Биостимуляторы в защите растений
В последнее время слово «биостимулятор» все чаще использовалось как универсальный дескриптор любого вещества, полезного для растений, не являющегося удобрением, пестицидом или улучшителем почвы. Позже выяснилось, что положительные действия, приписываемые химическим биостимуляторам, — стимулирование роста, модуляция развития и качественных характеристик урожая, устойчивость к абиотическим стрессам — также могут быть вызваны бактериями и грибами. В качестве примера — ризобактерии, способствующие росту растений, не являются удобрением, пестицидом или улучшителями почвы.
Основные категории биостимуляторов
Нигде в мире нет юридического или нормативного определения биостимуляторов, поэтому рассмотрим базовые группы.
1. Гуминовые и фульвокислоты
Гуминовые вещества (ГВ) являются естественными компонентами органического вещества почвы, образующимися в результате разложения растительных, животных и микробных остатков, а также как итог метаболической активности почвенных микроорганизмов.
ГВ представляют собой наборы гетерогенных соединений, первоначально классифицированных в соответствии с их молекулярными массами и растворимостью на гумины, гуминовые кислоты и фульвокислоты. Эти соединения также могут ассоциировать и диссоциировать в более крупные коллоиды, на что влияют корни растений через высвобождение протонов и иных корневых экссудатов в почвенный раствор. Любая попытка задействовать гуминовые вещества для стимулирования роста растений и повышения урожайности сельскохозяйственных культур должна использовать эти взаимодействия для достижения ожидаемых результатов. Это объясняет, почему применение гуминов и гуматов (растворимых фракций гуминовых и фульвокислот) показывает противоречивые результаты в отношении стимуляции роста растений.
ГВ извлекаются из естественно гумифицированного органического вещества (например, торфа), компостов и биогумусов или месторождений полезных ископаемых (леонардит, окисленная форма бурого угля).
Гуминовые вещества включают: гуминовые кислоты, которые растворимы в основных средах и, следовательно, извлекаются из почвы разбавленной щелочью и выпадают в осадок в кислых средах;
фульвокислоты, которые растворимы как в щелочных, так и в кислых средах;
гумины, которые не извлекаются из почвы.
Другое часто упоминаемое различие между гуминовыми и фульвокислотами заключается в том, что гуминовые кислоты обычно имеют высокую молекулярную массу, в то время как фульвокислоты — низкую.
Учитывая их небольшой молекулярный размер, фульвокислоты могут проходить через микропоры биологических или искусственных мембранных систем, в то время как гуминовые кислоты не могут.
2. Аминокислоты (АК)
Аминокислоты являются строительными блоками для пептидов и белков, а также осуществляют передачу сигналов в растении. Существует 20 аминокислот, кодируемых генами. Все, кроме глицина, имеют один или два асимметричных атома и существуют в двух (D- или L-) оптически активных (энантиомерных) формах, которые обладают различной физиологической и биологической активностью.
В почве пул аминокислот состоит из связанных и несвязанных форм в основном L-аминокислот. Однако D-аминокислоты обнаруживаются в почве в клеточных стенках некоторых микробов в качестве продуктов разложения биомассы, а также в результате абиотической рацемизации.
Свободные аминокислоты и нитраты содержатся во всех частях растения и используются для транспорта азота через ксилему и флоэму. Активные и пассивные механизмы поглощения отвечают за поглощение аминокислот через корни и побеги. Процесс происходит быстро: 5–45 % аминокислоты поглощается корнями растений в течение 48 часов после применения. Микробные популяции почвы будут использовать избыток аминокислот («доедают остальное»), которые в итоге высвобождаются по мере гибели микроорганизмов.
В почве азот находится либо в доступной для растений форме (доступный азот = нитратный азот + свободные аминокислоты), либо в недоступном для растений пуле (органическое вещество).
Свободные АК быстро разлагаются в почве. Например, период полураспада глицина в почве составляет 8–23 часа, а это может нас привести к выводу, что АК, применяемые для обработки семян (как и гуматы), не столько становятся пищей для самого проростка, сколько формируют «сигналы» для почвенных микроорганизмов, которые в дальнейшем создают условия для развития корневой системы растения.
Дефицит аминокислот не является чем-то критическим, что учитывается при управлении ростом растений, поскольку большинство растений могут синтезировать все незаменимые аминокислоты, пока есть источник азота. Однако уровни аминокислот в растениях могут быть оптимизированы с помощью внесения микроэлементов, таких как Fe для производства лизина, а также Cu, Mn и Mo для поддержки синтеза гистидина и лизина.
3. Экстракты морских водорослей и растительные компоненты
Морские водоросли использовались на протяжении тысячелетий — либо непосредственно, либо после компостирования для повышения плодородия почвы и урожайности сельскохозяйственных культур. Сообщается, что экстракты морских водорослей (ЭМВ) действуют как хелаторы, улучшая использование минеральных элементов растениями, структуру почвы и аэрацию, что может стимулировать рост корней.
