Владимир Грошев, канд. с/х наук, директор «Хелло Нэйче СНГ»
Ольга Бабкина, коммерческий директор АО «Шетелиг Рус»
Растения, как основные продуценты экосистем, содержат множество видов микробов, которые полагаются на богатые углеродом вещества, выделяемые корнями, для своего питания, включая сахара, органические кислоты и аминокислоты. Большая часть грибкового и бактериального микробиома остается нейтральной, но некоторые виды могут устанавливать патогенные или симбиотические отношения, которые в итоге влияют на приспособленность и адаптацию растений к условиям окружающей среды и, как итог, продуктивность.
Особенно остро стоит вопрос при использовании технологии интерплантинга, когда между культурооборотами нет перерыва и создаются идеальные условия для массового заражения молодой культуры вредителями и заболеваниями предыдущего оборота. Интерплантинг экономит время на выращивание рассады, но существенно увеличивает затраты на защитные мероприятия в процессе вегетации.
Для поддержания некоего здорового баланса агрономы часто прибегают к интенсивному применению различных химических средств защиты растений, зачастую бессистемно и бесконтрольно, так как выверенных рекомендаций по чередованию применения разных средств защиты растений нет. В результате у вредных объектов, на которые они направлены, вырабатывается резистентность.
Сумятицу вносит также появление в последние годы новой болезни – crazy root, вызываемой агробактерией. Против агробактерии практикуют частое применение перекиси водорода, что, естественно, негативно сказывается и на полезной микробиоте в ризосфере корней, которые являются естественным противовесом патогенам, но не имеют устойчивости к токсичному воздействию химических действующих веществ фунгицидов и препаратов на основе перекиси. Таким образом, часто возникают ситуации, когда устойчивые штаммы патогенных микроорганизмов преобладают, но из-за отсутствия госрегистрации или выработки резистентности в руках у агронома остается все меньше и меньше доступных эффективных препаратов. Это добавляет сложностей с сохранением урожая и увеличивает издержки сельскохозяйственных организаций на производство с/х культур в защищенном грунте.
Решением проблемы устойчивого управления сельскохозяйственными культурами и их защиты от поражения основными грибковыми и бактериальными заболеваниями без применения химических фунгицидов является выявление и характеристика видов микроорганизмов с пробиотическими свойствами.
В отличие от животных, растения не обладают специализированными мобильными иммунными клетками, но тем не менее развили быструю и эффективную иммунную систему, позволяющую выживать и противостоять различным патогенам. В дополнение растения используют предварительно сформированный физический барьер, а именно кутикулу и клеточную стенку, и вырабатывают антимикробные вещества, то есть индуцированные соединения, включающие различные белки и мелкие метаболиты, такие как фенолы, ненасыщенные лактоны, сапонины, цианогенные гликозиды и глюкозинолаты, которые подавляют рост патогенов.
Применение биопрепаратов в настоящее время вошло в практику большинства комбинатов, но теоретическое обоснование необходимости применения тех или иных препаратов часто отсутствует, и многие практикуют нелогичную систему чередования фунгицидов с микробиологическими препаратами на основе полезных грибов и бактерий вместо установления здорового микробиома с самого начала оборота и поддержания его в течение всей вегетации с минимальным применением химических средств защиты растений. В рамках данной статьи предлагаем обзор применения на практике эффективных видов микробиоты, входящих в программу микробиологической защиты растений в закрытом грунте компании «Хелло Нэйче».
МИКОРИЗА – БИОСТИМУЛЯТОР С ЗАЩИТНЫМИ ФУНКЦИЯМИ
Одним из важнейших компонентов природного биома являются микроорганизмы, которые потребляют, переваривают и задействуют питательные вещества, поступающие в субстрат извне. Многие микроорганизмы образуют симбиотические отношения с растениями. В том числе такими организмами считаются полезные грибы-микоризы, которые улучшают рост растений за счет увеличения поглощения питательных веществ в обмен на фотосинтетический углерод от своего хозяина.
