Можно ли в ходе селекции повысить устойчивость культурных растений к сорнякам вредителям и болезням
Добавил пользователь Дмитрий К. Обновлено: 18.09.2024
Сорняки — конкуренты культурных растений за минеральные элементы питания, пространство, свет и воду. Один из наиболее эффективных методов повышения урожайности и борьбы с сорняками — применение гербицидов. Однако очень скоро стало понятно, что эффективность данных препаратов со временем снижается из-за появления форм сорных растений, устойчивых к их воздействию.
Почему развитие устойчивости сорных растений к данным препаратам вызывает такую обеспокоенность? На то есть ряд причин. Ужесточение требований к регистрируемым препаратам и рост затрат на разработку новых гербицидов на фоне прогрессирующего повышения устойчивости к ним сорняков, серьезно беспокоит производителей сельскохозяйственной продукции. Потеря эффекта от применения этих препаратов приводит к существенным экономическим и экологическим последствиям. Особенно сложно бороться с сорняками, устойчивыми сразу к нескольким классам гербицидов (кросс-устойчивость, кросс-резистентность) или последовательно развивающими устойчивость к таким препаратам (множественная устойчивость, множественная резистентность). Подбор эффективных препаратов в этих случаях требует особенно серьезного подхода.
Устойчивость сорных растений к гербицидам развивается следующим образом. Вначале появляется одно или несколько растений, случайные генетические изменения которых позволяют им выжить, несмотря на применение химических препаратов.
После проведения обработки большинство растений этого вида гибнет, остаются лишь экземпляры, которые имеют устойчивость к гербициду. Следует иметь в виду, что изначально таких растений может и не быть на поле, но они могут появиться с заносом семян с других территорий или из семян, до этого находившихся в почве.
Другая сторона устойчивости растений к данным препаратам — целенаправленное выведение сортов культурных растений, устойчивых к действию определенных средств защиты растений (СЗР). Обычной целью является получение сортов растений, устойчивых к нескольким гербицидам широкого спектра действия, например, на основе глифосата. В конце XX века трансгенные (полученные методами генетической инженерии) сорта кукурузы, сои и хлопчатника, устойчивые к глифосату, произвели настоящий переворот в сельском хозяйстве, многократно повысив эффективность борьбы с сорняками и урожайность. Однако продолжительное использование гербицидустойчивых культур совместно с одним и тем же гербицидом должно было привести к появлению устойчивых биотипов сорняков, что, собственно, и произошло.
Трудно заранее предсказать, какие виды сорняков приобретут устойчивость к данному препарату. Однако накопленный опыт показывает, что распространение устойчивых к гербицидам биотипов напрямую связано с программой применения защитных средств, составом сорняков на обрабатываемых полях и особенностями ведения сельского хозяйства.
Можно подумать, что если препарат действует очень эффективно, то появление устойчивых мутантов будет сразу заметно и это позволит своевременно принять необходимые меры. Однако опыт показывает, что заметить появление устойчивого к гербицидам биотипа (популяции) можно только тогда, когда он будет составлять около 20—30% от численности популяции. В первые годы применения одного и того же гербицида доля устойчивых растений не превышает 1—2%, а зачастую и менее. Если же продолжать применение одного и того же препарата из года в год, то наступит момент, когда доля устойчивых растений начнет резко увеличиваться. Например, как показывают наблюдения, устойчивость к гербицидам группы сульфонилмочевины, при их непрерывном использовании, развивается у некоторых видов сорняков за 3—5 вегетационных сезонов. При этом к системным препаратам устойчивость возникает быстрее, чем к контактным.
Среди характеристик гербицидов, которые ускоряют развитие устойчивых к ним популяций сорных растений, следует выделить следующие:
— Многократное применение одного и того же препарата в течение вегетационного периода увеличивает риск появления устойчивости к нему.
— Использование на протяжении нескольких лет одного и того же гербицида или разных препаратов, но с одинаковой мишенью также крайне нежелательно. Причем влияние данного фактора практически не зависит от того, применяется ли гербицид на одной и той же или на разных культурах.
— Использование препаратов, не сопровождающееся другими мерами борьбы с сорняками (например, культивация) или без учета других мероприятий также повышает риск появления устойчивых популяций.
