
получать прогноз развития болезни, а следовательно, уменьшить затраты на
защитные мероприятия.
Культивирование штаммов-продуцентов биопрепаратов в ферментерах –
стандартный промышленный метод для получения микробной биомассы с
последующим приготовлением на основе ее биопрепаратов. Следовательно,
возможность штамма-продуцента расти в глубинной культуре на жидкой среде
является обязательным условием, необходимым для крупномасштабного
производства биопрепарата. Тем не менее, имеется очень мало публикаций
относительно дешевых и оптимальных методов глубинного культивирования
штаммов-продуцентов биопрепаратов. Вместе с тем, независимые
исследования авторов проекта свидетельствуют о том, что условия
культивирования микроорганизмов в жидкой среде влияют не только на
количество получаемой биомассы, но и на биологическую активность
получаемого в конечном счете препарата. Исследования, выполненные
Коломбет по оптимизации культивирования гриба T. viride показали
возможность получения не только максимального выхода биомассы, но и
высокую биологическую активность препарата, полученного на ее основе.
Коммерческое использование микробной биомассы как биопрепарата
предусматривает необходимость разработки методов для стабилизации
биопродукта, чтобы обеспечить его надежную сохранность в течение
необходимого периода времени. Жидкие пасты клеток с высокой оптической
плотностью или обезвоженная биомасса обеспечивают существенные
преимущества, во-первых, уменьшая транспортные расходы, и во-вторых –
снижая норму расхода препарата при использовании. Обезвоживание
биомассы, полученной при культивировании в жидкой среде, может повлиять
на жизнеспособность биоматериала и его эффективность как антагониста.
Показано, что различные биополимеры и осмопротектанты, такие, например
как, глицин, бетаин, пролин, трегалоза, сахароза, глюкоза и рибоза
увеличивают жизнеспособность клеток при обезвоживании. Планируется
выполнить исследования, чтобы определить, какой метод обезвоживания и
какие осмопротекторы были бы наиболее эффективными в стабилизации
биомассы T.viride. Также будут проведены исследования по влиянию методов
регидратации биомассы на выживание и эффективность клеток T.viride.
В предшествующих независимых исследованиях мы продемонстрировали, что
наши штаммы-продуценты перспективны для борьбы с фузариозом колоса
пшеницы и других зерновых культур. Тем не менее, требуется
дополнительные исследования для того, чтобы разработать метод
биологической борьбы с фузариозом колоса на основе тех данных, которые
нами уже получены. Мы предлагаем провести совместное исследование, чтобы
решить следующие задачи:
1. Оценить возможность получения
аддитивного или синергичного эффекта в борьбе с фузариозом колоса
зерновых культур путем комбинации предпосевной обработки семян биомассой
микофильного гриба T.viride с обработкой колосьев антагонистическими
бактериями и дрожжами.
2. Адаптировать разработанный метод
экспресс-диагностики возбудителей болезней с целью прогноза развития ФК
на растениях пшеницы.
3. Создать технологию глубинного
культивирования штаммов-продуцентов, обеспечивающую максимальный выход
биологически активной биомассы.
4. Разработать товарные формы
биопрепаратов, получаемых глубинным культивированием, обеспечивающие
сохраняемость биомассы антагониста и его биологическую активность в
отношении фузариоза колоса зерновых культур.
В первый год
исследований лабораторные опыты по изучению эффективности использования
комбинированной схемы защиты пшеницы путем предпосевной обработки семян
с обработкой по вегетации намечено заложить в условиях теплиц в
Московской области (Россия) и штата Иллинойс (США). На втором году
исследований полевые опыты будут проведены в пшеницесеющей зоне юга
России (Северо-Кавказский регион) и штата Огайо (США). Технологические
исследования будут проводиться параллельно в ГНЦПМ (РФ, Оболенск) и в
Национальном Центре Прикладных исследований в сельском хозяйстве (США,
Пеория).
Объединение совместных усилий при выполнении
научно-исследовательского проекта позволит внести ощутимый
научно-практический вклад в решение актуальной сельскохозяйственной и
экологической проблемы - защиты зерновых злаков от фузариозных гнилей с
помощью биологических препаратов. Использование в технологии защиты
биопрепаратов позволит не только сохранить урожай, но и улучшить его
качество. Обработка зерновых культур на различных стадиях роста
(предпосевная обработка и на стадии цветения) в оптимальные сроки с
использованием различных антогонистов позволит увеличить эффективность
обработки и уменьшить нормы используемых биопрепаратов. Разработка
глубинной технологии производства биосредств и создание пастообразных
товарных форм препаратов станет основой последующей коммерциализации
новых биологических средств защиты растений от болезней.
Коллектив исследователей - участников проекта состоит из
микробиологов, биохимиков, биотехнологов, фитопатологов и агрономов. Они
имеют значительный опыт совместной работы по созданию и испытанию
разнообразных биологических средств защиты растений от вредных
организмов.
Поскольку все ответственные исполнители от ГНЦПМ,
участвующие в проекте, были связаны с разработкой защитных средств от
биологического оружия, проект в полной мере отвечает конверсионным целям
и задачам МНТЦ.
По итогам исследований будет:
1. Дано заключение о возможности получения аддитивного или
синергичного эффекта в борьбе с фузариозом колоса зерновых культур путем
комбинации предпосевной обработки семян биомассой микофильного гриба
T.viride с обработкой колосьев антагонистическими бактериями и дрожжами.
1. Адаптирован разработанный метод экспресс -диагностики возбудителей
болезней с целью прогноза развития ФК на растениях пшеницы.
2. Разработана технология глубинного культивирования
штаммов-продуцентов, обеспечивающая максимальный выход биологически
активной биомассы.
3. Разработаны товарные формы биопрепаратов,
получаемых глубинным культивированием, обеспечивающие сохраняемость
биомассы антагониста и его биологическую активность в отношении
фузариоза колоса зерновых культур, а также обладающие необходимыми
потребительскими свойствами.
4. По научным результатам исследований будут подготовлены
научно-практические рекомендации и регламенты по защите зерновых
злаковых культур от фузариозных гнилей.
Исследования по проекту
будут проводиться параллельно двумя научными коллективами в России и
США. |