Арбускулярная микориза (AM), виды которой являются облигатными корневыми симбионтами, – одно из наиболее распространенных микоризобразующих семейств грибов (колонизируют более 80% всех видов растений), поддерживающих симбиотическую связь с корневой системой, улучшая функции растений, такие как усвоение питательных веществ и реакция на стресс. Преимущества подобных взаимоотношений могут быть использованы и при выращивании с/х растений в защищенном грунте для снижения рисковых факторов и повышения эффективности их возделывания.
Наличие микоризы на корнях растений делает корневую систему лучше: увеличивается объем и эффективная площадь поглощающей поверхности корней, что способствует усиленному усвоению растением питательных веществ и воды. Масса мицелия примерно равна массе корня, а сеть мицелия настолько обширна, что даже соединяет соседние растения между собой. Исследованиями установлено, что за счет иного принципа питания мицелий микоризного гриба разрушает недоступные растениям органоминеральные соединения, например фосфора или кальция, чем расширяет их доступ к питательным веществам. Это позволяет повысить эффективность поглощения элементов питания и использовать до 50% больше ресурсов из субстрата (см. таблицу), что приводит к экономии затрат и положительному воздействию на окружающую среду.
Таблица. Сравнение содержания элементов питания в свежей биомассе листьев салата, растения которых были инокулированы микоризными симбионтами при посеве, и растений без инокуляции
| N | P | K | Ca | Mg | Fe | Cu | Zn | Mn | |
| Микориза | 1,36 | 0,28 | 0,34 | 9,04 | 106,2 | 2,64 | 0,25 | 1,97 | 0,52 |
| Контроль | 0,83 | 0,20 | 0,25 | 2,93 | 71,7 | 1,80 | 0,17 | 1,30 | 0,31 |
| Разница | 64% | 40% | 42% | 209% | 48% | 47% | 47% | 52% | 68% |
Известно, что арбускулярные микоризные грибы способны увеличивать поглощение воды и минеральных питательных веществ растением-хозяином, таких как фосфат и азот, но, вероятно, также и микроэлементов, таких как цинк. Взамен они получают фотосинтетический углерод от своего хозяина подобно защите растений с помощью АМ.
Установлено, что симбиотическая связь корней с грибницей помогает уменьшить уязвимость растений перед воздействием внешних стрессоров – различными абиотическими факторами стресса, такими как засуха, холод, жара, избыток солей, токсичность тяжелых металлов, переуплотненный грунт. Вот почему усиленное симбионтом растение способно лучше адаптироваться к конкретным почвенно-климатическим условиям и противостоять негативным изменениям окружающей среды без существенного снижения уровня урожайности и качественных показателей с/х продукции.
Не менее важен и тот факт, что арбускулярные микоризные грибы (АМ) являются облигатными корневыми симбионтами, формирующими вокруг корневого волоска мицелиальную защитно-питающую оболочку из толстого слоя гиф, которые могут защищать растение-хозяина от биотических факторов стресса, таких как заражение паразитирующими на растениях нематодами (ПРН), и усиливать устойчивость к некоторым патогенным грибам. Это, в свою очередь, создает дополнительный пояс обороны и снижает восприимчивость растений к поражению вредителями и корневыми гнилями.
В последние годы были проведены исследования и предложены различные механизмы, поясняющие действие микоризы против паразитирующих на растениях возбудителей заболеваний и нематод. Эффект биоконтроля АМ наблюдался у широкого спектра видов растений и против многих патогенов. Большинство из них – это почвенные грибковые патогены, вызывающие корневую гниль или увядание, хотя успешный биоконтроль зафиксирован также против наземных патогенов, таких как Alternaria solani на томатах. Исследователи из разных стран сообщают, что АМ подавляет как некротрофные, так и биотрофные патогены, прямо или косвенно, а также может подавлять нематоды. Эти защитные эффекты варьировались от снижения инфицирования и размножения до повышения переносимости. Но хотя имеется много сообщений о биоконтрольном эффекте АМ, их фактическое использование в качестве средств биологического контроля в полевых условиях все еще не является обычной сельскохозяйственной практикой. Частично это связано с вариабельностью показателей в зависимости от изолята АМ, патогена, вида растения и условий окружающей среды. Таким образом, более глубокое понимание механизмов их действия поможет повысить эффективность этих средств биоконтроля.
