Технологии
04 июля 2023, 17:29
Журнал «Гавриш», №2/2023
В течение последних десятилетий проблема бактериальных заболеваний растений в защищенном грунте стоит довольно остро. Активно изучаются сами фитопатогены, взаимодействие их с растением, пути проникновения в теплицу, а также предлагаются решения по предотвращению и борьбе с инфекцией. Сложность контроля данных заболеваний связана с высокой скоростью распространения, выработкой резистентности к антибиотическим химикатам, затрудненным контролем посевного материала или рассады и со способностью некоторых бактериальных культур образовывать биопленки на поверхности труб и капельных систем полива. Также значительную роль играет невозможность проведения культурооборота в некоторых теплицах. В результате инфекция может накапливаться от сезона к сезону.
Один из источников поступления бактериальной инфекции в тепличное хозяйство – с семенами или рассадным материалом. Например, возбудитель заболевания бактериальный рак томата — Clavibacter michiganensis michiganensis, вызывающий сосудистые поражения у растений с последующим увяданием и гибелью, по данным исследователей накапливается, в том числе, и в семядолях семян. В данном случае поверхностная обработка посевного материала не приведет к желаемому результату. Остается только контроль семян с помощью анализа ПЦР или ИФА. Но для репрезентативности пробы для анализа необходимо по данным Европейской организации по защите растений (EPPO) отобрать минимум 10 000 шт. из одной партии, а это с учетом большого разнообразия гибридов томата в современных тепличных хозяйствах, становится практически невозможным, учитывая стоимость семян.
Еще один источник проникновения бактериальных возбудителей в теплицу – через поливные воды. Возбудитель заболевания «Бешенство корней» грамотрицательная бактерия Agrobacterium tumifacience, поражающая культуру томата и культуру огурца в защищенном грунте, в значительной степени переносится с водой и накапливается в субстрате. Фитопатогенные штаммы Агробактерии содержат в составе генома Ti/Ri- плазмиду, способную внедряться в ДНК растения и вызывать неконтролируемое разрастание корневой системы и образование галлов, что в свою очередь ведет к дисбалансу вегетативной и генеративной части, вызывает снижение урожайности, ослабление растения и, в некоторых случаях, гибель от сопутствующих заболеваний. Сложность борьбы с инфекцией заключается в способности фитопатогена образовывать биопленки на поверхностях поливных систем, накопителей итд (1). В этом случае только комплекс мер по очистке воды, качественной дезинфекции поливной системы в сочетании я агротехническими приемами и защитными обработками с использованием антибиотических препаратов поможет снизить интенсивность проявления болезни на культуре.
Популярная декоративная тепличная культура – роза, также серьезно страдает от возбудителя бактериального увядания Ralstonia solanacearum. Данный фитопатоген является карантинным объектом на территории РФ и рекомендуется к строгому контролю. Бактерия проникает в сосудистую систему вызывает повреждение проводящих флоэмных пучков с последующей дисфункцией центральных ксилемных. Растение проявляет симптомы увядания: засыхают листья, побеги, поврежденный куст отстает в росте и становится непродуктивным. Учитывая многолетнее выращивание данной культуры (6-10 лет на одном месте) применение любых химических фунгицидов и бактерицидов становятся неэффективным в долгосрочной перспективе. Пересадка пораженных участков также имеет низкую эффективность и опасность рецидива данного заболевания особенно возрастает при выращивании восприимчивых к данному заболеванию сортов.
Учитывая сложность и многогранность проблемы бактериальных заболеваний в защищенном грунте, биологический метод становится наиболее эффективным и приемлемым в условиях современных требований к качеству и безопасности производимой продукции. Многообразие благотворного эффекта на растение, которое привносит в экосистему положительный биоагент сложно в полной степени оценить простыми лабораторными и практическими экспериментами. Это не только физическое подавление роста возбудителя в пределах работы агента биологической защиты, но также и регулирование численности фитопатогена в течение определенного периода, фитостимулирование за счет выделения гормонов роста, ускорение восстановления растения после стрессовых воздействий. Также биологические агенты не вызывают развитие резистентности у целевого объекта и не теряют свою эффективность при применении в длительных оборотах.
