Биотехнологии защиты растений от вредителей

Обновлено: 08.07.2024

Биотехнология — это наука о методах и технологиях производства различных ценных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов (микроорганизмов, растительных и животных клеток), частей клеток (клеточных мембран, рибосом, митохондрий, хлоропластов) и процессов(Биотехнология…, 2008).

Введение
1. Методы биотехнологии, и ее перспективы
2. Биотехнология сельскохозяйственных растений
3. Естественная защита растений
4. Устойчивость к гербицидам
5. Устойчивость к неблагоприятным факторам среды
Заключение
Список использованных источников

Введение

Корни биотехнологии уходят в далёкое прошлое и связаны с хлебопечением, виноделием и другими способами приготовления пищи, известными человеку еще в древности. Например, такой биотехнологический процесс, как брожение с участием микроорганизмов, был известен и широко применялся еще в древнем Вавилоне, о чем свидетельствует описание приготовления пива, дошедшее до нас виде записи на дощечке, обнаруженной в 1981 г. при раскопках Вавилона.

Наукой биотехнология стала благодаря исследованиям и работам французского ученого, основоположника современной микробиологии и иммунологии Луи Пастера (1822-1895).

В ХХ веке происходило бурное развитие молекулярной биологии и генетики с применением достижений химии и физики. Важнейшим направлением исследований явилась разработка методов культивирования клеток растений и животных. И если еще совсем недавно для промышленных целей выращивали только бактерии и грибы, то сейчас появилась возможность не только выращивать любые клетки для производства биомассы, но и управлять их развитием, особенно у растений. Таким образом, новые научно-технологические подходы воплотились в разработку биотехнологических методов, позволяющих манипулировать непосредственно генами, создавать новые продукты, организмы и изменять свойства уже существующих. Главная цель применения этих методов — более полное использование потенциала живых организмов в интересах хозяйственной деятельности человека (Биотехнология…, 2008).

1. Методы биотехнологии

Генная и клеточная инженерия — являются важнейшими методами (инструментами), лежащими в основе современной биотехнологии. Методы клеточной инженерии направлены на конструирование клеток нового типа.

Они могут быть использованы для воссоздания жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток, для объединения целых клеток, принадлежавших различным видам с образованием клетки, несущей генетический материал обеих исходных клеток, и других операций.

Генно-инженерные методы направлены на конструирование новых, не существующих в природе сочетаний генов.

Нужна помощь в написании реферата?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Наибольшее применение генная инженерия нашла в сельском хозяйстве и в медицине.

Люди всегда задумывались над тем, как можно научиться управлять природой, и искали способы получения, например, растений с улучшенными качествами: с высокой урожайностью, более крупными и вкусными плодами или с повышенной холодостойкостью. С давних времен основным методом, который использовался в этих целях, была селекция. Она широко применяется до настоящего времени и направлена на создание новых и улучшение уже существующих сортов культурных растений, пород домашних животных и штаммов микроорганизмов с ценными для человека признаками и свойствами.

Селекция строится на отборе растений (животных) с выраженными благоприятными признаками и дальнейшем скрещивании таких организмов, в то время как генная инженерия позволяет непосредственно вмешиваться в генетический аппарат клетки. Важно отметить, что в ходе традиционной селекции получить гибриды с искомой комбинацией полезных признаков весьма сложно, поскольку к потомству передаются очень большие фрагменты геномов каждого из родителей, в то время как генно-инженерные методы позволяют работать чаще всего с одним или несколькими генами, причем их модификации не затрагивают работу других генов.

В результате, не теряя других полезных свойств растения, удается добавить еще один или несколько полезных признаков, что весьма ценно для создания новых сортов и новых форм растений. Стало возможным изменять у растений, например, устойчивость к климату и стрессам, или их чувствительность к насекомым или болезням, распространённым в определённых регионах, к засухе и т. д. Учёные надеются даже получить такие породы деревьев, которые были бы устойчивы к пожарам. Ведутся широкие исследования по улучшению пищевой ценности различных сельскохозяйственных культур, таких как кукуруза, соя, картофель, томаты, горох и др (Биотехнология в с/х…,2009).

Вторая волна — начало 2000-х годов — создание растений с новыми потребительскими свойствами: масличные культуры с повышенным содержанием и измененным составом масел, фрукты и овощи с большим содержанием витаминов, более питательные зерновые и т. д.

Генно-инженерные работы в животноводстве имеют другую задачу. Вполне достижимой целью при современном уровне технологии является создание трансгенных животных с определённым целевым геном. Например, ген какого-нибудь ценного гормона животного (например, гормона роста) искусственно внедряется в бактерию, которая начинает продуцировать его в больших количествах.

Еще один пример: трансгенные козы, в результате введения соответствующего гена, могут вырабатывать специфический белок, фактор VIII, который препятствует кровотечению у больных, страдающих гемофилией, или фермент, тромбокиназу, способствующий рассасыванию тромба в кровеносных сосудах, что актуально для профилактики и терапии тромбофлебита у людей. Трансгенные животные вырабатывают эти белки намного быстрее, а сам способ значительно дешевле традиционного (Биотехнология в с/х…,2009).