В биоконтроле, опосредованном АМ, может быть задействовано несколько механизмов: прямое воздействие AM на патоген, включающее конкуренцию за пространство или питательные вещества, или косвенные, опосредованные растениями эффекты. Последнее можно дополнительно разделить на воздействие AM на толерантность растений, индукцию защиты растений и изменение экссудации растений, приводящее к изменению взаимодействия с ризосферой (рис. 1). Различные механизмы нельзя рассматривать как полностью независимые друг от друга, и биоконтроль патогенов/вредителей, вероятно, является результатом комбинации различных механизмов, а относительная важность конкретного механизма может варьироваться в зависимости от конкретного взаимодействия АМ, патогена и растения.
Учеными был достигнут значительный прогресс и в области формирования индуцированной системной резистентности, а также в изучении роли ризосферы в биологическом контроле. Новые идеи, которые формируют наше понимание индукции системных защитных реакций растений с помощью АМ, включают представление о том, что растения изначально воспринимают полезные организмы как предполагаемые патогены из-за сохранения МПАМ (молекулярных паттернов, ассоциированных с микробами) между полезными и патогенными грибами. Поскольку АМ являются облигатными биотрофами, действительно было показано, что существует значительное совпадение в транскрипционном профиле реакции растений на АМ и биотрофный патоген. Поэтому арбускулярные микоризы, воспринимаемые растением как предполагаемый биотрофный патоген, таким образом индуцируют иммунный ответ, запускаемый МПАМ-рецепторами. Он приводит к транскрипционным и гормональным изменениям в растении-хозяине, формируя первую линию защиты растения в попытке ограничить дальнейшую инвазию патогена. Для этого явления предложен термин «устойчивость, вызванная микоризой» (УВМ), то есть результат взаимодействия между АМ и его растением-хозяином, который подготавливает растение к более быстрой и сильной индукции защитных реакций при последующей атаке реального патогена.
Рисунок 1. Обзор возможных механизмов, с помощью которых арбускулярные микоризные грибы (АМ) могут осуществлять биоконтроль над паразитирующими на растениях нематодами
Измененный АМ корневой экссудат также может вызывать изменение микробного разнообразия в ризосфере и, следовательно, влиять на взаимодействие растений и патогенов. В некоторых исследованиях показано увеличение числа факультативно-анаэробных бактерий, видов Streptomyces и актиномицетов, продуцирующих хитиназу, после колонизации микоризой. Эти микроорганизмы также могут обладать антагонистическим потенциалом против нематод либо за счет прямого воздействия, такого как гифы, захватывающие и сковывающие подвижность нематод, или паразитирование на яйцах, но также и за счет индукции защиты растений. Сообщалось, например, что корневые выделения из микоризных растений привлекают способствующие росту растений бактерии, такие как Pseudomonas fluorescens, и воздействуют на полезные почвенные микроорганизмы, например Trichoderma spp., которые также обладают потенциалом биоконтроля против PPN. В соответствии с этим недавно была представлена адаптация к модели УВМ, в которой подчеркивается индукция системной резистентности микоризосферными бактериями. Также было показано, что УВМ действует против нескольких видов нематод, паразитирующих на растениях в культуре in vitro. Это ясно указывает на то, что биоконтроль, опосредованный АМ, действует не только через изменение почвенной биоты, но и самостоятельно.
ТРИХОДЕРМА – БИОФУНГИЦИД И СТИМУЛЯТОР РОСТА
Trichoderma – это род грибов, многие виды которого можно охарактеризовать как условно-патогенные авирулентные симбионты растений. Включает более 200 зарегистрированных видов с универсальным метаболизмом и хорошо адаптированными свойствами для размножения в почве и водной среде, которые действуют как естественные биоконтролирующие агенты против множества фитопатогенных грибов и бактерий. То есть триходерма – это разновидность позитивной микробиоты, не менее агрессивной и устойчивой к невзгодам окружающей среды, в том числе к условиям, формируемым агрономами в защищенном грунте.
Обычно триходерма способствует внедрению микоризы и не блокирует развитие полезных микроорганизмов, однако в ряде исследований отмечается и негативное взаимодействие Trichoderma harzianum, которая может конкурировать и оказывать ингибирующее действие посредством антибиотикоза и/или микопаразитарности, что подавляет арбускулярные микоризные грибы при нанесении на корни.