Молочнокислые организмы как биологические агенты для защиты растений активно исследуются в течение последних десяти лет (2). Польза применения данных микроорганизмов уже хорошо изучена и доказана в медицинской сфере, пищевом производстве, в сферах животноводства и птицеводства. Также отдельные группы молочнокислых бактерий используются для увеличения срока хранения и повышения безопасностиготовой продукции на полках магазинов и для обработки поверхностей, контактирующих с пищевыми продуктами. Например, исследование 2006 года показало, что колонии Lactobacillus rhamnosus, подавляют развитие болезнетворной для человека бактерии Listeria monocytogenes на поверхности яблок, не влияя при этом на качество и сохранность продукции. Кроме того, исследование 2013 года показало, что ряд пробиотиков из рода Lactobacillus sp. эффективно подавляют образование биопленок, образованных Salmonella enterica, с использованием механизмов вытеснения и замещения патогенного организма на пробиотический. Также исследования сообщают, что обработка стальных поверхностей культурой молочнокислых бактерий, уменьшает и контролирует дальнейшее образование биопленок Listeria monocytogenes, что в настоящее время широко используется в пищевом производстве (3).
Живые клетки молочнокислых бактерий, обладают целым рядом механизмов, которые участвуют в борьбе с бактериальными патогенами. Это и высокая скорость роста, обеспечивающая вытеснение целевого объекта и конкуренция за элементы питания. Но наибольший интерес вызывает способность данных микроорганизмов выделять ряд антибиотических компонентов напрямую подавляющих развитие потенциально патогенных микроорганизмов. Именно это свойство, как считают исследователи, играет главную роль в бактериальном антагонизме и установлении равновесия в ценозах. В случае молочнокислых бактерий это органические кислоты, в частности молочная кислота, перекись водорода, бактериоцины и биосурфактанты (биологические поверхностно-активные вещества). Бактериоцины - семейство секретируемых бактериями пептидов, обладающих антимикробной активностью и действующих против других штаммов того же или близкородственных видов. Лактобациллы могут секретировать целый ряд подобных пептидов, некоторые уже хорошо изучены и синтезируются в промышленном масштабе. Например, бактериоцины низин и педиоцин, синтезируемые Lactococcus lactis и Lactobacillus plantarum соответственно, одобрены для применения на пищевых производствах и используются в процессах безопасной консервации с разрешения управления по санитарному надзору и качеству пищевых продуктов и медикаментов (FDA). Также бактериоцины, синтезированные молочнокислыми организмами способны подавлять целевой патоген начиная с концентраций намного ниже, чем общепринятые антибиотики, синтезированные эукариотами (стрептомицетами, актиномицетами). Этот интересный и положительный факт ученые связывают с возможностью данных пептидов взаимодействовать со специфическими рецепторами целевых объектов (4).
Касательно краткой микробиологической характеристики молочнокислых бактерий это грамположительные неспорообразующие кислородотолерантные анаэробы, разнообразной формы от бацилл до кокков, которые устойчивы к кислой реакции среды. Температурный оптимум развития для мезофильных представителей лактобацилл в среднем от 25 до 300С. Сахара, в частности пентозы – ксилозу и рибозу – лактобациллы сбраживают по фосфокетолазному пути до молочной кислоты и ацетата, а гексозы (глюкоза, фруктоза и моноза) до лактата, этанола и CO2. В добавление к ферментам фотокеталазного пути в геноме молочнокислых бактерий есть гены кодирующие все ферменты гликолиза. Лактобациллы, особенно в этом отношении выделяется Lactobacillus plantarum, также имеют очень развитую и эффективную транспортную систему, которая позволяет поглощать нутриенты из окружающей среды. Это наряду с «неприхотливостью» к сбраживаемым сахарам, добавляет молочнокислым бактериями возможность эффективно занимать абсолютно разные ниши - от почв и поверхности растений, до кишечного тракта животных (4).
Учитывая знания о природе, полезных свойствах, безопасности и необычайной адаптивности лактобацилл специалисты лаборатории ГК «БИОМ» создавали и изучали Лавибакт, Ж - биопрепарат для защиты растений, который в своем составе имеет живые молочнокислые бактерии с преобладанием Lactobacillus plantarum (109 КОЕ), как наиболее перспективного и подробно изученного пробиотика. При внесении препарата в капельный полив, микроорганизмы должны напрямую подавлять развитие бактериального фитопатогена за счет выделения в окружающую среду бактерицинов широкого спектра. Для обеспечения пролонгированного эффекта необходимо, чтобы биоагенты достаточно хорошо приживались в субстратах: почве, торфе, в кокосовых и минераловатных матах. При регулярном применении редуцировать образование пленок на поверхности поливных систем и регулировать численность поступления и распространение фитопатогенов с водой, оказывая, тем самым, благотворное влияние на всю экосистему теплицы.
Для доказательства антибактериальных свойств Лавибакта, Ж исследователи лаборатории ГК «БИОМ» использовали 5 фитопатогенных штаммов Clavibacter michiganensis michiganensis (В2221, В2222, В2223, В2224, В2225) - возбудителя бактериального рака томата и испытывали препарат в лабораторных условиях в сравнении с антибиотиками Бициллин (375 000 ЕД) и Стрептомицин (0, 25 г/л). В опыте Стрептомицин не показал антимикробной активности к грамположительному возбудителю бактериального рака томата. Бициллин показал средний результат с зоной задержки роста в среднем 2 мм. Лавибакт, Ж устойчиво сдерживал развитие фитопатогена, вызывая задержку роста в зоне действия препарата от 12 до 30 мм.
Также Лавибакт, Ж показал свою эффективность на бактериях рода Agrobacterium tumefaciens, выделенных из субстрата тепличного хозяйства с активными проявлениями симптомов болезни «Бешенство корней» (неконтролируемый рост корневой системы и образование галлов). На этот раз Стрептомицин (0, 25 г/л) в борьбе с грамотрицательным возбудителем показал средний результат с задержкой роста в 2 мм, Бициллин (375000 ЕД) не показал антимикробной активности, а Лавибакт, Ж вызвал задержку роста в зоне действия препарата в 12 мм.
Эффективность молочнокислых бактерий против заболевания «Бешенство корней» также проверяли на практике в условиях тепличного хозяйства, выращивающего культуру огурца на светокультуре. В опыте при пересадке растений нижнюю сторону кубика с рассадой окунали в раствор препарата на основе молочнокислых бактерий перед установкой на постоянное место на мате в производственном отделении (барьерная обработка). Для приготовления рабочего раствора использовали поливную воду, температурой 20-230С, объемом 350-400 л и растворяли в ней 5 литров препарата. Данного кол-ва рабочего раствора хватает на обработку примерно 20 000 - 25 000 шт рассады огурца. Далее с периодичностью в 2 недели делали агрономическую оценку состояния растений и поверхности кубика, оценивая количество пораженных растений по сравнению с контрольной площадью. Подсчеты подтверждали с помощью микробиологических анализов и анализов ПЦР на наличие Ti/Ri плазмиды Agrobacterium tumefaciens. Наблюдения в течение трехкратных измерений показало, снижение поражения в варианте с использованием препарата на основе молочнокислых организмов по сравнения с контролем на 20 %, кроме того, выраженность проявления заболевания была намного ниже в опыте с использованием лактобацилл для барьерной обработки.
Следующим этапом изучения свойств препарат Лавибакт, Ж были опыты, доказывающие присутствие молочнокислых бактерий при регулярных защитных обработках 1 раз в месяц через капельный полив в дозе 5 л на 1 га (5 л на 2000 - 4000 л поливного раствора) в минераловатном и торфяном субстрате. Для наблюдения за изменением биоценоза ежемесячно случайным образом отбирали минераловатный мат с растением, и изучали в разрезе в разных плоскостях. Микробиологический анализ показал, что в основном молочнокислые бактерии локализуются в нижней части мата, как наиболее анаэробной нише и элиминируются (уходят из субстрата) через 3-4 недели после применения. При изучении приживаемости лактобацилл в торфяных субстратах, микробиологические анализы субстрата показывали присутствие молочнокислых микроорганизмов в высоком титре до 30 суток после применения.
Используя полученные данные, можно сформулировать ряд практических рекомендаций по использованию препарата Лавибакт, Ж в защищенном грунте:
Сведения об авторах:
Бехбудзада Нурлан Башир-оглы аспирант кафедры биотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева
Беликова Елена Ивановна начальник отдела по маркетингу и сбыту продукции ГК «БИОМ»
Марквичев Николай Семенович к.т.н., доцент кафедры биотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева, заместитель генерального директора ООО «БИОМ-ПРО»
Подпишитесь на рассылку полезных материалов
Будьте в курсе последних новостей и событий, а также узнавайте о наших новых публикациях первыми