ЭМВ также действуют как биостимуляторы, усиливая прорастание и укоренение семян, улучшая рост растений, урожайность, завязывание цветов и производство плодов, повышая устойчивость к биотическим и абиотическим стрессам и увеличивая срок хранения после сбора урожая.
Биостимулирующие эффекты часто объясняются наличием гормонов роста растений и связанных с ними низкомолекулярных соединений, присутствующих в экстрактах, но другие исследования показывают, что более крупные молекулы, включая полисахариды и полифенолы, также могут быть важны для повышения устойчивости к стрессу.
Большинство коммерческих препаратов производят из бурых морских водорослей. Их экстракты активны в качестве биостимуляторов в низких концентрациях (разбавленных в соотношении 1:1000 или более). ЭМВ представляют собой сложную смесь компонентов, содержат спектр органических и минеральных компонентов, включая уникальные и сложные полисахариды, отсутствующие в наземных растениях, такие как ламинарин, фукоидан и альгинаты, а также растительные гормоны.
Внекорневое применение ЭМВ приводит к усиленному развитию корней у различных видов, включая пшеницу, нут, кукурузу, томаты, землянику, озимый рапс и другие. Это объясняется присутствием фитогормонов в экстрактах морских водорослей, таких как ауксины и цитокинины, что стимулирует поглощение элементов питания из почвы. Косвенная стимуляция роста корней может также происходить за счет активизации ассоциированных почвенных микроорганизмов ЭМВ. Колонизация корней и рост гиф микоризных грибов улучшаются в присутствии ЭМВ.
Хорошо известно, что очищенные полисахариды клеточной стенки морских водорослей и производные от них олигосахариды могут усиливать рост растений. Олигоальгинаты, полученные из бурых морских водорослей, повышают усвоение азота и основной метаболизм в растениях, а олигокаррагинаны, полученные из красных водорослей, улучшают фотосинтез, усвоение азота, метаболизм, деление клеток и защиту от инфекций.
ЭМВ смягчают различные абиотические стрессы, включая засуху, засоление и экстремальные температуры. Реакция на стресс опосредуется сложной сетью сигналов, которые воспринимают стрессовые факторы и приводят в движение молекулярные, биохимические и физиологические процессы, которые могут быть уникальными для каждого стресса. На молекулярном уровне экспрессируются индуцируемые стрессом гены, которые кодируют производство белков, непосредственно защищающих от стресса, включая осмопротекторы, ферменты и транспортеры.
Метаболизм растения может быть также изменен путем синтеза эндогенных регуляторных молекул, таких как салициловая и абсцизовая кислоты, пролин и глицинбетаин, которые стабилизируют белки и клеточные структуры, поддерживают тургор клеток и поглощают активные формы кислорода.
ЭМВ увеличивают концентрации молекул, связанных со стрессом, таких как цитокинины, пролин, антиоксиданты и антиоксидантные ферменты в обработанных растениях, концентрацию общих растворимых сахаров в цитозоли и долю ненасыщенных жирных кислот в условиях стресса от подмерзания.
Таким образом, ЭМВ, содержащие сложную смесь полисахаридов, микроэлементов и гормонов роста растений, оказывают стимулирующее действие на рост и могут повышать устойчивость растений к абиотическим и биотическим стрессам. Важно только понимать, что антистрессанты должны применяться перед наступлением стрессовых условий, а не после: как известно, после драки кулаками не машут…
4. Хитозан и другие биополимеры
Хитозан представляет собой деацетилированную форму биополимера хитина, получаемую естественным и промышленным путем. Физиологические эффекты олигомеров хитозана в растениях обусловлены его способностью связывать широкий спектр клеточных компонентов, включая ДНК, компоненты плазматической мембраны и клеточной стенки, а также связывать специфические рецепторы, участвующие в активации защитных генов, аналогично элиситорам защиты растений.
Хитин и хитозан, по-видимому, используют различные рецепторы и сигнальные пути. Хитозан, связываясь с клеточными рецепторами, вызывает накопление Н2О2 и выброс Ca2+ в клетку, которые являются ключевыми игроками в передаче сигналов о стрессовых реакциях. Как следствие, на протяжении многих лет разрабатывалось применение хитозана с упором непосредственно на защиту растений от грибных патогенов, но более широко — на устойчивость к абиотическому стрессу (засуха, засоление, холодовой стресс) и управление закрытием устьиц.
5. Неорганические соединения
Пятью основными полезными элементами являются Al, Co, Na, Se и Si, присутствующие в почвах и растениях в виде неорганических солей и нерастворимых форм, таких как аморфный кремнезем (SiO2.nH2O) у злаков. Можно предположить, что биологическая активность некоторых экстрактов морских водорослей или отходов животноводства связана с физиологическими функциями содержащихся в них полезных элементов.
Основными функциями неорганических элементов являются сопротивляемость клеточной стенки, осморегуляция, снижение транспирации за счет отложений кристаллов, терморегуляция за счет отражения излучения, активность ферментов за счет кофакторов, антиоксидантная защита, взаимодействие с симбионтами, защита от токсичности тяжелых металлов, синтез гормонов и активность сигнальных механизмов.