Биологические особенности растений также влияют на развитие устойчивости к гербицидам. Как правило, сорняки характеризуются высоким генетическим разнообразием внутри популяций, что позволяет им приспосабливаться к широкому спектру условий окружающей среды. Поэтому нет ничего удивительного в том, что именно сорняки быстро вырабатывают механизмы повышения устойчивости к гербицидам.
Если после применения данных препаратов на поле остается заметное количество сорной растительности, то это еще не повод паниковать по поводу появления устойчивого биотипа. Необходимо учесть ряд других факторов, влияющих на эффективность обработки гербицидами. Тут могут быть и отступления от инструкции по применению, и неподходящие погодные условия, и перенос семян сорняков с соседних участков, и прорастание сорняков из семян уже после проведенной обработки (вторая и последующие волны). Но, возможно, следует приступить к подбору других препаратов и использовать другие (не химические) методы борьбы с сорняками.
Какова же стратегия использования гербицидов, позволяющая отдалить момент появления устойчивости к ним у сорняков? Основные ее положения таковы:
— Используйте гербициды только тогда, когда это действительно необходимо. Обработка химическими препаратами должна быть обоснована. Необходимо подобрать модель применения гербицидов, оптимальную с экономической точки зрения.
— Используйте ротацию гербицидов с разным механизмом действия. Никогда не делайте подряд более двух обработок препаратами с одинаковой мишенью на одном и том же поле, особенно если не задействованы другие меры борьбы с сорняками.
— Применяйте смесевые гербициды (имеющие в своем составе два и более действующих веществ) и (или) баковые смеси препаратов или последовательно обрабатывайте поле гербицидами с разным механизмом действия.
— Соблюдайте севооборот, но при этом не забывайте о запрете на применение гербицидов с одинаковым механизмом действия более двух раз подряд.
— По возможности сочетайте обработку поля препаратами с механическими средствами борьбы (дискование и культивация).
— Следите за появлением сорняков и не давайте им перерасти. Это снизит потенциал популяции, необходимый для появления устойчивых к гербицидам биотипов.
— Тщательно очищайте орудия обработки почвы перед тем, как переместиться с поля, где подозревается наличие устойчивых к данным препаратам сорняков, на другие поля.
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.
– базируются ли принимаемые в промышленно развитых странах законы в области биоинженерии на заботе о здоровье населения стран-импортеров продовольствия или же на коммерческих интересах крупнейших биотехнологических корпораций;
– будут ли реализованы призывы к глобализации экономики, в том числе либерализации мирового рынка продовольствия и исчерпаемых ресурсов, в интересах мирового сообщества;
– удастся ли принять законы относительно биоинженерной деятельности (исследования, производство, контроль), реально обеспечивающие безопасность биосферы Земли в целом и населения каждой страны в отдельности.
С учетом уже известных реальных возможностей и ограничений биоинженерии по генетическому изменению живых организмов, не- достаточного знания возможных последствий такого вмешательства в эволюцию биосферы, а также глобальной экономической, экологической, демографической и ресурсной неопределенности развития цивилизации в обозримом будущем наиболее надежной стратегией в законодательстве относительно трансгеноза явились бы, на наш взгляд, государственная поддержка опережающего развития соответствующих научных исследований и крайне осторожный подход к широкому практическому использованию возможностей генетической инженерии в тех сферах, где существует хотя бы малейшая опасность нарушения динамического равновесия таких эволюционно хрупких конструкций, каковыми являются биосфера Земли и популяция Homo sapiens.
Получение стабильных урожаев пшеницы — одна из основных задач земледельцев Казахстана. Казахстан является важнейшим мировым регионом обеспечения продовольственной безопасности населения Земли.
Создание устойчивых сортов растений в настоящее время стало не только важнейшей проблемой народнохозяйственного значения, но и крупной экологической и социальной задачей. Одним из приемов, устраняющих и ограничивающих вредную деятельность насекомых, являются селекция и внедрение в производство неповреждаемых или слабоповреждаемых и выносливых к повреждениям сортов [1].