ВРЕЗКА 2
TRICHODERMA ATROVIRIDE – НЕОБХОДИМЫЙ ПАРТНЕР ДЛЯ ЗДОРОВОГО РАСТЕНИЯ
ЗАЩИТА:
Trichoderma atroviride – один из наиболее известных микопаразитов, отличающийся особенно активным размножением, что означает более быстрое действие и большую эффективность по вытеснению из ризосферы растений возбудителей заболеваний корней и стебля в программах IPDM в качестве средства биоконтроля корневой и прикорневой зоны растений в отношении патогенных микроорганизмов (грибов и бактерий) за счет комплексного механизма действия, включающего конкуренцию в ризосфере, антибиоз и микопаразитизм, индукция защитных реакций организма, повышение доступности питания и стимуляцию роста растений.
СОВМЕСТИМОСТЬ:
Штамм Trichoderma atroviride MUCL 45632 является наиболее агрессивной и толерантной к неблагоприятным почвенно-климатическим условиям разновидностью, которая отличается высокой приспосабливаемостью к окружающей среде и совместима с большинством удобрений, инсектицидов. У этого штамма есть толерантность к ряду фунгицидов, однако большинство фунгицидов может вызвать снижение активности развития или полное подавление триходермы. В связи с этим рекомендуется прекратить внесение фунгицидов за 3–5 дней до применения КОВЕРОН/ТИФИ МАКС, а также не проводить фунгицидные обработки после применения препарата без необходимости.
Исследования последних двух десятилетий расширили наше понимание благотворного воздействия Trichoderma на растения в отношении разветвления корней и абсорбционного потенциала, использования органических подкормок и удобрений, роста, развития и адаптации к абиотическим и биотическим проблемам. Итогом этих работ стал вывод о том, что многие виды триходермы могут помочь растениям лучше выживать и повысить продуктивность безопасным и экологичным способом.
Первое очевидное изменение в ризосфере вследствие присутствия видов триходермы – это подкисление рН, что может объяснить высокоэффективную способность триходермы растворять труднорастворимые фосфаты, чем обеспечивается лучшее питание растений.
Триходерма и сама является биофабрикой биохимически активных органических веществ: летучие вещества, растительные гормоны, вторичные метаболиты и небольшие пептиды, молекулярный состав которых зависит от нескольких факторов, включая вид триходермы, доступность питательных веществ и взаимодействие с микроорганизмами и растениями (рис. 2). Эти информационно насыщенные химические вещества могут восприниматься корнями посредством свободной диффузии в почве и органическом веществе, а также во время физического контакта между гифами и эпидермисом корня или на более поздних стадиях, когда гриб распространяется на внутренние кортикальные клетки.
РИС. 2. Иллюстрация биохимического взаимодействия триходермы
Физическое распознавание может вызвать дальнейшие реакции как у грибов, так и у растений-партнеров. Хитин, основной компонент клеточных стенок грибов, долгое время считался элиситором, запускающим защитные реакции у растений. Другие молекулы, такие как небольшие пептиды, а также мембранные или цитоплазматические белки грибов, могут дополнительно предупреждать корни о том, что они должны быть готовы к взаимодействию, чтобы избежать вредных эффектов, и это делает их гораздо более конкурентоспособными. Благодаря распространению боковых и придаточных корней растения лучше используют минеральные и водные ресурсы и более устойчивы к абиотическому стрессу. Эти процессы также эффективно индуцируются триходермой.
В последние годы главный вопрос заключался в том, как Trichoderma регулирует свой метаболизм в соответствии с сильно изменяющимися экологическими нишами и встречающимися пищевыми ресурсами. По-видимому, секреция мощных ферментов, таких как целлюлазы, хитиназы и пептидазы, является отличительной чертой, которая позволяет использовать сухую древесину и гниющие листья, корни и стебли и подчеркивает их способность паразитировать на фитопатогенных грибах. Однако похоже, что подавление генов, кодирующих ферменты, разлагающие патогенные грибы, способствует колонизации корней триходермой, и, таким образом, гриб распознает здоровые корни по профилю их экссудации.