2. Биотехнология сельскохозяйственных растений

Начиная с каменного века люди отбирали растения с удовлетворяющими их характеристиками и сохраняли их семена на следующий год. Отбирая лучшие семена, первые агрономы осуществили первичное генетическое модифицирование растений и таким образом одомашнили их задолго до того, как были открыты основные генетические закономерности. Сотни лет фермеры и селекционеры растений пользовались перекрестным скрещиванием, гибридизацией и другими подходами к модификации генома, приводящими к увеличению урожайности, улучшению качества продукции и повышению устойчивости растений к насекомым-вредителям, болезнетворным микроорганизмам и неблагоприятным условиям среды.

По мере углубления знаний о генетике растений человек начал осуществлять целенаправленное перекрестное скрещивание (кроссбридинг) обладающих желаемыми характеристиками или не имеющих нежелательных признаков сортов растений и межвидовую гибридизацию с целью получения новых сортов, сохранивших лучшие качества обеих родительских линий. В настоящее время практически любая сельскохозяйственная культура является результатом кроссбридинга, гибридизации или применения обоих подходов. К сожалению, эти методы нередко дороги, требуют больших затрат времени, неэффективны и имеют существенные практические ограничения. Например, для создания с помощью традиционного кроссбридинга сорта кукурузы, устойчивого к определенным насекомым, потребовался бы не один десяток лет, причем без гарантированного результата (Биотехнологические проблемы…,1982).

Нужна помощь в написании реферата?

Биотехнологические подходы — позволяют современным селекционерам выделять отдельные гены, отвечающие за желаемые признаки, и перемещать их из генома одного растения в геном другого.

Этот процесс гораздо более точен и избирателен, чем традиционное скрещивание, в ходе которого тысячи генов, обладающих неизвестными функциями, перемещаются из одного сорта или вида растений в другой.

Биотехнология позволяет и то, что не под силу природе — перемещение генов между растениями, животными и микроорганизмами. Это открывает огромные возможности для улучшения качества урожая. Например, мы можем взять бактериальный ген, токсичный для болезнетворного грибка, и встроить его в геном растения. Растение при этом начинает синтезировать фунгицидный белок и в борьбе с грибком не нуждается в помощи извне.

Современные селекционеры-биотехнологи ставят перед собой те же задачи, что и при традиционном кроссбридинге и других методах модификации генома: повышение урожайности; устойчивость к болезнетворным бактериям, грибкам и вирусам; способность выживать в неблагоприятных условиях среды (при заморозках и засухах); устойчивость к вредителям, таким как насекомые, сорняки и круглые черви (нематоды) (С/х биотехнология…,2003).

3. Естественная защита растений

Растения, как и животные, обладают врожденными механизмами защиты от различных насекомых и заболеваний. В настоящее время ученые ведут активный поиск соединений, которые активизировали бы эти естественные механизмы, не нанося при этом вреда окружающей среде.

Биотехнология также открывает большие перспективы в работе над созданием новых биопестицидов, таких как белки микроорганизмов и жирные кислоты, токсичные для определенных сельскохозяйственных вредителей, но безвредные для человека, животных, рыб, птиц и полезных насекомых. Уникальность механизмов действия биопестицидов обеспечивает защиту от вредителей, устойчивых к традиционным средствам.

Уже в 30-х годах прошлого века фермеры начали использовать в качестве биопестицида микроорганизм Bacillusthuringiensis (Bt), естественной средой обитания которого является почва. Некоторые белки, синтезируемые B. thuringiensis, смертельны для определенных насекомых, в том числе для кукурузного мотылька (Ostrinianubilalis), ежегодно наносящего сельскому хозяйству США урон в 1,2 миллиарда долларов. Использование аэрозолей, содержащих бактерии Bt, позволяет уничтожить насекомых-вредителей, не прибегая к химическим средствам (С/х биотехнология…,2003).

Возможности биотехнологии позволяют нам переносить гены белков, ядовитых для определенных вредителей (но не для людей, животных и полезных насекомых), в геном растений, которыми эти вредители питаются. Растение, которое раньше было источником пищи, становится смертельным для вредителя, что отменяет необходимость опрыскивания плантаций химическими пестицидами.

4. Устойчивость к гербицидам

Продуктивность сельскохозяйственной культуры зависит от присутствия в среде обитания сорняков, вступающих с основной культурой в конкуренцию за питательные вещества и влагу. Для уничтожения нежелательных растений сельскохозяйственные плантации, как правило, опрыскиваются гербицидами, которые в большей или меньшей степени токсичны не только для сорняков.

С помощью биотехнологических приемов можно повысить устойчивость культурных растений к гербицидам и таким образом в несколько раз уменьшить поступление токсичных веществ в окружающую среду.

Нужна помощь в написании реферата?

5. Устойчивость к неблагоприятным факторам среды

Кроме описанных выше биологических факторов, препятствующих росту и развитию растений, существует еще целый ряд абиотических стрессорных воздействий, регулярно оказываемых природой на сельскохозяйственные культуры — это засухи, холод, жара, повышенная кислотность или засоленность почв. Селекционерам с помощью кроссбридинга удалось создать достаточное количество сортов растений, устойчивых к биологическим факторам окружающей среды, однако в отношении устойчивости к абиотическим стрессам все не так просто. Основным лимитирующим моментом в данном случае является отсутствие у многих видов культурных растений диких родственников, обладающих устойчивостью к тому или иному фактору среды.

Репродуктивная несовместимость, ограничивающая возможности традиционного кроссбридинга, совершенно не влияет на возможности биотехнологии растений, т. к. гены практически любого организма могут использоваться для улучшения существующих сортов сельскохозяйственных культур. В настоящее время ученые делают большие достижения в разработке сортов, способных расти и давать урожай в различных природных условиях. В качестве примера можно привести генетически модифицированные сорта помидоров и канолы (разновидность рапса), которые могут переносить в 100 раз более высокий уровень солености почвы, чем традиционные сорта.

Исследователи также идентифицировали большое количество генов, ответственных за естественную устойчивость некоторых растений и бактерий к холоду, жаре и засухе. Мексиканские ученые создали сорта кукурузы и папайи, устойчивые к повышенному содержанию в почве алюминия, оказывающему негативное влияние на продуктивность сельского хозяйства многих развивающихся стран.

Кроме увеличения продуктивности сортов за счет придания им устойчивости к заболеваниям, вредителям, сорнякам и воздействиям окружающей среды, сельскохозяйственные биотехнологи работают над непосредственным повышением урожайности культур. Японские ученые встроили гены, обеспечивающие фотосинтез растений кукурузы, в геном риса.

Это повысило эффективность усвоения энергии солнечного света и накопления в зерне крахмала, и урожайность нового сорта риса оказалась на 30 % выше по сравнению с исходным уровнем. Другим подходом, но с той же конечной целью, является блокирование определенных генов растения, что приводит к перераспределению питательных веществ между различными частями растения. Урожайность значительно возрастает при преимущественном накоплении крахмала или жирных кислот не в листьях растения, а, например, в клубнях картофеля или семенах рапса (Биотехнология в с/х…,2009).

Биотехнологические методы также позволяют повышать эффективность усвоения растениями необходимых им микроэлементов. Например, мексиканские ученые создали генетически модифицированные растения, корни которых секретируют в окружающую среду лимонную кислоту. В результате происходит небольшое подкисление почвы и переход содержащихся в ней минералов, в том числе кальция, фосфора и калия, в растворимую форму, что делает их доступными для растений.

Азот — является важнейшим элементом, лимитирующим рост растений.

Ученые, работающие в разных областях, шаг за шагом приближаются к разгадке секретов симбиотических отношений, позволяющих азотфиксирующим бактериям поглощать атмосферный азот и отдавать его растениям, предоставляющим им убежище в корневых клубеньках:

1. Генетики-ботаники из Венгрии и Англии идентифицировали растительный ген и соответствующий белок, позволяющий растениям вступать во взаимодействие с почвенными азотфиксирующими бактериями.

2. Генетики-микробиологи из университета Квинсленда (Австралия) идентифицировали бактериальный ген, стимулирующий формирование корневых клубеньков.

Нужна помощь в написании реферата?

3. В результате совместной работы молекулярных биологов Европейского Союза, США и Канады был полностью расшифрован геном одного из видов азотфиксирующих бактерий.

4. Ученые, занимающиеся химией белков, расшифровали точную структуру фермента, превращающего атмосферный азот в приемлемую для растений форму (Биотехнологические проблемы…,1982).

Заключение

Центральная проблема биотехнологии — интенсификация биопроцессов как за счет повышения потенциала биологических агентов и их систем, так и за счет усовершенствования оборудования, применения биокатализаторов (иммобилизованных ферментов и клеток) в промышленности, аналитической химии, медицине.

В основе промышленного использования достижений биологии лежит техника создания рекомбинантных молекул ДНК. Конструирование нужных генов позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми свойствами.

В частности, возможно управление процессом фиксации атмосферного азота и перенос соответствующих генов из клеток микроорганизмов в геном растительной клетки.

Биотехнология открывает новые горизонты перед человеческим разумом. Проблемы биотехнологии чрезвычайно много образны, начиная от чисто технических (например, снижение каталитической активности ферментов при их иммобилизации) и кончая тонкими интеллектуальными проблемами, связанными с обеднением фундаментальной науки в связи с доминированием чисто проблемно-прикладных разработок (Биотехнологические проблемы…,1982).

Список использованных источников

Биологическими препаратами называются средства, полученные из различных природных источников (грибы, растения, животные, микроорганизмы и т.д.) или синтезированные методами биотехнологии. Среди прочих полезных областей применения таких препаратов можно назвать и защиту культурных растений от болезней и вредителей.

Главной особенностью таких биологических средств защиты, в отличие от средств "химических", является их безвредность для человека и окружающей среды (в том числе домашних и диких животных, насекомых-опылителей и т.п.), что делает их пригодными для все более набирающего популярность экологического (органического) земледелия. К тому же такие препараты не вызывают привыкания у вредителей и устойчивости у патогенных микроорганизмов – это позволяет эффективно использовать средства в течение многих лет, не увеличивая нормы расхода действующего вещества.

А еще – биопрепараты не накапливаются в тканях растений, не оказывают отрицательного влияния на качество и вкусовые свойства плодов и не требуют длительного периода ожидания (время между повторными обработками). К тому же некоторые из них не только борются с инфекциями или вредителями, но даже укрепляют иммунитет садово-огородных культур или увеличивают урожайность. Особенно полезна обработка такими биопрепаратами почвы под рассаду, а также семян и растений в "юном" возрасте – на наиболее нежной и чувствительной стадии – рассады.

Так же, как и ядовитые препараты-химикаты, биологические средства делятся на:

биофунгициды – препараты, подавляющие жизнедеятельность патогенных грибков;
биоинсектициды – направлены против насекомых-вредителей;
биоакарициды – направлены против патогенных клещей;
бионематициды – направлены против растительноядных нематод;
биогербициды – средства против сорных растений;
биородентициды – средства против грызунов.

А есть ли у биопрепаратов недостатки? Скорее, нюансы использования, весомость которых каждый огородник определяет лично для себя и своего участка:

действуют в большинстве своем медленнее и мягче химических аналогов;
действие недолговечно, и обработки придется повторять с определенной периодичностью;
эффективно справятся с болезнями только на ранних стадиях. Чтобы получить существенный эффект, нужно проводить профилактические обработки;
срок хранения большинства биопрепаратов обычно истекает через 1,5-2 года, после чего их активность начинает заметно снижаться.

Биопрепараты для борьбы с вредителями растений

Это препараты на основе узкоспециализированных вирусов, грибков, микроорганизмов и/или продуцируемых ими специфических веществах направленного действия. Они предназначены для борьбы с имаго и личинками вредных насекомых, клещей, червей. Попадая с частицами съеденной листвы в организм вредителей, препарат чаще всего вызывает у них паралич кишечника или, проникая дальше в ткани, серьезные метаболические нарушения в клетках, что приводит к смерти.

Также механизм действия может быть основан на механическом обездвиживании и/или повреждении яиц вредителей и их взрослых особей (например, споры гриба Paecilomyces lilacinus прорастают "сквозь" яйца нематод, уничтожая их содержимое). Иногда такие препараты разрабатываются и на основе других организмов – например, нематоды могут использоваться для борьбы с насекомыми.

Такие препараты обладают широким спектром действия, что позволяет им эффективно бороться с такими вредителями, как:

паутинный клещ,
медведки, колорадский и майский жуки и их личинки,
тля,
трипсы,
нематоды,
пилильщики,
клопы,
бабочки (плодожорки, совки, огневки, капустницы, американская белая и т.д.),
плодовые моли,
многие виды гусениц и т.д.

Плюс – многие из таких препаратов имеют полезные "побочные эффекты" вроде обогащения почвы доступными формами азота или увеличения урожайности продукции.

Как создают такие препараты? Исследуя взаимодействия живых организмов между собой. Так, в XIX веке в Тюрингии, выясняя причины смертности тутового шелкопряда на фабрике по производству шелка, обнаружили особую бактерию бациллюс турингиенсис (Bacillus thuringiensis), которая выделяла токсины, убивающие бабочек и жуков, но совершенно безвредные для млекопитающих. А уже в XX веке на основе этих бактерий были разработаны препараты против насекомых-вредителей.

Самыми популярными среди огородников из этой группы препаратов на сегодняшний день являются:

Bacillus thuringiensis

Фитоверм (Аверсектин С), Вертициллин, Пециломицин, Метаризин, Басамил, Актофит, Нематофагин, Боверин и другие на основе микроскопических грибков (Streptomyces, Verticillium, Metarhizium, Paecilomyces, Arthrobotrys и др.), выделяющих особые вещества – нейротоксические яды для насекомых и клещей – либо механически повреждающих целостность покровных оболочек вредителей.
Энтонем, Немабакт – на основе энтомопатогенных нематод из семейств Steinernematidae и Heterorhabditide, которые в качестве паразитов способны заражать более тысячи видов насекомых-вредителей из различных отрядов, поражая все фазы развития, кроме яйца.
Карповирусин, Мадекс Твин, ФермоВирин, Хеликовекс – на основе высокоспецифичных вирусов, поражающих конкретных вредных насекомых на стадии гусеницы.

Биопрепараты для борьбы с болезнями растений

Противогрибковых биопрепаратов достаточно много, но чаще всего огородники используют средства на основе бактерии сенная палочка (Bacillus subtilis) и почвенного грибка триходермы (Trichoderma).

Сенная палочка впервые была выделена из сенного отвара, почему и получила такое название. Эта бактерия способна подавлять развитие фитопатогенов, продуцируя более 70 видов биологически активных веществ. Ее воздействие на фитопатогены заключается в создании для них неблагоприятных условий обитания (подкисление почвы), а также дефицита питания – сенная палочка развивается быстрее возбудителей болезней и заселяет максимальную поверхность.

Триходерма, внедряясь в корни грибов-фитопатогенов, активно разрастается в клетках, что приводит к гибели последних. Кроме того, триходерма подавляет рост и развитие возбудителей болезней за счет выделения большого количества особых ферментов и антибиотиков.

Еще одна важная и замечательная способность триходермы и сенной палочки – переработка органических веществ в легко усваиваемые растениями неорганические соединения.

На основе спор, мицелия и отходов жизнедеятельности триходермы производят такие биологические препараты, как Трихоплант, Глиокладин, Трихоцин, МикоХелп, Триходерма вериде и др.

На основе сенной палочки, к примеру, изготовлены такие биосредства, как Фитоспорин, Алирин-Б, Экомик Урожайный, Гамаир, Бактофит и др.

Некоторые же препараты и вовсе содержат сразу несколько активных микроорганизмов и даже растительные экстракты, которые эффективно взаимодействуют.

Очистить почву от инфекций помогут препараты Гамаир, Фитоспорин-М, Алирин-Б, Экомик Урожайный, Глиокладин, Органик-баланс и др. Гамаир, к примеру, отличается широким спектром действия, хотя наиболее эффективен против черной ножки капусты. Фитоспорин-М, Споробактерин и Бактоген хороши в отношении различных болезней; Глиокладин, Бетапротектин, Трихоцин и Алирин-Б есть смысл применять только против корневых гнилей, а Ампеломицин – только против мучнистой росы и т.д.

Как и когда обрабатывать почву биопрепаратами? У каждого средства есть инструкция по применению. Обычно препарат растворяют в воде и весной, за несколько дней до высадки рассады, проливают грядки по указанному на упаковке алгоритму. В теплице применяют раствор такой же концентрации, но не только проливают почву, а заодно опрыскивают и стены с потолком.

Широко используют такие биопрепараты и в предпосевной обработке семян. При такой обеззараживающей обработке (обычно это замачивание в рабочем растворе на 30-60 минут) эффективно уничтожаются патогены без вреда для самих семян и будущей рассады. Кроме уничтожения болезнетворной фауны биопрепараты ускоряют прорастание и повышают иммунитет растения к вирусным, бактериальным и грибковым болезням. К тому же, обычно эти препараты очень экономичны в использовании и быстро действуют, благодаря чему время замачивания семян существенно сокращается. Самым универсальным из такого рода препаратов считается Фитоспорин-М, хотя с успехом для профилактики тех или иных заболеваний растений можно применять и другие подобные биосредства – Планриз, Бактофит, Экомик, Трихоплант и т.д.

Хозяйства вынуждены тратить огромные средства на закупку различных химических средств защиты растений от вредителей и для борьбы с патогенами. При этом вносимые химикаты загрязняют окружающую среду, они оказывают вредное воздействие на млекопитающих и полезных насекомых. Поэтому поиск, а также создание с помощью генно-инженерных методов, устойчивых к вредителям новых растений - сейчас одна из актуальнейших задач.

Накопленные знания о механизмах патогенеза и современные возможности генетической инженерии позволяют разрабатывать научные методы создания ГМ растений, которые устойчивы к насекомым-вредителям, к грибным, бактериальным и вирусным инфекциям.

Давно известно, что бактерия Bacillus thuringiensis синтезирует белковые кристаллические структуры, обладающие сильным инсектицидным действием. Попадая в кишечник насекомых, белок расщепляется под действием протеаз насекомого до активного токсина, который и вызывает гибель насекомого.

Известно и уже изолировано много различных Bt генов (cry гены), кодирующих инсектицидные белки, которые очень специфичны для различных видов насекомых. Важно подчеркнуть, что эти белки совершенно не токсичны для млекопитающих, рыб, беспозвоночных и полезных насекомых. Естественные Bt гены, перенесенные в растения, плохо экспрессируются. Поэтому генно-инженерными методами их модифицируют, добиваясь более высокой экспрессии в клетках растений. Так, замена 4 участков гена cry III класса на синтетические фрагменты привела к резкому повышению экспрессии гена. Созданные трансгенные растения баклажана полностью устойчивы к колорадскому жуку.

Первый коммерческий сорт картофеля, устойчивого к колорадскому жуку, создан фирмой Монсанто путем введения в геном картофеля модифицированного Bt гена cry III. Этой же и другими фирмами на основе Bt генов получены устойчивые к насекомым коммерческие сорта хлопка, кукурузы и риса.

Защита от насекомых может быть достигнута путем создания ГМ растений, несущих гены, кодирующие инсектопестициды грибов - пестициды. Например, из некоторых грибов выделены высоковирулентные изоляты против тлей и белокрылки – насекомых, наносящих огромный вред при выращивании растений в теплицах.

В качестве кандидатов генов, чьи продукты могут обладать инсектицидным действием, могут быть гены ингибиторов сериновой и цистеиновой протеаз, сr-амилазы, лектинов, хитиназ, липоксигеназ. Активно ведутся работы по клонированию генов и созданию ГМ растений, устойчивых против грибных, бактериальных и вирусных инфекций. Известно, что в ответ на инфекцию патогенов в растениях включается целый набор различных защитных механизмов.

Реакции растений на фитопатогены можно разделить на 3 группы:

· растение имеет полный иммунитет против данного патогена;

· в ответ на повреждение происходит быстрая программируемая гибель клеток в точке внедрения патогена (так называемая реакция сверхчувствительности), при этом патоген не успевает распространиться и погибает вместе с клетками растения;

· патоген преодолевает ответные защитные реакции организма и вызывает различной степени повреждения вплоть до гибели растения.

В качестве защитного ответа на повреждение в растении начинается синтез соединений, токсичных для патогенов, могут также создаваться структурные барьеры за счет усиления клеточных оболочек путем лигнификации или накопления гликопротеидов.