6. Полезные грибы
Грибы взаимодействуют с корнями растений по-разному, от мутуалистических симбиозов (когда оба организма живут в непосредственном контакте друг с другом и устанавливают взаимовыгодные отношения) до паразитизма.
Микоризные грибы представляют собой группу, которая устанавливает симбиоз с более чем 90 % всех видов растений. Микориза улучшает минеральное питание (особенно фосфорное), защищает от почвенных инфекций, устанавливает трехсторонние ассоциации с растениями и ризобактериями.
Препараты на основе грибов, применяемые на растениях для повышения эффективности питания, устойчивости к стрессам, урожайности и качества продукции, должны подпадать под понятие биостимуляторов. Такие грибные эндофиты, как отдельные виды Trichoderma spp., в отличие от микоризных видов, способны жить по крайней мере часть своего жизненного цикла вдали от растения, колонизировать корни и, как недавно было показано, передавать питательные вещества своим хозяевам.
7. Полезные бактерии
Бактерии взаимодействуют с растениями всеми возможными способами: бактериальная ниша простирается от почвы до внутренней части клеток корня с промежуточными местоположениями, называемыми ризосферой и ризопланом. Ассоциации могут быть временными или постоянными, некоторые бактерии даже передаются через семена.
Основными типами полезных бактерий являются мутуалистические эндосимбионты типа Rhizobium и мутуалистические ризосферные бактерии. Rhizobium и родственные таксоны продаются в качестве микробных инокулянтов, способствующих усвоению элементов питания.
В настоящее время ризосферные бактерии рассматриваются как своего рода растительные «пробиотики». Есть несколько механизмов стимуляции роста и поглощения элементов питания: асимбиотическая фиксация азота, солюбилизация элементов, связывание железа путем образования сидерофоров и производство летучих органических соединений.
Бактерии, способные асимбиотически фиксировать атмосферный азот (N2), принадлежат ко многим родам, включая Azoarcus spp., Klebsiella pneumoniae, Pantoea agglomerans, Azotobacter spp., Azospirillum spp., Bacillus polymyxa, Burkholderia spp., Herbaspirillum spp. и Gluconoacebacter diazotrophicus. Среди всех этих родов Azospirillum является наиболее изученным и может быть обнаружен в тесной связи с корнями растений, в том числе внутри клеток корня: выяснили, что Azospirillum brasilense и Azospirillum lipoferum составляют 7–12 % общего содержания азота в пшенице.
Некоторые микроорганизмы повышают доступность выбранных питательных веществ почвы за счет усиленной солюбилизации питательных веществ, тем самым позволяя растениям усваивать питательные вещества более эффективным способом. Низкая доступность абсорбируемых форм Р в почве представляет собой важную проблему: даже при внесении фосфора в почву он может не усваиваться растениями, поскольку легко связывается с ППК, тем самым становясь недоступным. Различные бактериальные роды были идентифицированы как солюбилизаторы фосфора, включая Pseudomonas spp., Bacillus spp., Burkholderia spp., Streptomyces spp., Achromobacter spp., Micrococus spp., Flavobacterium spp., Erwinia spp. и Azospirillum spp.
Двумя наиболее известными механизмами, с помощью которых микроорганизмы растворяют фосфор, являются выделение органических кислот и фосфатаз (для высвобождения органического фосфора). Органические кислоты превращают нерастворимые фосфатные формы в растворимые, хелатируя катионы, связанные с фосфатом, и снижая рН.
Органический фосфор, который составляет около 30–80 % почвенного фосфора, состоит из фитатов (инозитол-гекса- и пентафосфаты), которые составляют до 60 % органического фосфора почвы. Однако фитат не может быть поглощен растением. Сначала он должен быть дефосфорилирован фосфатазами таких бактерий, как Pseudomonas, Burkholderia, Enterobacter, Citrobacter и Serratia.
Проблемы применения биостимуляторов
Основные эффекты биостимуляторов заключаются в том, чтобы вызвать физиологические реакции у растения. Технические проблемы включают в себя составление и смешивание биостимуляторов с другими препаратами и/или средствами защиты растений.
Технические трудности возникают также при мониторинге сельскохозяйственных культур и при принятии решения о том, следует ли, когда и каким образом применять биостимуляторы. Ситуация более сложная, чем с любыми средствами защиты растений, для которых поражение вредителями и болезнями относительно легко обнаружить и количественно оценить, и для которых доступны эпифитотические модели по оптимизации применения пестицидов. Мы далеки от ситуации с такими абиотическими стрессорами, которые часто взаимодействуют в полевых условиях, трудно поддаются оценке и обычно оцениваются количественно по снижению урожайности, но работу по изучению эффективности антистрессантов необходимо продолжать и выводить на новый уровень.
А. Н. Таракановский, председатель Ученого совета Ассоциации «Народный фермер Кубани», независимый фитопатолог, к.б.н.