РИС. 3: Иллюстрация стимуляции роста корневых волосков летучими соединениями, выделяемыми триходермой
Компромиссы между ростом и защитой растений регулируются в ходе биотических взаимодействий. Это обеспечивает переход от развития к цветению, чтобы продолжить и гарантировать производство семян. Поскольку триходерма запускает как иммунитет растений, так и стимулирование роста, трудно установить, могут ли быть связаны эти программы, которые по своей сути являются равноценными. Более того, возможно, что корни, колонизированные грибами, могут иметь усиленный метаболизм для поддержания энергетических потребностей симбиоза. Было обнаружено, что выделение углеводов корнями рассады томатов увеличивается в ответ на Trichoderma аtroviride, а сахара могут вызывать положительный хемотаксический ответ, привлекая гифы. Молекулярные данные помогают объяснить, как Trichoderma изменяет свои метаболические характеристики при обнаружении корневых выделений. Мутация соответствующих генов влияет не только на формирование боковых корней и производство биомассы в растении-хозяине, но также и на вызываемые защитные реакции и сапрофитное поведение грибов по приобретению и использованию простых сахаров, доступных в корневых выделениях.
В ходе тестирования роста и развития растений на разделенных чашках Петри для оценки взаимодействия грибов и растений с помощью летучих веществ (рис. 3) была выявлена критическая роль 6-PP для производства растительной биомассы, непосредственно влияющей на гормональные реакции, и переноса сахаров от побега к корню на большие расстояния. Считается, что по мере роста гриба выделение летучих веществ повышает чувствительность корней и позволяет распознавать корнеобитаемые грибки на большом расстоянии. 6-PP (6-пентил-2-пирон) является основным летучим веществом, выделяемым T. atroviride, которое запускает ветвление корней через изменения в транспорте ауксина и этилена и, соответственно, реакции на них у растения.
Это подтверждает идею о том, что регуляторный цикл распределения сахаров в зависимости от фотосинтеза, углеродного статуса побега и восприятия грибковых метаболитов имеет решающее значение для митоза в корневых меристемах. Интересно, что грибы, стимулирующие рост растений, включая штаммы Trichoderma atroviride, сильно стимулируют фотосинтез не с помощью отдельных соединений, а с помощью смесей летучих веществ.
Растения не одиноки, они полагаются на свои грибковые симбионты, чтобы выжить и процветать. Пришло время применить современные знания для использования Trichoderma в полевых условиях.
ПРИМЕРЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ МИКОРИЗЫ И ТРИХОДЕРМЫ
В исследованиях итальянских и испанских ученых установлено, что инокуляция микоризными грибами Rhizoglomus irregularis (штамм BEG72), Funneliformis mosseae (штамм BEG234) и Trichoderma atroviride (штамм MUCL 45632) увеличила урожайность тепличного перца на 24% по сравнению с необработанным контролем. Метаболомный анализ тканей листьев показал, что опосредованное микоризой повышение урожайности было связано с изменениями гормонального баланса (ауксины, гиббереллины и цитокинины) и вторичных метаболитов (каротиноиды, сапонины и фенолы), вызванными биохимической деятельностью триходермы.
Исследованием установлено, что совмещение микоризного гриба Glomus intraradices и Trichoderma atroviride имело существенное воздействие на параметры роста растений, урожайность, хлорофилловый индекс (SPAD), флуоресценцию хлорофилла и минеральный состав (вынос и усвоение питания из субстрата) ряда плодово-ягодных и овощных культур, так как помимо вышеописанных свойств микоризы штамм T. atroviride был способен продуцировать ауксиноподобные соединения и сидерофоры (высокодоступные для растений хелатирующие железо соединения) в широком диапазоне рН субстрата (5,5–8,0).
По условиям другого опыта солевой стресс вызвал снижение выхода свежей продукции, производства биомассы, индекса SPAD, флуоресценции хлорофилла, минерального состава листьев и увеличение концентрации пролина (участвует в повышении осмотического давления клеточных растворов) в листьях, не изменяя активности антиоксидантных ферментов. В комбинации микоризы и триходермы, когда растения были инокулированы обоими микроорганизмами, значительно увеличились ранние (на 59%) и общие урожаи (на 15%) в сравнении с контрольными растениями.
Таким образом, инокулирование корневой системы спорами арбускулярной микоризы (Glomus intraradices) и триходермы (Trichoderma atroviride), входящими в высокой концентрации в водорастворимый препарат КОВЕРОН, действует как биостимулятор роста, урожайности и усвоения питательных веществ овощными культурами, может способствовать формированию здоровой рассады и крепкого взрослого растения для стабильной продуктивности культур в защищенном грунте.
РЕЦЕПТ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ
В заключение к описанным мерам поддержки растений нами предлагаются испытанные схемы защиты от злободневных проблем многих российских тепличных хозяйств, какими являются корневые гнили и бешеные корни, вызываемые агробактерией, модифицирующие корневую систему и ослабляющие растение.
Триходерма и ризосферные бактерии, составляющие основу субстратной микробиоты, питаются выделяющимися из корня экссудатами, тем самым помогая разгрузить флоэму растений от ассимилятов, что ускоряет обмен веществ. На светокультуре разгрузка флоэмы через корни от ассимилятов очень важна, и скорость ее зависит от разности концентрации в корне и в ризосфере. Многочисленные микроорганизмы быстро утилизируют органические вещества, ускоряя их транспорт в корень. Отсутствие микробиоты в субстрате, особенно в начальный период роста растений, когда нет плодов, негативно сказывается на продуктивности культуры и развитии корневой системы, так как в этом случае обменные процессы заторможены.
Для подобной проблематики нами предлагается технология внесения микробиологических препаратов КОВЕРОН и ТИФИ, которые содержат уникальный вид триходермы, не имеющий аналогов, – Trichoderma atroviride (штамм MUCL45632). Кроме этого важного антагониста, в препаратах содержатся споры арбускулярных микоризных симбионтов (виды Glomus spp.) и 6 видов ризосферных бактерий.
В настоящее время в ряде тепличных комбинатов (Ольдеевское, ТКБ и других) мы наблюдаем, что при регулярном внесении на культуре огурца схемы КОВЕРОН + ТИФИ МАКС удается повысить эффективность возделывания культур защищенного грунта, значительно снизив вредоносность не только типичных корневых гнилей (питиум, фузариоз и так далее), но и агробактерии за счет совместной работы вышеуказанного штамма триходермы, защитной функции микоризы и набора бактерий.
Так как на развитие микоризы требуется 30–40 дней, то внесение спор микоризы во второй половине оборота уже теряет смысл, поэтому применение препаратов с микоризой рекомендуется после посева, в рассадный период и в начальную фазу вегетации, после высадки на постоянное место.
Суть метода заключается в том, чтобы как можно раньше заселить ризосферу рассады полезной микробиотой:
- 2 внесения препарата КОВЕРОН (0,5–1 кг/1000 л р-ра при запитке кубиков и 0,5–1 кг/га при запитке матов) в сочетании с дополнительным органическим питанием, которое предоставляет органоминеральный препарат 5АП (3–5 л/га или 3 л/1000 л р-ра при проливе рассады);
- далее, через 3–4 недели, желательно осуществить внесение ТИФИ МАКС (0,25–0,4 кг/га), чтобы поддержать титр положительного микробиома, который мог снизить свою численность вследствие профилактических фунгицидных обработок или внесения перекиси водорода с поливными водами;
- повторные внесения ТИФИ МАКС рекомендуются раз в 20–30 дней, тем самым затрудняя проникновение агробактерии в растения через микротравмы корня и не давая ей размножаться в межклеточном пространстве. Эти препараты имеют пролонгированное действие и позволяют обеспечить качественную защиту от корневых патогенов без применения химических средств защиты растений;
- кроме того, применение суспензии препарата ТИФИ МАКС (0,25–0,4 кг/га) по листьям и стеблям позволяет снизить степень проявлений аскохитоза, мучнистой росы и серой гнили.
Многие агрономы на своем опыте уже убедились в эффективности и экономичности предлагаемых методов и включили их в свою производственную программу. Надеемся, что разработанная методика поможет и специалистам вашего комбината решать проблемы со стрессами и патогенами для получения отличного урожая качественных плодов с оптимальными затратами.