Инфекция вызывает у растений синтез вторичных метаболитов (например, антибиотиков типа фитоалексинов), окисление фенольных соединений, синтез защитных полипептидов (PR белки). Выделяют не¬сколько типов таких защитных белков: PR-1, PR-2 (бетта-1,3 глюканазы), PR-3 (хитиназы) PR-4, PR-5 (томатинподобные протеины) и PR-6 (ингибиторы протеаз).

У многих видов растений в ответ на атаку патогена возникает системно индуцированная устойчивость (SAR), главной реакцией при этом является синтез растением салициловой кислоты, которая связывает и ингибирует изозимы каталазы. Среди PR белков, связанных с грибной инфекцией, наиболее изучены хитиназы. Они гидролизуют хитин – основной компонент клеточной оболочки грибов. Созданные трансгенные растения табака с геном хитиназы фасоли под контролем 35S промотора успешно выживали в почве, зараженной патогенным грибом Rhizostonia solani.

Проведена агробактериальная трансформация сортов риса генами cht-2 и cht-З, кодирующими хитиназу риса под 35S промотором. Трансформанты характеризовались высокой устойчивостью к двум наиболее распространенным расам гриба Magnaporthe grisea, одного из самых вредоносных для риса патогенов. Наряду с хитиназой в конструкциях векторов широко используются (бетта-глюканазы для создания патогенустойчивых растений пшеницы, ячменя и др.

В последнее время обнаружен новый класс антимикробных пептидов, названных дефензинами. Дефензины выделены из семян многих видов однодольных и двудольных растений. Они состоят из 45-54 аминокислот и характеризуются значительным консерватизмом последовательностей нуклеотидов. Оказалось, что эти пептиды угнетают рост целого ряда грибов. Сейчас гены этих пептидов клонированы и используются для создания трансгенных растений. Трансформанты табака с геном дефензина редьки под 35S промотором характеризовались высокой устойчивостью против гриба Alternaria longipes. Разрабатывается также метод моделирования системы гиперчувствительности как защитной системы у растений с использованием генетических конструкций, содержащих ген бактериальной РНКазы (барназы) под контролем участка промотора картофельного гена prp I-I, обеспечивающего экспрессию гена в условиях грибного заражения. В случае инфекции индуцируется экспрессия гена и клетка погибает вместе с патогеном. Ведутся работы по поиску других подходов и систем для получения генетически модифицированных растений, способных противостоять грибным инфекциям.

Разработано несколько методов создания растений, устойчивых к вирусам растений. Один из них заключается в контролировании различных антисмысловых конструкций, где к ДНК-содержащая копия вирусной РНК помещается под промотор таким образом, чтобы в результате транскрипции образовалась последовательность РНК, комплементарная вирусной РНК. При заражении вирусом растительной клетки с такой конструкцией образуются дуплексы между вирусной и конститутивно синтезируемой антисмысловой РНК. Эти дуплексы разрушаются специфическими РНКазами, в результате чего вирусы не образуются и соответственно болезнь не развивается. Примером могут быть трансгенные растения табака, несущие антисмысловые конструкции для вируса мозаики огурца и вируса табачной мозаики.

Еще одним методом борьбы с вирусной инфекцией является клонирование и встраивание в геном растений гена синтеза белка оболочки вируса. Активный синтез такого белка, имеющего сродство с РНК вируса, ингибирует репликацию РНК вируса, что приводит к довольно высокой устойчивости растения. В этом случае наблюдается высокая специфичность реакции, т.е. защита достигается только против того вируса, ген белка которого был встроен в геном растения. Этот метод успешно использован для большого числа вирусов различных таксономических групп.

Созданы трансформанты риса с геном, кодирующим белок оболочки вируса Hoja bаnса.

Коммерческий сорт картофеля Бзура был трансформирован вектором, несущим ген оболочки вируса курчавости листьев в смысловой и антисмысловой ориентации. Полученные трансгенные растения проявляли высокую устойчивость к данному вирусу.

Возможную роль в защите растений от вирусной инфекции может играть внедрение генов защиты от вирусной инфекции, которые используются клетками млекопитающих. Так, введение гена бетта-интерферона или гена, кодирующего 2,5А-синтетазу, в клетки растений повышало устойчивость к вирусной инфекции. Разрабатываются подходы, в которых используются гены, кодирующие антивирусные белки растительного происхождения, гены, кодирующие специфические антитела, узнающие вирусные белки.

В последнее время появились работы, в которых приводятся данные о создании трансформантов против вироидов. В частности, получены трансгенные растения картофеля, экспрессирующие ген рибозима hammehead, транскрипты которого расщепляют минус цепь РНК веретеновидного вироида клубней картофеля.

Большой вред виноградникам наносит бактериальный рак, вызываемый Agrobacterium tumefaciens. Пораженные растения снижают качество и количество урожая. Иммунных сортов к бактериальному раку практически нет, а химические и биологические меры борьбы с ним не эффективны.

Однако установлено, что плазмиды IncW и IncQ агробактерий подавляют развитие рака. В вектор под 35S промотором был интегрирован ген ita, выделенный из плазмиды IncQ. Среди трансгенных растений табака и тополя выделены формы с высокой степенью устойчивости к агробактериальной инфекции.

В чем отличие БИОпрепаратов от химпрепаратов, каковы плюсы и минусы применения, и какие препараты есть сейчас на рынке?

Так как охватить все разнообразие биопрепаратов в одном материале не представляется возможным, то мы остановимся в основном на биопрепаратах, применяемых для борьбы с болезнями и вредителями.

авермектины и триходермины;
бактериальные инсектициды;
вирусы насекомых;
энтомопатогенные нематоды;
растительные экстракты, обладающие комплексным действием.

Какие бывают БИОпрепараты? какие у них преимущества перед химпрепаратами и какие недостатки?

Что такое биопрепараты и какие они бывают?

Биопрепараты – живые организмы или естественные биологически высокоактивные химические соединения, синтезируемые живыми организмами.

Спектр биологических препаратов очень широк, выделяют:

биоинсектициды,
биофунгициды,
антибиотики,
биоудобрения,
биокомплексы и т. д.

Плюсы биопрепаратов

Высокая эффективность при грамотном применении.
Избирательность действия.
Возможность использования весь период вегетации растений, даже во время цветения и плодоношения.
Последнюю обработку желательно проводить за 5–7 дней до сбора урожая.
Экологическая безопасность в отношении полезных насекомых, животных и людей.
Отсутствие привыкания у насекомых: препараты не нужно периодически заменять новыми.

Авермектины

Токсические вещества, продукты жизнедеятельности грибов Streptomyces avermitilis. Препараты на их основе определяют как биопестициды.

Авермектины – препараты с нейротоксинным типом действия. Они эффективны даже против насекомых, устойчивых ко многим другим классическим пестицидным препаратам. Рабочая температура для авермектинов +20 °С, при температуре выше +28 °С эффективность возрастает вдвое.

Плюсы авермектинов

Почвой поглощаются, но из почвы в растения не поступают и практически не накапливаются в растительной продукции.
Для пчел препараты опасны только в течение первых часов, через сутки уже полностью безопасны.
Используются в качестве акарицидов и применяются в борьбе с галловыми нематодами.

Минусы авермектинов

Нестойкие соединения: под воздействием солнечных лучей и кислорода их период полураспада составляет всего 12 ч. Поэтому срок защитного действия всего 5–7 дней.
Токсичны для большинства водных беспозвоночных и рыб. Поэтому нельзя допускать их попадание в пруды или другие водоемы.

Опасность для человека

Класс опасности для человека: 3

При этом токсичность напрямую зависит от возраста человека: они опаснее людям до 21 года. К работе с ними и в зону обработки нельзя допускать детей, подростков и беременных женщин. В целом авермектины не вызывают кожно-раздражающих и аллергических реакций, однако возможна индивидуальная чувствительность.

БИОпрепараты авермектиновой группы

Акарин Биологический препарат контактно-кишечного действия для борьбы с клещами на смородине и овощных культурах. Также эффективен и против комплекса насекомых-вредителей.

Фитоверм Защищает от широкого спектра насекомых-вредителей и клещей, в том числе паутинных клещей, тлей, белокрылок, гусениц чешуекрылых, личинок пилильщиков.

опрыскивание плодового сада в период плодоношения

Триходермины

Это биопестициды на основе грибов Trichoderma (препараты на их основе – триходермины). Они способны подавлять возбудителей корневой, семенной и почвенной инфекции, а также предотвращать развитие болезней плодов и листьев при нанесении препарата непосредственно на их поверхность.

Плюсы триходерминов

Недавнее исследование корнеллского университета показало, что кроме пестицидной активности Trichoderma вступает в симбиоз с корнями растений. она не только подавляет прочие грибы, но и способствует усилению притока азота к корням растений так же, как микоризные грибы.
Безопасны для людей, животных и насекомых.

Минусы триходерминов

При сильном поражении применение только этих биопрепаратов недостаточно. их использование носит превентивный характер: только в определенных границах или как часть общей стратегии.

Опасность для человека

Класс опасности для человека: 4

БИОпрепараты триходерминовой группы

Триходерма Вериде Защищает от корневых и плодовых гнилей, черной ножки, белой и серой гнили, макроспориоза, фузариоза, фитофтороза, антракноза, вилта и др.

Трихоцин Подавляет возбудителей грибных заболеваний (корневые гнили, пятни стости) зерновых колосовых, овощных, плодовых, цветочных культур.

Трихофлор Защищает от корневых и плодовых гнилей, черной ножки, фузариоза, фитофтороза, антракноза, вилта и др.

Бактериальные инсектициды

Биологические инсектициды, созданные на основе различных штаммов энтомопатогенной бактерии Bacillus thuringiensis. Эффективны в отношении четырех сотен разных видов насекомых.

В настоящее время 80–90 % всех инсектицидов – это препараты на основе этого патогена.

Действие препарата простое: бактерии и их токсины, попадая с пищей внутрь насекомого, повреждают внутренние органы, вызывая тем самым паралич и следом – гибель насекомых на 3–5-е сутки после обработки. Максимум эффекта достигается примерно на 10-е сутки.

Плюсы бактериальных инсектицидов

Безопасны для растений, пчел, рыб и животных.
Не накапливаются в растениях и плодах. Безвредность для растений позволяет их использовать в любую вегетативную фазу растений, в том числе перед снятием урожая.

Минусы бактериальных инсектицидов

Действие препарата ограничено обработанными участками.
У препаратов замедленное действие по сравнению с классическими препаратами. то есть токсический эффект у бактериальных инсектицидов ниже, чем у химических аналогов.
Эффективность снижается под влиянием неблагоприятной погоды (дожди, УФ-излучение, низкая температура воздуха).
Применение возможно только при малой или средней численности вредителей, при температурах не ниже +16 °С.

Опасность для человека

Класс опасности для человека: 3–4

Препараты нетоксичны или малотоксичны для человека. Но, как и в случае с любыми химпрепаратами, не исключена возможность аллергической реакции.
При попадании на открытые участки тела рекомендуется промыть теплой водой с мылом.

БИОпрепараты из группы бактериальных инсектицидов

Лепидоцид Действует избирательно в отношении широкого спектра вредных чешуекрылых. Подходит для борьбы с гусеницами на овощных, ягодных, плодовых и декоративных культурах.

Битоксибациллин (БТБ) Эффективен в отношении вредных чешуекрылых насекомых, паутинного клеща и личинок колорадского жука.

опрыскивание лилий в период бутонизации

Бактериальные фунгициды

Препараты на основе бактерий-антагонистов.

Действующие вещества биопрепаратов представляют собой живые клетки и комплекс метаболитов. К бактериальным фунгицидам, применяющимся в настоящее время, относятся препараты на основе бактерий: Bacillus subtilis, Pseudomonas aureofaciens, Pseudomonas ﬂuorescens, Streptomyces lavendulae. Используются для борьбы с различными болезнями плодовых и овощных культур.

Плюсы бактериальных фунгицидов

Препараты подавляют размножение фитопатогенных бактерий и грибов.
Стимулируют иммунитет растений к этим же болезням.

БИОпрепараты из группы бактериальных фунгицидов

Альбит Регулятор роста растений со свойствами фунгицида и комплексного удобрения. Повышает сопротивляемость растений болезням (корневые гнили, септориоз, бурая ржавчина, мучнистая роса, сетчатая пятнистость, бактериозы, фитофтороз и т. д.).

Бактофит Препарат для борьбы с грибными и бактериальными болезнями овощных и декоративных растений.

Фитолавин Препарат для профилактики и лечения бактериозов, бактериальной вершинной гнили, альтернариоза, черной бактериальной пятнистости.

Фитоспорин-М Микробиологический препарат, предназначенный для защиты огород ных, садовых, комнатных и оранжерейных растений от комплекса грибных и бактериальных болезней. Защищает растения от мучнистой росы, бурой ржавчины, ризоктониоза, альтернариоза, сухих и мокрых гнилей клубней, фомоза, пероноспороза (ложная мучнистая роса), черной бактериальной пятнистости, бактериального рака, гнили при хранении (белая гниль, серая гниль), фитофтороза, снежной плесени, парши, плодовой гнили, ржавчины, белой пятнистости, ржавой пятнистости, американской мучнистой росы и др.

Вирусы насекомых

Класс пестицидов, содержащих в качестве действующего вещества вирусы, вызывающие болезни насекомых. При их использовании можно снижать численность вредителей до экономически неопасного уровня.

Плюсы препаратов на основе вирусов

Вирусы насекомых высокоспецифичны и безопасны для человека, рыб, птиц, теплокровных животных и многих других полезных организмов.
Требуется более низкая норма применения по сравнению с другими биологическими средствами защиты растений.
Вирусные биопестициды быстро подвергаются биологическому разложению. Обычно они более совместимы с окружающей средой, чем химические аналоги.
Перспектива за комплексными препаратами, в состав которых будет входить целый набор различных возбудителей, поражающих насекомых.

Минусы препаратов на основе вирусов

Для поддержания высокого уровня заражения популяции культуру приходится обрабатывать за вегетационный период от 5 до 9 раз.

Опасность для человека

Класс опасности для человека: 4

БИОпрепараты на основе вирусов насекомых

Карповирусин, Мадекс Твин Против яблоневой плодожорки

Энтомопатогенные нематоды

Действие препаратов основано на том, что нематоды семейства Steinernematidae обладают симбиотической связьюс патогенными бактериями родов Proteus, Pseudomonas, Staphylococcus, Flavobacterium, которые в свою очередь вызывают гибель насекомых.

Плюсы применения препаратов с нематодами

Препараты безопасны для животных, полезных насекомых, дождевых червей и растений.

Минусы применения препаратов с нематодами

Короткий срок хранения при небольшом диапазоне температур: +2…+8 °С. Необходимо максимально быстро использовать препарат.
При комнатной температуре срок хранения не более 7–10 дней (при недостатке растворенного кислорода нематода гибнет).

Опасность для человека

Класс опасности для человека: 4

БИОпрепараты с нематодами

опрыскивание в период плодоношения

Биопрепараты из экстрактов растений

Используются для предпосадочной обработки семян, клубней и луковиц. В период вегетации растений можно проводить 1–2 корневые и 2–3 внекорневые подкормки растений (по инструкции).

Опасность для человека

Класс опасности для человека: 4

БИОпрепараты на основе экстрактов растений

✔ При использовании биопрепаратов важно соблюдать инструкции!
✔ Биопрепараты хранятся обычно около 2 лет (за исключением препаратов с нематодами).
✔ Растворы необходимо готовить непосредственно перед использованием (максимум за пару часов) и использовать сразу.

Читайте также: