Современное сельское хозяйство столкнулось с парадоксальной ситуацией. С одной стороны, необходимо развивать интенсивное земледелие, чтобы обеспечить продуктами питания растущее население планеты. С другой, химическая защита растений от болезней и насекомых приводит к экологическим проблемам. Для получения и сохранения урожая сельскохозяйственной продукции активно применяют синтетические фунгициды и инсектициды. Количество обработок может достигать пятидесяти за сезон, что приводит к деградации почв, гибели насекомых опылителей, накоплению токсинов в растительных тканях. В Красноярском научном центре СО РАН разрабатывают уникальные экологически безопасные биопрепараты, как альтернативу химическим средствам. Об их изучении и перспективах использования на сайте издания Newslab.ru рассказывает заместитель директора по научной работе Института леса имени В.Н. Сукачева СО РАН доктор биологических наук профессор Игорь Павлов.

Новая модель сельского хозяйства

Основой для разработки нового поколения биопрепаратов стала уникальная научная коллекция штаммов микроорганизмов, которая хранится в лаборатории лесных культур, микологии и фитопатологии Института леса имени В.Н. Сукачева СО РАН. Коллекция насчитывает более полутора тысяч штаммов микроорганизмов. Ее основу составляют мицелиальные грибы (81 род, 140 видов), выделенные из различных экосистем и географических регионов, в том числе почвенные, древесные и опасные для растений виды.

Наиболее широко в коллекции представлены аскомицеты — одна из крупнейших и значимых групп грибов, играющих важную роль в природе и биотехнологиях.

Большинство имеющихся в коллекции штаммов прошли молекулярно-генетическую идентификацию, для части уже расшифрованы полные геномы. Это позволяет не просто классифицировать микроорганизмы, но и понимать механизмы их взаимодействия с патогенами для целенаправленного отбора перспективных продуцентов биопрепаратов. Штаммы грибов с наибольшим биозащитным потенциалом (энтомопатогены, микопаразиты, антагонисты) становятся основой биопрепаратов нового поколения, которые могут эффективно бороться с заболеваниями и вредителями растений, не нанося при этом вреда экосистеме.

Отбор биологической основы биопрепарата и получение эффективной товарной формы – это длительный процесс. Сначала ученые исследуют защитные свойства штамма в различных условиях, включая неоптимальные. Далее для наиболее перспективных микроорганизмов подбирают условия и способы культивирования; товарную форму; оптимальные дозы и способы применения; проводят испытания на тест-растениях.

Ожидается, что внедрение биологических методов защиты растений позволит сократить затраты на химические обработки до 20% без ущерба для урожайности. Важным преимуществом станет снижение остаточного содержания пестицидов в конечной продукции и негативного воздействия на насекомых-опылителей, особенно медоносных пчел.

Как работает биозащита

Принцип биологической защиты основан на естественных механизмах. В природе болезни растений не достигают катастрофических масштабов благодаря сложившемуся за миллионы лет балансу. У каждого организма есть естественные враги. Грибы, вызывающие болезни растений — не исключение. Ученые Красноярского научного центра СО РАН выделили высокоактивные штаммы микроскопических грибов и бактерий, которые способны подавлять возбудителей болезней леса и сельскохозяйственных растений.

Одно из наиболее перспективных разрабатываемых средств — биопрепарат на основе гриба триходерма (Trichoderma asperellum) для защиты рапса от комплекса грибных заболеваний, включая фузариоз и склеротиниоз. В отличие от химических средств, биопрепарат абсолютно безопасен для почвенной микрофлоры и опылителей.

Гриб (основа биопрепарата) активен в отношении очень агрессивного фитопатогенного гриба Sclerotinia sclerotiorum. Особенность этого патогена в том, что он образует склероции — плотные покоящиеся структуры, способные сохраняться в почве до 20 лет. Химические фунгициды против них практически бессильны. Штамм Trichoderma asperellum работает в трех направлениях: 1) как антагонист, ограничивая активный рост патогена; 2) как микопаразит, разрушая склероции и препятствуя сохранению фитопатогена в почве; 3) как стимулятор роста, увеличивая всхожесть семян и развитие корневой системы рапса. Кроме того, гриб стимулирует фотосинтетическую активность растений, в результате чего они быстрее восстанавливаются и дают стабильный урожай.

Уникальный научный результат в исследовании флуоресценции листа получен благодаря сотрудничеству с коллегами из Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН. На опытных посевах в контролируемых лабораторных условиях обработка новым биопрепаратом на искусственном инфекционном фоне показала впечатляющие результаты: растения демонстрируют фотосинтетическую активность, близкую к здоровым. Диагностика состояния растений и оценка эффективности препарата проводится с помощью флуоресцентной спектроскопии. Это современный метод диагностики растений, который анализирует характерное свечение хлорофилла, позволяющее оценить эффективность фотосинтеза и общее физиологическое состояние культуры. Заражённые растения дают искаженный спектр, а те, что обработаны биопрепаратом, показывают параметры, близкие к здоровым. Это подтверждает защитное действие препарата.

«Биофунгицид на основе Trichoderma asperellum уже проходит испытания на опытных посевах рапса в Красноярском крае и показал существенное снижение поражения растений фитопатогенными грибами, сохранение высокой фотосинтетической активности и увеличение ростовых показателей», — отмечает Игорь Павлов.

Грибы против насекомых

Традиционная химическая защита может приводить к массовой гибели пчёл, поскольку химические инсектициды не обладают специфичностью действия. Важнейшее преимущество биопрепаратов — избирательность. Они воздействует исключительно на вредоносных насекомых, не представляя угрозы для полезных опылителей.

Специалисты Красноярского научного центра СО РАН создали коллекцию энтомопатогенных грибов против различных насекомых-вредителей и работают над разработкой биологических методов борьбы с насекомыми-вредителями.

Отобраны перспективные биоагенты против рапсового цветоеда — жука вредителя сельскохозяйственных культур — это штаммы микроскопического гриба боверия (Beauveria bassiana). Споры гриба прикрепляются к покровам насекомого, прорастают внутрь его тела и выделяют ферменты и токсины, постепенно убивая вредителя. В отсутствии насекомого гриб способен развиваться на растительных остатках и длительно сохраняться в окружающей среде. Достаточно однократной обработки прилегающих к полям перелесков и лугов, чтобы создать долговременную многолетнюю биологическую защиту — барьер для вредителя.  Штаммы Beauveria bassiana вызывают высокую смертность и других опасных вредителей, включая сибирского и непарного шелкопрядов, уссурийского полиграфа — губителей сибирских хвойных лесов. После обработки биопрепаратом гриб естественным образом распространяется в популяции насекомых, благодаря их социальному поведению, контролирует популяцию и не дает уничтожать растения.

Вирусы в борьбе за здоровье растений

Для разработки технологий вирусной защиты растений используются уникальные свойства грибных вирусов. Они влияют на фитопатогенный гриб различными способами: нарушают его жизненный цикл, замедляют рост и размножение, снижают патогенность. Миковирус может сохраняться и распространяться как внутри популяции, так и между поколениями за счет вертикальной и горизонтальной передачи. Особый интерес для разработки новых средств биоконтроля представляют вирусы, которые снижают патогенность у гриба-хозяина. Далее такой вирус распространяется самостоятельно и сохраняется в экосистеме, осуществляя постоянный контроль.

Современные технологии высокопроизводительного чтения геномов позволили ученым Института леса им. В.Н. Сукачева выявить в своей коллекции уникальные штаммы патогенных грибов, инфицированные вирусами. Среди находок особый интерес представляют амбивирусы — они способны долгое время существовать в грибных клетках, постепенно снижая их жизнеспособность. Не менее ценны вирусы семейства Mymonaviridae, которые подавляют образование склероциев у опасного фитопатогенного гриба Sclerotinia, лишая его возможности сохраняться в почве. Отдельного внимания заслуживают Partitiviridae — эти вирусы нарушают процессы размножения вредоносных грибов, блокируя их распространение.

«Особенность вирусных природных агентов заключается в исключительной избирательности действия — они целенаправленно поражают мишень, не затрагивая другие объекты. В отличие от традиционных средств защиты, препараты на основе вирусов, индуцирующих гиповирулентность, будут воздействовать не на растения или почву, а непосредственно на патогенный гриб, что позволит минимизировать экологическую нагрузку. Разрабатываемые нами биопрепараты существенно расширят арсенал средств биоконтроля в сельском и лесном хозяйстве, позволят значительно сократить использование химических фунгицидов и создать устойчивые системы земледелия с минимальным воздействием на окружающую среду», — резюмирует Игорь Павлов.

От лаборатории до поля

В перспективе проект может предложить устойчивую альтернативу химическим пестицидам, повысить урожайность и снизить экономические потери. Это шаг к производству безопасных продуктов питания и экологически устойчивому сельскому и лесному хозяйству. Следующий этап — масштабирование технологии. Красноярский научный центр СО РАН обладает необходимыми компетенциями для подобных разработок. Интеграция таких исследований с промышленными предприятиями и последующее внедрение биопрепаратов на агропредприятиях может стать основой для новой модели земледелия с минимальным воздействием на окружающую среду и высокой урожайностью экологически чистой продукции.

Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.