Секрети рослинного імунітету / Дмитрієв ОП

Науково-популярна стаття

Чим смачнішим стає “сільськогосподарський пиріг” людства, тим з більшим апетитом накидаються на нього різноманітні шкідники і паразитичні організми – гриби, віруси, бактерії. Зростає обсяг сільськогосподарського виробництва, а разом з тим збільшуються і розміри втрат врожаю. Чому? Генетична й селекційна робота людини дуже змінила культурні рослини. Набуваючи дедалі цінніших для людини харчових якостей, вони втрачали деякі риси, притаманні їхнім диким предкам. Зокрема, стійкість до хвороб та шкідників.

Виходячи з вимог економіки й технології, людина вирощує монокультури рослин на величезних площах, культивуючи багато сортів там, де їх раніше не було. Мимоволі порушується рівновага між рослинами та паразитами. Опинившись у нових природних умовах, рослини стають досить чутливими до всяких несприятливих впливів, у тому числі до хвороб та шкідників. Це одна з причин масових захворювань, що згубно впливають на врожайність.

Хоч пестициди застосовують дедалі більше, проте втрати від хвороб і шкідників катастрофічно зростають

Великі успіхи у виробництві та застосуванні пестицидів призвели до того, що хімічний метод захисту рослин став основним. Саме завдяки йому землероби відбили атаки багатьох збудників хвороб. Здавалося б, проблема розв’язана. Та стало очевидно, що пестициди забруднюють біосферу. До них слід вдаватися лише тоді, коли інші можливості вичерпані. Крім того, хоч пестициди застосовують дедалі більше, проте втрати від хвороб і шкідників катастрофічно зростають. За останні 20 років обсяги застосування пестицидів на планеті зросли приблизно у вісім разів і за оцінками експертів ООН у найближчі 20 років збільшаться ще у п’ять разів. При зростанні світового виробництва сільськогосподарських продуктів у 1990-2010 роках менш як удвоє втрати врожаю від хвороб та шкідників зросли майже у три рази. Препарати, які нині застосовують, звичайно менш небезпечні ніж ДДТ, але важко передбачити негативні наслідки їх глобального використання. Важливо, щоб “хімічний прес”, до якого людство вдається дедалі активніше у взаєминах з природою, не став бумерангом…

Що ж робити?

Що ж робити? Ще недавно під час запальних дискусій висували полярні судження, пропонували навіть заборонити хімічний метод захисту рослин. Та спеціалістам сільського господарства очевидно – без інтенсивного хімічного захисту рентабельне землеробство поки що неможливе, хоча наука шукає інші методи, зокрема - біологічні.

Одним з найбільш перспективних напрямів цих пошуків є максимальне використання захисних реакцій самих рослин, підвищення їх стійкості за допомогою механізмів, що діють у природних умовах.

Фітоімунітет

Як і будь-який живий організм, рослини здатні чинити опір інфекції. В основі цього процесу лежить імунітет рослин, фітоімунітет – порівняно нова і цікава галузь у фізіології рослин.

Вчення про фітоімунітет почало розвиватися на початку минулого століття, коли вже були відомі досягнення імунології тварин. Зокрема те, що імунітет тварин грунтується на підвищеному вмісті в кровоносній системі специфічних антитіл. Їх виробляють спеціалізовані клітини – лімфоцити, які, по суті, є “всюдисущими детективами” нашого тіла. Роль лімфоцитів полягає в тому, щоб знайти інфекцію й знищити її.

У рослин таких спеціалізованих клітин немає. Але основна ж функція імунітету – розпізнавання “свого” і “несвого” – притаманна й рослинам. Проявляється це у здатності розпізнавати й позбуватися паразитичних мікроорганізмів, боротися з інфекціями. Заражена рослина потрапляє в умови екологічного стресу, до якого намагається пристосуватися. Але й мікроорганізм має величезні пристосувальні можливості, що значно переважають можливості рослини. У системі хазяїн-паразит останній намагається перетворити рослину на джерело свого живлення, неодмінною умовою чого є подолання бар’єру рослинного імунітету. Рослина ж прагне позбутися чи принаймі обмежити вплив паразита.

“Центральна догма” фітоімунології

У природі є майже десять тисяч видів паразитарних грибів, це без бактерій і вірусів, але кожен вид рослин уражається приблизно десятком паразитів, проти решти ж 9990 цей вид стійкий. Ось чому “центральною догмою” фітоімунології вважається, що фітоімунітет – правило, а сприйнятливість – виняток. Тобто більшість рослин стійкі проти більшості паразитарних мікроорганізмів. Це так званий видовий імунітет, завдяки якому багато грибів хоча й здатні іноді проникати в різні рослини, але не можуть на них паразитувати.

Спільна еволюція хазяїна та паразита

Щоб мікроорганізм зміг подолати видовий імунітет рослини, вони повинні, образно кажучи, “поваритися разом” у спільному еволюційному казані. В результаті подолання бар’єру несумісності виникає система рослина-паразит, у якій рослина сприйнятлива до паразита, а паразит є хвороботворним щодо неї. Паразит набуває здатності уражати цей вид рослини й стає для нього специфічним. Відтак починається другий етап їх взаємин – виникнення в межах виду стійких форм рослин, які можуть уникнути зараження. І відповідно у паразита виникає нова раса, здатна уражати ці стійкі форми. Тоді у популяції рослини-хазяїна в результаті мутаційної мінливості виникають гени стійкості уже проти нової раси паразита. Знову з’являється стійкий сорт. А у паразита виникає новий ген хвороботворності. І так далі.

На перший погляд здається парадоксальним, що культурні рослини, які значно поступаються мікроорганізмам за швидкістю розмноження, мінливості, пристосованості до несприятливих умов, зовсім небеззахисні щодо паразитів. Але в процесі еволюції рослини розвинули у себе різні захисні реакції, які взаємодоповнюють одна одну.

Чотири механізми самозахисту у рослин

Основних механізмів самозахисту у рослин чотири. Перший – різного роду механічні бар’єри, покриви рослин, які має здолати патоген. Якщо він за допомогою своїх знарядь нападу (ферментів і токсинів) все ж таки руйнує зовнішні покриви, тоді починає діяти наступна захисна реакція – відкладаються речовини типу суберину і лігніну, які зміцнюють стінки клітин і перешкоджають рухові паразита. Коли ж прорвана друга лінія оборони й гриб проник у судини рослини, в них утворюються спеціальні пробки з полісахаридів, а також тіли – своєрідні вирости, які ніби замуровують патогена. Другий – активізація окиснювальних процесів. Це найбільш загальна захисна реакція не тільки на зараження, а й практично на всі стреси. Адже захист від пошкодження – це насамперед мобілізація всіх видів ресурсів. З’являються нові ферменти, синтезуються особливі “стресові” білки, які мають вищу стійкість у змінених умовах. Посилено утворюються мітохондрії – силові станції клітини, де виробляється енергія. Третій – наявність у непошкоджених тканинах рослин певних антибіотичних речовин. Їх знайшли у трав’янистих і деревних рослин. Вважають, що вони досить швидко діють на мікроорганізм, оскільки містяться у непошкоджених тканинах у токсичних для гриба концентраціях. Найдетальніше вивчена група цих речовин – фенольні сполуки. При інфекції вони окислюються й утворюють хінони – речовини, які нейтралізують хвороботворних мікробів. Однак, часто такі захисні реакції не можуть зупинити атаку патогена. Тоді починає діяти четвертий захисний механізм, у тканинах рослин утворюються фітоалексини – антибіотичні речовини вищих рослин, яких немає у неушкоджених тканинах. Вони синтезуються виключно у відповідь на появу збудників інфекції і пригнічують їх ріст. Рослина-хазяїн, таким чином, у боротьбі з ворогом вдається до свого останнього резерву.

Внесок Інституту клітинної біології та генетичної інженерії НАН України

В останні роки в Інституті клітинної біології та генетичної інженерії НАН України виконані дослiдження механiзмiв тpансдукцiї мікробних сигналiв у pослин. Вивчення циклоаденілатної, кальцієвої та супероксид-синтазної сигнальних систем дозволило висунути та обгрунтувати концепції пpо роль первинних сигналів і вторинних месенджерів в індукції захисних реакцій та про кооpдинацiю захисних реакцій на piзних piвнях стpуктуpної організації рослин. Молекулярні дослідження показали, що рецепторні механізми і трансдукція сигналу після розпізнавання паразита призводять до активації каскаду захисних реакцій та індукції системної стійкості у рослин.

І, нарешті, молекулярні дослідження взаємодії паразитів і рослин привели до створення нового покоління хімічних засобів захисту рослин - екологічно безпечних, неспецифічних і персистентних. Так, створено композиційний препарат з біотичного еліситору та сигнальної молекули, який справляє фітозахисний ефект при обробці рослин картоплі, томату, огірка та цибулі. Обробка цим препаратом вегетуючих рослин підвищує їх стійкість до найбільш поширених в Лісостеповій зоні України хвороб. Його технічна ефективність проти збудників фітофторозу, альтернаріозу та пероноспорозу становить 50-60%.

Знайдено нові індуктори системної стійкості у рослин. Показано, що обробка карбоновими кислотами індукує неспецифічну стійкість рослин сортів ярої пшениці до ураження збудником септоріозу. В польових умовах встановлено, що комбінована дія еліситора та донору оксиду азота індукує системну стійкість сортів озимої пшениці до ураження бурою іржею. Ці препарати використовують як ефективні індуктори природної стійкості рослин пшениці проти біотичного стресу, що дозволяє зменшити кількість обробок посівів пестицидами.

Оскільки біотичні індуктори діють за тим же принципом, за яким рослини захищаються у природі, можна вважати, що їх використання для підвищення природної хворобостійкості рослин не буде забруднювати навколишнє середовище і знищувати популяції мікроорганізмів, як це має місце при обробці пестицидами. Розробка та впровадження методів індукування системної хворобостійкості рослин за рахунок підвищення їх імунного потенціалу дозволить зменшити той “хімічний прес”, якому дедалі більше підпадають сільськогосподарські угіддя і який є причиною наявності залишкових кількостей пестицидів у продукції рослинництва .

Індукувати стійкість рослин змушує складна екологічна обстановка. Пестицидний та інфекційний тиск на рослини досить часто перевищує їх адаптаційні можливості. Тому важливим є не тільки глибоке розуміння природи формування стійкості рослин, але і розробка методів імунокорекції для індукування їх хворобостійкості. Відповідно до цього, головним у сучасній стратегії захисту врожаю, на нашу думку, має бути інтеграція всіх наявних методів захисту рослин із максимальним використанням адаптивних можливостей самих рослин.

12.06.2017

ДМИТРІЄВ
Олександр Петрович —
чл-кор НАН України, доктор біологічних наук,
професор, головний науковий співробітник Інституту
клітинної біології та генетичної інженерії НАН України