Создание и внесение в производство сортов, устойчивых к повреждениям, является радикальным и выгодным приемом защиты сельскохозяйственных культур от потерь, причиняемых вредителями. Особенно важно создание сортов к тем видам насекомых, которые наносят повреждения внутренним тканям растений (внутристебельные вредители), т. к. они могут быть уничтожены химическим методом. Поэтому в последние годы огромное значение придается устойчивости сортов сельскохозяйственных культур, как к важнейшему биологическому свойству растительных организмов, играющему основную роль в системах защиты растений [3].
Общепризнано, что использование устойчивых к вредителям и болезням сортов сельскохозяйственных культур является основой экологизированных систем интегрированной защиты растений [4].
Механизмы иммунитета зерновых культур к вредителям, его факторы и их параметры изучались в нашей стране и за рубежом многими поколениями исследователей. Так, в результате многолетних исследований ВИЗР было установлено, что для зерновых культур особое иммунологическое значение в качестве параметров групповой и комплексной устойчивости имеют особенности конституции (архитектоники) растений, морфо-анатомических структур, ростовых и органообразовательных процессов и менее значимы физиологически активные вещества [5].
Проблема устойчивости зерновых культур к повреждениям вредителями приобретает всё большую остроту. Задача обеспечения устойчивыми к вредителям сортами сельскохозяйственных культур возложена на селекционные центры. Селекционные учреждения Казахстана испытывают явный дефицит в источниках и донорах устойчивости к особо опасным вредителям и болезням в сочетании с хозяйственно-ценными признаками. Поэтому выделение в генофонде пшеницы иммунологически ценного исходного материала является одной из наиболее актуальных задач селекции пшеницы на устойчивость к вредителям. В реализации этой задачи большая ответственность возлагается на энтомологов, которые вместе с селекционерами и специалистами других профилей должны участвовать во всех звеньях селекционного процесса[6].
Целью наших исследований было установление степени повреждаемости образцов твердой пшеницы шведской мухой, стеблевыми блошками и выявление устойчивых сортов на провокационном фоне.
Все исследования по иммунитету растений к вредителям проводились в условиях провокационного фона на энтомологическом участке, расположенном среди лесных полос. Для создания провокационного фона использовались широкополосные посевы ломкоколосника ситникового Psathirostachus juncea Nevski. Почва обрабатывалась по общепринятой технологии для зоны. Посев изучаемых образцов твёрдой пшеницы был проведён 16 мая. Посев проводился по чистому пару сеялкой СКС-6–10. Площадь делянки 1,5 м 2 . Норма высева 3 млн зёрен на гектар. Повторность трёхкратная. Первичная полевая оценка коллекционного материала пшеницы проводилась визуально по методике ВИЗР (1988) [2]. Глазомерную оценку приурочивали к фазам кущения, трубкования, колошения и созревания. В период от колошения устойчивость оценивали по наличию поврежденных стеблей, после выколашивания ее определяли по наличию нормально развитых стеблей. О выносливости судили исходя из продуктивности растений.
Оценку устойчивости исходного материала проводили по методике ВИЗР с использованием шкалы ВИР (1988) [2]. Процент повреждения устанавливали в процессе препарирования стеблей 15 растений (6 проб по 2 растения и 1 проба — 3 растения). К устойчивым формам относили такие образцы, у которых поврежденность стеблей не превышало 10 %, к среднеустойчивым — с поврежденностью стеблей 10–25 %, к слабоустойчивым — 25–50 %, к неустойчивым — свыше 50 %.
Поврежденность растений твердой пшеницы зависит от плотности вредителей. Вредоносность и численность вредителей находится в прямой зависимости от погодных условий. Абиотические факторы среды в весенне-летний период обусловили определённый уровень численности ячменной шведской мухи и стеблевой блошки.
В годы исследований поврежденность шведской мухой была выше, чем поврежденность стеблевыми блошками.
В 2017–2018 гг. объём проработанного материала составил 131 образец твердой пшеницы (таблица 8). В процессе работы проводилась оценка степени повреждаемости 393 вариантов образцов яровой твёрдой пшеницы методами вскрытия растений по трём определениям (ячменная шведская муха, стеблевые блошки и сумма скрытостебельных вредителей).
В фазу выхода в трубку проведено 636 анализов оценки образцов на устойчивость к скрытостебельным вредителям. Всего вскрыто 1590 растений (таблица 1).
Читайте также: