Как растения защищаются от болезней

Триумфом медицинской иммунологии является избавление человечества от многих весьма опасных в прошлом болезней. Достигнуто это путем искусственно привитого иммунитета. Достаточно упомянуть о ликвидации таким путем оспы, уносившей в прошлом сотни тысяч человеческих жизней. Вакцины созданы и против других тяжелых болезней. Иммунологи рассчитывают на новые вакцины, включая вакцины против рака. Ничего этого пока нет в активе фитоиммунологии. Нет «пока», но мы убеждены, что будет, причем будет в самом ближайшем будущем. Для подобного оптимизма сейчас уже имеются достаточные основания.

Перенесемся мысленно в не столь далекое прошлое, когда повсюду свирепствовала оспа. Из каждой сотни людей шестьдесят заболевали оспой, двадцать из них умирали, а оставшиеся сорок оставались на всю жизнь обезображенными. Древние китайцы и арабы давно знали, что люди, перенесшие оспу, редко заболевают ею вновь. Предполагается, что именно на Востоке впервые начали вырабатывать у людей искусственный иммунитет, заражая их веществом из гнойников больных и вызывая при этом несильный приступ болезни.

Однако прививание здоровому человеку вещества из оспенных язв больного было крайне опасной процедурой: само оспопрививание вызывало немалую смертность, а прививки могли стать причиной эпидемии.

Существовала и еще одна форма оспы — коровья. Люди ею почти не болели или болели в легкой форме. При этом бытовало поверье, что человек, переболевший коровьей оспой, никогда не заболевает настоящей. Этим заинтересовался английский врач из Глочертершира Эдвард Дженнер, который несколько лет своей жизни посвятил изучению этого явления. В 1798 г. он привил мальчику коровью оспу, а затем заразил его настоящей. Мальчик не заболел. Отсюда и возник термин вакцинация, поскольку инфекционный материал брался от коровы, а корова по-латыни — vacca.

И хотя Дженнер подарил человечеству способ предупреждать оспу, тем не менее его опыты не создали общего принципа защиты от болезней. Прошло еще 85 лет, прежде чем Луи Пастер открыл закон стимуляции иммунитета с помощью вакцин. Пастер разработал универсальный принцип: искусственный иммунитет можно создать, если в организм предварительно ввести ослабленный возбудитель той болезни, к которой нужно выработать невосприимчивость.

В последующие годы ученые добивались успеха, иммунизируя животный организм возбудителями той же болезни, ослабленными с помощью обработки теплом, светом, недостатком кислорода, культурами убитых микроорганизмов, токсинами микроорганизмов и, наконец, анатоксинами (обезвреженными токсинами, сохранившими свои антигенные группировки). Использовалась и пассивная иммунизация, в том случае когда в организм вводили готовые антитела, полученные от других животных.

С помощью этого арсенала средств удалось создать действенные вакцины против оспы, бешенства, сибирской язвы, дифтерии, полиомиелита и других опасных болезней. Практическая иммунология торжествовала.

Естественно, что фитоиммунология, которая к тому времени только зарождалась как наука, не могла оставаться в стороне от успехов медицины. И столь же естественно, что она пошла по пути, проложенному медиками. Исследователи вводили в растения, поливали их ослабленными культурами микроорганизмов, их авирулентными штаммами, либо экстрактами. Мнения ведущих фитоиммунологов того времени относительно возможности приобретенного иммунитета у растений расходились. Так, Овенс в своем обстоятельном трактате «Принципы растительной патологии» в 1928 г. писал: «Заметного прогресса в этом направлении пет, и сомнительно даже, будет ли он когда-нибудь в отношении растений, как это имеет место применительно к животному царству. Структура растений так отлична от животных, особенно в отношении сообщающейся системы, что кажется мало вероятным, чтобы когда-либо были достигнуты успехи в этом направлении»[20].

Однако отдельные успехи все же были. Уже в начале века были проведены опыты, подтверждающие возможность иммунизации растений. Так, Г. Ноэль и Н. Бернар показали, что орхидеи после заражения их паразитарными грибами из рода Rhizoctonia приобретали иммунитет к повторным заражениям. Т. Боверн и О. Рай еще в 1901 г. применили вакцинацию бегонии, овса, фасоли и люпина как ослабленными культурами грибов и бактерий, так и экстрактами из этих культур и получили положительные результаты. Итальянские исследователи Д. Карбоне и С. Арнауди провели многочисленные опыты по иммунизации растений путем воздействия на них ослабленными культурами или экстрактами из микроорганизмов. На основании их исследований установлен факт усиления или образования заново иммунитета у растений.

В общем имелись отдельные примеры успешной иммунизации растений путем вакцинации как ослабленными культурами паразитарных грибов и бактерий, так и экстрактами. К сожалению, срок действия такой иммунизации, как правило, был очень невелик.

Но наряду с этим существовали противоположные результаты, свидетельствующие о неудачах иммунизации, и таких было большинство.

Положение было крайне неопределенным. Многие авторитеты резко возражали против попыток иммунизации растений. Но не Н. И. Вавилов, который писал, что возможность приобретенного иммунитета у растений в результате вакцинации и влияния паразитов может считаться доказанной. Неясна только природа такого иммунитета. Последнее, вероятно, и служило возможной причиной неудач. Ведь опыты по иммунизации растений проводились вслепую, методом проб и ошибок. Никакой теории иммунитета не существовало. Было совершенно неясно, что именно в растениях следует иммунизировать и чем следует проводить иммунизацию. Простая аналогия с принципами иммунизации животных к успеху не приводила. Нужна была теория, вскрывающая отличия и единство животных и растений, чтобы с ее помощью вооружить исследователей методом иммунизации.

Каково же положение с иммунизацией растений к настоящему времени? Если в теоретических аспектах иммунизации наметился определенный прогресс, то в вопросах ее практической реализации исследователи недалеко ушли по сравнению с состоянием дел в начале нашего века. Пожалуй, единственным исключением из этого правила является метод вакцинации, предохраняющий от вирусных болезней.

Вакцинация, защищающая растения от вирусов, предполагает индуцирование в них вирусоустойчивости в ответ на обработку ослабленными штаммами вирусов. В вакцинированных растениях вирулентные штаммы вирусов развиваются медленнее, их распространение сдерживается, а вредоносность снижается. Считалось, что в вакцинированном растении происходит антагонистическое взаимодействие или интерференция между двумя вирусами, один из которых представляет собой предварительно введенный в растение вакцинный штамм, а другой — патогенный штамм, которым осуществляется заражение.

Наибольшие успехи достигнуты при вакцинации томатов вирусом табачной мозаики для борьбы с мозаичным заболеванием томатов в условиях закрытого грунта. Такого рода вакцинация уже сейчас успешно осуществляется в Голландии, Швеции, Дании, Англии, Канаде, США, Японии. В СССР вакцинация томатов против вирусов официально одобрена и рекомендована к внедрению МСХ СССР. Теоретически не отвергается возможность вакцинации и других культур. Уже появляются отдельные экспериментальные работы по использованию слабо-патогенных вирусов в борьбе с вирусными болезнями картофеля и огурцов.

Однако метод вакцинации ослабленными штаммами вирусов должен использоваться с соблюдением осторожности, поскольку не исключено, что в популяции вакцинного штамма могут появиться агрессивные формы, которые при благоприятных условиях могут поразить устойчивые сорта. Именно поэтому метод пока еще не выходит за пределы закрытого грунта.

О механизмах вакцинации пока еще известно мало. Существует несколько гипотез, ни одна из которых пока еще не может считаться окончательно доказанной. Одна из таких гипотез, так называемая гипотеза белкового пленения, состоит в предположении, что РНК патогенного вируса захватывается в белковую оболочку вакцинного штамма. Вторая — построена на конкурирующих антагонистических отношениях между двумя типами вирусов. Однако при такой трактовке сводится на нет активный защитный ответ клеток вакцинируемого растения. Поэтому другая часть гипотез рассматривает вакцинацию как активацию защитных функций самого хозяина. Здесь наиболее популярна возможность образования в вакцинированном растении иптерферопоподобпых белков, ингибирующих развитие вируса. Возможно также, что в вакцинированных растениях возрастает активность рибонуклеаз, которые разлагают РНК вирулентного вируса, образуя так называемый РНКазный барьер.

Другим примером успешной иммунизации, правда пока еще в порядке экспериментов в условиях закрытого грунта, является иммунизация растений против фитопатогенов с помощью самих фитопатогенов, которой в течение последних лет активно занимается американский фитоиммунолог Д. Куч. Для защиты растений он использует ослабленные культуры патогенов, непатогены данного растения, их авирулентные расы и, наконец, сами агрессивные патогены. В основном объектом его усилий являются растения из семейства тыквенных (огурцы, дыни, арбузы). Вот один из его типичных опытов.

Первый настоящий лист огурцов заражают патогенным штаммом Colletotrichum lagenarinm, вызывающим антракноз. Через 4 дня все вышерасположенные листья, а также листья, которые еще не раскрылись, становились защищенными от инфекции. Удаление листа иммунизатора на иммунизацию не влияло, по для ее достижения нужно время, в течение которого зараженный лист остается на растении. Можно срезать вышерасположенные иммунизированные листья, и они в срезанном состояния будут продолжать оставаться иммунизированными. Из пазушной почки иммунизированного растения вырастает побег, который после удаления и укоренения превращается в иммунизированное растение.

Сигнал об иммунизации в большей мере передается снизу вверх, чем сверху вниз. Если иммунизировать подвой, то ранее не иммунизированный привой окажется иммунизированным. Если же, наоборот, иммунизировать привой, то подвой иммунизированным не становится.

Кольцевание листа иммунизатора полностью прекращает иммунизацию, что позволяет предполагать, что иммунизирующий сигнал распространяется по флоэме. Одно иммунизирование защищает огурцы на 4–5 недель, а затем устойчивость постепенно теряется. Однако если провести вдогонку повторное иммунизирование, то период устойчивости удается продлить.

Чрезвычайно интересен установленный Кучем факт, что иммунизация становится невозможной, как только огурцы зацветают и начинают плодоносить. Предполагается, что цветение изменяет гормональный баланс, что препятствует иммунизации.

Первые опыты Куча проводились в теплицах, но с 1980 г. они были частично перенесены на опытные делянки. Однако к числу полевых опытов их причислить нельзя, во-первых, потому что иммунизирующее заражение проводилось в теплице, после чего растения высаживали в поле, а во-вторых, потому что результаты иммунизирования проверялись посредством искусственного заражения, а не естественного.

Поскольку в качестве иммунизаторов Куч использовал сами патогены, иногда авирулентные или ослабленные, а иногда жизнеспособные и вирулентные, то в адрес его опытов постоянно раздаются упреки, что они представляют собой опасность распространения той болезни, с помощью которой проводилась иммунизация. Пытаясь заменить патогены выделенными из них веществами, Куч испробовал в качестве иммунизаторов препараты клеточных стенок грибов и бактерий, их экстрацеллюлярные экстракты, эксудаты флоэмы, экстракты инфицированных и иммунизированных тканей, однако все опыты оказались безуспешными.

Американский фитоиммунолог и бактериолог Л. Секвейра, анализируя явления иммунизации растений, приводит ее следующие недостатки:

1) индуцирование устойчивости является энергопотребляющим процессом, поэтому иммунизация может приводить к уменьшению урожая;

2) иммунизация может приводить к накоплению в растительных тканях нежелательных метаболитов вторичного происхождения, обладающих токсическим действием;

3) если в качестве иммунизатора используется патогенный микроорганизм, то заражение им может вызвать эпифитотии;

4) если в качестве иммунизаторов используются индукторы паразита, то они должны быть низкомолекулярными, чтобы проникнуть в растительную ткань, тогда как большинство известных к настоящему времени индукторов обладают большой молекулярной массой

Из возбудителя фитофтороза картофеля нам удалось выделить иммунизатор системного действия — липогликопротеидный комплекс, который свободен от перечисленных недостатков. Комплекс принадлежит к числу элиситеров, или индукторов фитоалексинов и некрозообразования картофеля, в том случае, если используется в концентрациях 0,01 %, но не вызывает некроз, а сенсибилизирует растительные ткани, повышая их устойчивость к последующей встрече с инфекцией, если применяется в концентрациях 0,0005—0,001 % (мы уже рассматривали действие этого комплекса в главе «Сенсибилизация»).

Индуктором опрыскивали клубни картофеля перед посадкой, затем клубни высаживали в грунт на опытных делянках Белорусского НИИ картофелеводства и плодо-овощеводства. Первое, что удавалось наблюдать, — это большая высота выросших побегов и большее их число в кусте. Дело в том, что глазки необработанных контрольных клубней сильно страдают от ризоктониоза, который ведет к изреживанию побегов в кусте и их ослаблению. Обработка индуктором более чем в три раза уменьшает потери от ризоктониоза, в результате чего большее число глазков образуют ростки, которые вырастают в полноценные побеги. Выросшие растения примерно на 40–50 % меньше контрольных поражались фитофторозом и ранней сухой пятнистостью. Клубни нового урожая оказались на 2/3 меньше пораженными паршой и ризоктопиозом, как сразу после уборки, так и во время храпения. В результате этого потери клубней от болезней в период хранения уменьшились почти вдвое.

К весне эффект сенсибилизации постепенно затухал, и растение, выросшее из второго поколения клубней, мало чем отличалось по степени свей устойчивости от контрольных.

В целом тот уровень устойчивости, который наблюдался у обработанных индуктором растений, не только не уступал по своей эффективности защите при использовании фунгицидов (опрыскивание вегетирующих растений фунгицидом цинеб, а также предпосадочная обработка клубней фунгицидом ТМТД), но в отношении устойчивости к парше и ризоктопиозу превосходил ее. Учтите при этом, что опрыскивание фунгицидом, как правило, приходится проводить в зависимости от прогноза 3–4 раза в сезон. Подобные результаты получались в течение нескольких лет подряд. Таким образом, реальный эффект от предпосадочной иммунизации клубней выражался в следующем:

1) число побегов в кусте так же, как и высота побега, возрастало на 10 % из-за меньшего поражения картофеля ризоктопиозом;

2) вегетирующие растения вдвое меньше поражались фитофторозом и ранней сухой пятнистостью;

3) клубни второго поколения на 2/3 были меньше поражены паршой и ризоктопиозом;

4) прибавка урожая в зависимости от года составляла 12–27 %;

5) сенсибилизированные клубни второго поколения быстрее и интенсивнее залечивали механические поражения;

6) потери клубней во время хранения сокращались наполовину;

7) в силу меньшего поражения клубней второго и первого поколения ризоктопиозом улучшались их семенные качества;

8) сокращались расходы на обработку посевов (одна предпосадочная обработка вместо 3—4-кратного опрыскивания растений фунгицидами в поле);

9) предпосадочная обработка клубней вместо вегетационной позволяла избежать поранения растений, а следовательно, их заражения вирусами, которые проникают в растения через пораненные участки.

Близкие результаты были получены и при предпосевной обработке семян томатов тем же индуктором (опыты на делянках БНИИКПО). Замачивание семян томатов в суспензии индуктора (0,0005 %) сократило поражение листьев фитофторозом, макроспориозом, септориозом и черной бактериальной пятнистостью на 34 %, а поражение плодов фитофторозом, макроспориозом и другими гнилями — на 65 %. В результате прибавка урожая составила около 30 %. Примерно тот же самый и даже несколько меньший эффект достигался при предпосадочной обработке растений фунгицидом ТМТД (3,5 %) наряду с 4-кратным опрыскиванием ботвы томатов цинебом.

Индуцированная устойчивость томатов почти в 2 раза превосходила эффект от применения фунгицида — хомицина (при 4-кратном опрыскивании вегетирующих растений 0,5 %-ной суспензией). Прибавка урожая в этом последнем случае составила 22 % в вариантах опытов с индуктором и только 6 % — при применении фунгицида.

Однако самый лучший эффект давало сочетание замачивания семян томатов в растворе индуктора с однократной обработкой им ботвы. В этом случае вегетирующие растения и выросший из них урожай оказывались защищенными на 84 %, что более чем вдвое превосходило эффект от применения фунгицидов.

Хорошие результаты были получены при использовании элиситера из возбудителя серой гнили (Botrytis cinerеа) для индуцирования устойчивости сахарной свеклы к болезням (совместные исследования с НИИ сахарной промышленности). Семена свеклы замачивали в растворе элиситера в течение 2 ч, высушивали и высевали на опытных участках размером 3 га.

Сразу же удалось заметить снижение повреждения проростков сахарной свеклы корнеедом — комплексным заболеванием свеклы, которое могут вызвать около 100 видов грибов и бактерий. Чаще всего это грибы из родов Fusarium, Pythium, Aphanomyces, Phoma, Rhizoctonia, Penicillium. Поражение и гибель проростков при их подземном развитии приводит к недружности и изреженности всходов. Из-за этого возникают редкие посевы, отстающие в развитии растения, в результате чего снижается урожай и ухудшается его качество.

Значительно выше оказались урожайность и технологические качества опытной свеклы. Так, основной показатель — расчетный выход сахара — составлял у обработанной индуктором свеклы 105–107 %.

Фитопатологический анализ корней сахарной свеклы, проведенный спустя 75 суток после закладки на хранение, показал, что такая свекла значительно более устойчива, чем выращенная из необработанных семян. Опытная свекла имела на 52 % меньше загнивших корнеплодов, а гнилая масса составляла только 11 % по сравнению с контрольной. Такая свекла и после хранения имела значительно лучшие технологические свойства: выход сахара из нее был на 4,8 % выше, чем из необработанной.

Неоднократно предпринимались попытки использовать сами фитоалексины или их аналоги в качестве естественных пестицидов для борьбы с болезнями растений. Канадские фитопатологи обнаружили, что фитофтороустойчивость томатов и картофеля заметно возрастала после их обработки фитоалексинами перца (капсидиолом) и картофеля (ришитином). Однако эта работа не имеет перспективы, так как для защиты необходимы высокие концентрации препаратов.

Попытки химически синтезировать фитоалексины успехом не увенчались. Их синтез достаточно сложен, так как многие из них имеют асимметрический углеродный атом и лабильные функциональные группировки. Английские исследователи показали, что фитоалексины бобовых — птерокарпаны вообще не эффективны как фунгициды. С нашей точки зрения, такой путь защиты вообще малоперспективен, так как вновь созданные пестициды вряд ли окажутся менее опасными для окружающей среды, чем уже существующие. К тому же токсичность фитоалексинов для грибов меньше, чем токсичность фунгицидов, тогда как для людей они ничуть не менее токсичны. Синтезировать фунгициды по прообразу индуцирования антибиотиков означает «рассекретить» оружие растений и облегчить тем самым адаптацию к ним паразитов.

Особенно важным представляется тот факт, что с помощью иммунизации достигается стимулирование в растениях свойства неспецифической или общей устойчивости. В какой-то мере она напоминает полевую, полигонную или относительную устойчивость, с той, однако, разницей, что последняя является генетически определенным признаком того или иного сорта, тогда как мы регулируем свойство устойчивости в пределах онтогенеза данного генотипа. В результате обработки индуктором изменяется не геном, а только его функционирование или, вернее, меняется уровень дерепрессии генов. Иными словами, часть генов контрольного необработанного растения функционирует не полностью, а часть генов вообще зарепрессирована. Обработка индуктором снимает часть репрессоров и тем самым как бы раскрепощает гены растения. Эффективная защита хозяина требует правильно выбранного индуктора в строго определенной концентрации, для того чтобы достигнуть нужного уровня дерепрессии клеточного генома. Индуктор при этом как бы является ключом к замку, открывающим устойчивость растения-хозяина и освобождающим его защитные силы (рис. 14 см. вклейку). Не исключено, что индуктор у паразита также зарепрессирован и освобождается только при взаимодействии с растением. Поэтому происходит взаимное индуцирование, в ходе которого растение высвобождает индуктор паразита, а последний дерепрессирует образование фитоалексинов у растения. Этот факт служит лишним доказательством того, что всякому виду и сорту растения, даже по несущему гены устойчивости, свойственна потенциальная способность к защите. Найти тот способ, с помощью которого можно индуцировать эту потенцию к жизни, и является задачей индукции.

Хотя иммунизация обеспечивает не абсолютный, ио только относительный уровень устойчивости, зато он проявляется по отношению ко всем расам паразитов, а также ко многим другим видам фитопатогеиов. Вспомните, обработка картофеля липогликопротеидным комплексом защищает его от фитофтороза, ризбктониоза, ранней сухой пятнистости, парши и других болезней. Иммунизированная свекла оказывается защищенной от комплекса болезней, вызывающих корневые и кагатные гнили. В то же время именно индуцирование неспецифической устойчивости позволяет иммунизировать все сорта растений, независимо от присутствия у них генов вертикальной болезнеустойчивости.

Подобный уровень устойчивости вряд ли сможет преодолеваться паразитами именно в силу своего неспецифического действия, т. е. отсутствия определенной мишени, к которой мог бы легко адаптироваться паразит. Ведь известно, что полигонная устойчивость не преодолевается патогенами, хотя ее уровень относительно невелик. Именно поэтому полевая, или полигенная, устойчивость и представляет наибольшую перспективу для селекционеров, занимающихся выведением болезнеустойчивых сортов.

Иными словами, иммунизация, о которой шла речь, сочетает в себе достоинства контактных и системных пестицидов и лишена недостатков, присущих каждому из них. Подобно контактным пестицидам, она неспецифичиа в действии и поэтому позволяет избежать привыкания фитопатогенов, подобно системным — обладает действием, распространяющимся по всему растению и настигающим паразита, сколь глубоко бы он ни проник в ткани.

Нам представляется, что иммунизация растений на настоящем этапе может дополнить арсенал современных средств защиты растений. Обойтись сейчас без пестицидов сельское хозяйство не в состоянии. Поэтому иммунизация ни в коей мере не отменяет химических средств защиты растений, так же как иммунизация животных не отменяет использования антибиотиков — этих, по образному выражению Куча, «пестицидов животного царства». Уже сейчас иммунизация позволяет существенно сократить затраты пестицидов на обработку посевов: в сочетании с иммунизацией можно использовать одну обработку посевов фунгицидами вместо четырех и даже пяти. Вряд ли имеет смысл доказывать, насколько важно уменьшить число обработок растений фунгицидами при одновременном повышении эффективности их действия.

Значение выполненных исследований состоит в том, что ими показана принципиальная возможность иммунизации растений с помощью биогенных индукторов защитных реакций и намечены пути их использования. Так как применение биогенных индукторов основано на тех же принципах, что и самозащита растений, то можно ожидать, что она не создаст угрозы нарушения экологического равновесия в биосфере. Обработка индуктором не вызывает у растений образования токсических фитоалексинов, а лишь подготавливает их к возможной встрече с патогеном. И все же, как и при любом другом вмешательстве в природу, следует учитывать не только видимый эффект, но и его возможные отрицательные последствия в будущем. Явление иммунизации нуждается в детальном изучении, чего можно достигнуть только при объединении усилий специалистов разных профилей.

Интегрированная система защиты растений в какой-то степени напоминает множественность защитных реакций, с помощью которых растение само себя защищает от фитопатогенов в природных условиях. И так же, как и при естественной защите растений, отдельные мероприятия интегрированной защиты часто действуют синергически, усиливая и взанмодополняя друг друга.

Вот те преимущества, которые имеет интегрированная система защиты растений.

1. Все слагаемые этой системы взаимодополняют и усиливают друг друга, в результате каждое из них приходится использовать в меньших дозах и с меньшей частотой.

2. Использование устойчивых или иммунизированных сортов растений позволяет заметно снизить число обработок пестицидами. К примеру, использовать вместо 3–4 обработок в сезон только одну или две.

3. Сокращение числа обработок пестицидами не может не иметь значения, для того чтобы избежать нарушения того экологического равновесия в биосфере, которое неизбежно возникает под воздействием обработок химикатами.

4. Интегрированная система защиты позволит выводить сорта, устойчивые к более широкому кругу возбудителей болезней и вредителей.

5. Использование устойчивых или иммунизированных сортов в интегрированных системах защиты растений удешевит борьбу с болезнями, так как применение устойчивых сортов значительно менее дорогостоящее мероприятие, чем ежегодное производство и использование пестицидов.

ВСЕ ВЫРАЩЕННОЕ СОХРАНИТЬ

Издавна в народе говорят: «Не тот урожай, что на полях, а тот, что в закромах». В условиях индустриального сельского хозяйства вовремя убрать и хорошо сохранить урожай порою бывает даже труднее, чем его получить. Многие традиционные способы хранения, вполне соответствующие требованиям небольшого хозяйства, не позволяют сохранить клубни картофеля или корнеплоды свеклы с механическими повреждениями, в какой-то мере неизбежными при уборке урожая с помощью машин; Не рассчитаны эти способы на хранение больших количеств продукции, убранной в ненастную погоду, чего также трудно избежать в крупном хозяйстве.

Особенно велики потери при храпении картофеля, овощей и плодов, а их качество после храпения часто оставляет желать много лучшего. Судя по данным мировой статистики, примерно 15 % мирового урожая уничтожают болезни и вредители во время хранения.

Еще древние врачи наделяли плоды и овощи чудодейственной силой и рекомендовали их для лечения многих болезней. Наоборот, в 50—70-х годах прошлого столетия значение плодов и овощей в питании почти полностью игнорировалось, так как считалось, что ценность всякого пищевого продукта определяется прежде всего его калорийностью. Поскольку плоды и овощи в большинстве обладают малой калорийностью, они рассматривались лишь как вкусовые вещества. И только после установления роли витаминов, минеральных солей, органических кислот и многих других соединений, которыми богаты плоды и овощи, стала ясной их исключительно важная роль для поддержания нормальной жизни человека, его работоспособности и долголетия.

Все это несомненно интересно и важно, но какое, собственно, оно имеет отношение к фитоиммунологии, которой посвящена настоящая книга? Дело в том, что основой всех практических мероприятий по хранению овощей и плодов является прежде всего максимальное использование присущей растительным тканям устойчивости к фитопатогенным микроорганизмам, фунгициды при хранении не применяются. Игнорирование этого условия неизбежно приводило к серьезным просчетам. И, наоборот, на основе подробного изучения физиологических и биохимических процессов, происходящих в растительных тканях на протяжении всего периода хранения урожая, удалось разработать весьма эффективные способы защиты его от болезней и другого вида потерь применительно к требованиям, предъявляемым производственной практикой.

Конечно, свести потери к нулю невозможно, поскольку приходится хранить биологические объекты, в которых при хранении активно продолжаются сложные физиологические и биохимические процессы.

Сложность проблемы состоит в том, что нередко забота о предотвращении одного источника потерь приводит к увеличению потерь другого рода. Например, весьма падежные способы предупреждения прорастания клубней при хранении могут вызвать поражения их возбудителями инфекционных болезней. Эффективные способы защиты плодов от инфекционных болезней подчас вызывают в растительных тканях функциональные расстройства, внешне проявляющиеся в побурении плодов, потере свойственной им консистенции. Совершенно очевидно, что решить проблему хранения урожая можно не с помощью какого-то одного метода, каким бы эффективным он ни был, а введением целой системы организационных и технических мероприятий, направленных одновременно против всех видов потерь. В общем та же интеграция, в основу которой должен быть положен иммунологический контроль за жизнью отделенных от материнского растения органов — клубней, корнеплодов, плодов, луковиц.

Тем не менее время от времени появляются сенсационные сообщения о возможности решения проблемы хранения если не целиком, то в основном с помощью одного способа, применяемого чуть ли не в любых условиях. Это наносит серьезный ущерб делу. Во-первых, отвлекает силы и средства на проведение разного рода проверочных опытов. Во-вторых, и это не менее важно, создает ложное представление о проблеме в целом и необоснованно упрощает пути ее решения.

Крупные успехи, достигнутые в области ядерной физики, стимулировали проведение многочисленных исследований по изучению возможности защиты различных пищевых продуктов, в том числе плодов и овощей, от болезней с помощью ионизирующей радиации в виде радиоактивных изотопов (главным образом Со⁶») и ускоренных электронов. Характерной особенностью ионизирующих излучений (γ-лучи, Х-лучи) является их способность превращать атомы и молекулы веществ в электрически заряженные частицы — ионы. Поглощение даже сравнительно больших доз ионизирующих излучений практически не вызывает повышение температуры. В этом состоит одна из специфических особенностей ионизирующей радиации, очень важной для использования ее с целью сохранения пищевых продуктов.

Под действием ионизирующей радиации в первую очередь изменениям подвергается вода, являющаяся главной составной частью живых организмов, в частности плодов и овощей. Происходит радиолиз воды — возникновение свободных радикалов. В таком состоянии они могут свободно существовать лишь в течение очень короткого срока времени, измеряемого миллионными долями секунды. Но все свободные радикалы химически весьма активны. Поэтому даже за короткий срок они вступают в самые различные реакции. Свободные радикалы легко реагируют с растворенными в воде веществами, в результате чего усиливаются процессы окисления, распада сложных органических веществ до более простых соединений, образования новых ранее отсутствующих соединений.

Разные организмы, органы, ткани, различные звенья обмена веществ и даже отдельные вещества неодинаково реагируют на действие ионизирующей радиации. Некоторые из них являются очень радиочувствительными, тогда как другие обладают весьма высокой радиоустойчивостью.

Клубни картофеля полностью теряют способность к прорастанию при дозе 10 крад; многие вредители зерна погибают при дозе 30 крад; а некоторые насекомые выдерживают дозу 300 крад. Для уменьшения количества микроорганизмов в 10 раз требуется для одних видов 25 крад, а для других — 400 крад. Сухой чистый крахмал не изменяется при дозе 300 крад, а в клубнях картофеля на него влияет уже доза 3 крад.

Лица, малознакомые с действием ионизирующей радиации, нередко вообще возражают против облучения пищевых продуктов, так как ошибочно полагают, что радиоактивное облучение может привести к таким же отрицательным последствиям, как радиоактивное заражение. Между тем это совершенно различные явления. Кроме того, облучение продуктов осуществлялось лишь при такой дозе ионизирующей радиации, при которой наличие в них наведенной радиоактивности полностью исключается.

Опасность можно ожидать с другой стороны. Поскольку облучение влечет за собой изменения в химическом составе продуктов, нельзя игнорировать возможность возникновения различного рода токсичных, канцерогенных и мутагенных веществ. Поэтому этим вопросам уделяется особое внимание. Судя по результатам длительных исследований в СССР, США, Канаде, Англии, Франции и других странах, во всех испытанных продуктах, облученных при рекомендованных дозах, не было обнаружено вредных веществ. На этом основании в ряде стран органы здравоохранения выдали разрешение на использование в пищу некоторых облученных продуктов. В СССР было, например, выдано разрешение на облучение картофеля с целью предупреждения его прорастания при хранении и на облучение зерна с целью уничтожения вредителей (дезинсекцию). Выдано было также разрешение на облучение плодов с целью уничтожения большей части содержащихся на их поверхности фитопатогенных микроорганизмов и защиты тем самым от инфекционных болезней — основного источника потерь при хранении.

После первых же экспериментов уже стали раздаваться голоса, особенно в США, о предстоящей революции в области храпения пищевых продуктов. Однако революции не произошло, во многих лабораториях исследования были свернуты, а их результаты оказались весьма поучительными. Так, было показано, что облучение плодов при дозе 200 крад позволяет сразу же снизить количество микроорганизмов, содержащихся на их поверхности, в 400 и даже в 1000 раз. Более низкие дозы малоэффективны, а более высокие вызывают ухудшение внешнего вида плодов. Однако уже через 5—10 дней число микроорганизмов на поверхности плодов вновь возрастает почти до исходного уровня, и тем быстрее, чем выше температура хранения. Основная причина этого явления — реактивация, восстановление жизнедеятельности микроорганизмов, не погибших, по лишь «нокаутированных» при облучении. Облученные плоды начинают поражаться даже теми микроорганизмами, которые, хотя и присутствуют на их поверхности, но в обычных условиях не причиняют им вреда. Объясняется это тем, что облучение вызывает серьезные повреждения в иммунной системе растительных тканей, вследствие чего они легче поражаются болезнями. Эти повреждения выражаются в ослаблении способности тканей образовывать раневую перидерму в ответ на механические поранения и синтезировать фитоалексины в ответ на контакт с фитопатогенными микроорганизмами. Облучение вызывает повреждение отдельных структур клетки, в частности ее энергетических центров — митохондрий. В результате происходит разобщение процессов окисления и фосфорилирования, которое состоит в том, что выделяющаяся в процессах окисления энергия рассеивается, а не запасается в особых соединениях (АТФ) для последующего использования на синтетические процессы. Кроме того, значительную часть энергии клетка вынуждена отвлекать от защитных реакций против паразита на репарацию своих собственных повреждений, вызываемых облучением.

Все это показывает, к каким отрицательным последствиям может привести стремление защитить урожай при хранении путем полного уничтожения самих возбудителей болезней. Собственно, такую задачу даже и нельзя ставить. Нельзя забывать, что паразитизм в биологии — явление нормальное. Поэтому если пытаться полностью уничтожить паразитов, поражающих урожай при храпении, то в результате можно лишь создать благоприятные условия для искусственного отбора среди них наиболее агрессивных форм, защитить урожай от которых станет уже во много раз труднее. Именно поэтому современная стратегия борьбы с болезнями растений основывается на интеграции всех доступных методов регулирования численности популяции паразитарных микроорганизмов при максимальном использовании защитных сил самих растений. Еще больше оснований руководствоваться этим принципом для защиты от инфекционных болезней хранящихся картофеля, овощей, плодов, сахарной свеклы. Ведь поскольку они являются органами, отделенными от материнского растения, в которых развиваются процессы старения, они становятся гораздо чувствительнее к антимикробным воздействиям, чем вегетирующее растение. Не случайно ни один фунгицид не нашел сколько-нибудь широкого применения при храпении картофеля, овощей и плодов, тогда как при их выращивании сейчас без фунгицидов обойтись нельзя.

Сказанное вовсе не означает полную бесперспективность поиска средств антимикробного воздействия при хранении клубней, корнеплодов и других запасающих органов растений, в которых активно продолжаются биохимические процессы. Интересными являются исследования по использованию для этих целей пирокатехина — соединения фенольной природы. Обработка свеклы перед закладкой на хранение 0,5 %-пым водным раствором пирокатехина способствовала одновременному решению нескольких задач. Во-первых, более интенсивному заживлению механических поранений. Во-вторых, меньшему поражению свеклы болезнями. В-третьих, сокращению потерь свеклой сахаров в акте дыхания. Хотя пирокатехин в такой концентрации обладал некоторым фунгитоксическим действием, по одновременно он выполняет и роль индуктора защитных реакций.

Все это лишний раз убеждает в том, что генеральной линией в защите урожая от болезней является максимальное использование устойчивости к болезням самих растительных тканей при одновременном подавлении жизнедеятельности фитопатогенных микроорганизмов. А это может быть достигнуто лишь на основе детального изучения механизмов устойчивости и разработки эффективных путей управления ими.

В соответствующем разделе книги мы уже писали об активации окислительных и энергетических процессов в пораненных тканях растений. На месте механического поранения образуется раневая перидерма, представляющая собой как механический, так и химический барьер, препятствующий проникновению инфекции.

Для успешного образования раневой перидермы нужны строго определенные условия внешней среды: температура от 10 до 20 °C, относительная влажность воздуха 80–95 % в содержание кислорода не менее 15 %. Результаты выполненных исследований послужили биологической основой метода хранения картофеля в условиях активного вентилирования, при котором воздух с определенной температурой, влажностью и скоростью продувается через всю массу картофеля и получает доступ к каждому клубню. Последнее чрезвычайно важно, поскольку нормальному доступу кислорода в клубень препятствует образующаяся на нем пленка из воды, углекислого газа и других продуктов жизнедеятельности. Для того чтобы ее удалить, нужна активная вентиляция, одной естественной вентиляции здесь явно недостаточно. При неблагоприятных внешних условиях иммунная система растений не в состоянии активно функционировать. Иммунная система, защищающая организм, сама нуждается в защите, т. е. в создании оптимальных условий для ее деятельности. Создавая их, человек помогает наиболее полной реализации потенциальных возможностей иммунитета.

Нужно сказать, что активное вентилирование уже давно применялось для просушивания зерна и удаления из пего тепла, которое выделяется при дыхании и приводит к самосогреванию. В какой-то мере это необходимо и при хранении картофеля. Однако основная цель вентилирования картофеля состоит в интенсификции у механически пораненных клубней защитных реакций, приводящих к быстрому и падежному залечиванию механических поранений.

Для этого необходим иной режим вентилирования на различных этапах хранения в зависимости от физиологического состояния клубней. Вначале режим вентилирования рассчитан на успешное залечивание механических поранений, тогда как потом — на поддержание способности клубней продуцировать в случае инфицирования защитные вещества.

Проведенные исследования и передовой производственный опыт показали, что меньшие потери при хранении картофеля в условиях активного вентилирования позволят почти на треть увеличить емкость картофелехранилищ.

Активное вентилирование оказалось также эффективным и при хранении овощей — капусты, свеклы, моркови, репчатого лука, и оно широко внедряется в практику.

Клубни картофеля, отделенные от материнского растения, определенный период не способны прорастать, даже при самых, благоприятных условиях. Они не прорастают потому, что находятся в состоянии глубокого естественного покоя. Как только период покоя заканчивается, клубни начинают настолько сильно прорастать, что для их сохранения приходится прибегать к искусственному продлению периода покоя. То же происходит и при храпении репчатого лука, моркови, свеклы, хотя период покоя у них менее четко выражен. Способность пребывать в состоянии покоя выработалась у растений в процессе эволюции как важное приспособление к неблагоприятным условиям для роста.

Хорошо известно, что в зонах умеренного климата с наступлением холодов деревья сбрасывают листья и рост побегов прекращается до весны. В степях и пустынях у многих травянистых растений после бурного роста и цветения отмирают листья и стебли; и растения переживают засушливое лето в виде клубней, луковиц, корневищ. Даже и у растущих растений отдельные органы и ткани до определенного момента находятся в состоянии покоя. Например, спящие пазушные почки древесных растений трогаются в рост лишь тогда, когда повреждается верхушечная почка.

В тропиках долгое время не удавалось получать урожай яблок, так как яблони, как и другие растения умеренной зоны, приспособились пребывать в состоянии покоя под влиянием низких температур, которых нет в тропиках. Опыт последних лет показал, что и вблизи экватора можно получить товарное производство яблок. Нанесение деревьям механических поранений выводит их из состояния покоя, так же как и холод. Поэтому начиная с годовалого возраста яблони в тропиках подрезают и срывают листья. Их продолжают срывать и в дальнейшем после каждого сбора. Подобная работа является очень трудоемкой. Но, по свидетельству плодоводов, качество получаемых плодов вполне удовлетворительное.

К. А. Тимирязев в своих замечательных лекциях о жизни растений, прочитанных 100 лет тому назад, отмечал, что пи одно явление в жизни растений не обращало на себя так много внимания, как пробуждение растений от покоя. С тех пор сделано немало, чтобы приподнять завесу над этой тайной природы. И хотя многое остается еще неясным, в ряде случаев уже удается найти новые подходы для управления, состоянием покоя.

Преждевременное прорастание является серьезным источником потерь при храпении картофеля и некоторых овощей. Собственно, в состоянии покоя пребывают лишь меристематические ткани, на долго которых в клубнях картофеля, например, приходится лишь 1 % их массы. Это так называемые «глазки»..

Клубни картофеля в силу высокого содержания в них воды и питательных веществ особенно уязвимы для фитопатогенных микроорганизмов. Причем особенно уязвимы меристематические ткани, те самые, которые находятся в состоянии покоя. Они могут позволить себе пребывать в покое только потому, что находятся под иммунологической охраной паренхимных тканей клубней.

Именно тогда, когда меристематические глазки «спят», паренхимные ткани клубня стоят на их страже: они обладают особенно высокой способностью быстро и интенсивно образовывать фитоалексины, отвечать реакцией СВЧ в ответ на внедрение патогена, активно образовывать раневую перидерму. Клубни тех сортов картофеля, которые обладают более длительным периодом покоя, характеризуются и более продолжительной устойчивостью к болезням. Как только период покоя у меристем: заканчивается, они могут прорастать и давать, начало новому растению, т. е. выполнять возложенную на них природой функцию, устойчивость паренхимных тканей быстро падает. Отсюда следует: важный практический вывод: сумейте продлить период покоя, и вы сумеете продлить период устойчивости и тем самым одновременно решить две задачи: задержать преждевременное прорастание клубней и защитить их от болезней. Причем речь идет именно о продлении периода, покоя, а не об искусственном подавлении прорастания клубней, поскольку это совершенно разные вещи.

Дело в том, что большинство методов, препятствующих прорастанию, основало на его необратимом подавлении. Примером этому является уже упомянутое γ-облучение, под действием которого деградируют точки роста у клубней, нарушается их структурная и функциональная целостность, а следовательно, и иммунологический контроль. Такие клубни мало синтезируют фитоалексинов и слабо образуют перидерму. Выходит, что методы, подавляющие прорастание клубней и тем самым предохраняющие их от одного вида потерь, как правило, нарушают свойство их естественной устойчивости, из-за чего возрастают потери другого рода.

Способ продления периода покоя для предупреждения прорастания принципиально отличается от подавления прорастания тем, что иммунологический контроль клубней в этом случае не только сохраняется, но продолжает оставаться на высоком уровне. Но для того чтобы продлить покой, нужно знать механизмы, его регулирующие. Наиболее изученными механизмами, регулирующими покой и переход к активному росту, являются фитогормоны. В клубнях картофеля обнаружены все известные фитогормоны, причем в состоянии покоя ведущую роль играет абсцизовая кислота. Это позволяет логически продолжить ту формулу, которая уже была приведена: если хотите продлить период покоя, а следовательно, и устойчивости, то сумейте индуцировать в клубнях образование фитогормона либо найдите способ поддерживать его содержание на нужном уровне. Индуктором образования абсцизовой кислоты оказался этилен, физиологическая активность которого была открыта более 80 лет тому назад Д. Н. Нелюбовым. Новые возможности для применения этилена как фитогормона появились сейчас благодаря синтезу его продуцентов, выпускаемых под разными названиями: этрел, гидрел, дигидрел, компазан. Под влиянием обработки гидрелом в картофеле индуцировалось образование абсцизовой кислоты, содержание которой оставалось на довольно высоком уровне. После обработки гидрелом клубни картофеля не прорастали даже после весьма длительного хранения. Но как только содержание абсцизовой кислоты снижалось и период покоя заканчивался, клубни начинали нормально прорастать и могли быть с успехом использованы для семенных целей.

Так, теоретическая разработка природы состояния покоя, проведенная в нашей лаборатории Н. П. Кораблевой, позволила создать метод предупреждения прорастания клубней без нарушения их иммунологического контроля.

Применение продуцентов этилена оказалось столь же эффективным и для сокращения потерь при храпении репчатого лука и корнеплодов.

Согласно ранее существовавшим представлениям, старение всех организмов наступало вследствие истощения у них энергетических и пластических ресурсов. Поэтому основное внимание исследователей в области храпения плодов долгое время было сосредоточено на использовании возможно более низких температур, для того чтобы замедлить дыхание плодов и подавить деятельность фитопатогенных микроорганизмов. Но сейчас уже хорошо известно, что старение плодов, как и других микроорганизмов, связано не столько с истощением их ресурсов, сколько с накоплением различного рода токсических веществ, которые в молодых плодах вовлекаются в обмен. К примеру, после 9-месячного храпения некоторых сортов яблок в холодильниках содержание сахаров в них уменьшилось лишь на 30 %, тогда как содержание спирта возросло в 2 раза, ацетальдегида — в 4 раза, а некоторых перекисей — в 10 и более раз. В результате способность яблок продуцировать фитоалексины падала в 4–5 раз. Одновременно развивались неинфекционные болезни, внешне проявляющиеся в патологическом побурении плодов.

Уже более 50 лет изучается обнаруженный при созревании многих видов плодов кратковременный подъем дыхания, названный климактерическим, который соответствует кульминации процессов созревания, вслед за чем наступает перезревание. Климактерическому подъему дыхания предшествует биосинтез этилена — основного гормона созревопия, который индуцирует ряд ферментов, характерных для процесса старения. Одним из таких ферментов является малатдегидрогенеза декарбоксилирующая, названная ферментом старения. Его максимальное активирование совпадает с пиком климактерического подъема дыхания. Фермент декарбоксилирует (освобождает СО₂) яблочную кислоту, превращая ее в пировиноградную, которая также декарбоксилируется, образуя ацетальдегид. Ацетальдегид и другие токсические продукты, накапливающиеся в ткани, нарушают структуру мембраны вакуоли, в результате чего содержащиеся в ней полифенолы проникают в цитоплазму, где и окисляются полифенолоксидазой, вызывая побурение тканей.

В плодах на последних этапах роста обнаружен сесквитерпеноидный углеводород — фарнезен. Будучи соединением с двумя сопряженными связями, фарнезен легко подвергается перекисному окислению с образованием перекисей, гидроперекисей и свободных радикалов. Имеется большое число работ о накоплении продуктов перекисного окисления липидов в самых различных стареющих организмах, в том числе и у растений.

Из вышесказанного вытекают пути регулирования старения плодов. Именно регулирования, а не подавления, поскольку там, где имеет место только подавление, нарушается иммунологический контроль, что зачастую превращает, победу в поражение. Если старение характеризуется усилением окислительных процессов и повышенным выделением СО₂, то пониженно содержания кислорода в среде задержит процессы перекисного окисления липидов и биосинтез этилена, а повышение содержания углекислого газа по законам обратной связи затормозит процессы декарбоксилирования яблочной и пировиноградной кислот, а следовательно, накопление в клетке ацетальдегида и спирта. Тем самым отдаляется наступление климактерикса и старения.

Другой путь избежания накопления в тканях плодов высокотоксических гидроперекисей основан на применении антиоксидантов, действующих по тому же принципу, как и природные антиоксиданты, содержание которых в растительных клетках по мере старения уменьшается. Хорошие результаты были получены при применении антиоксиданта — дилудииа, который тормозит окисление фарнезена и накопление его перекисных продуктов и тем самым позволяет избежать побурения яблок. Теоретические основы старения плодов и способов его регулирования успешно разрабатываются в нашей лаборатории Е. Г. Сальковой.

Здесь приводятся примеры храпения клубней и плодов, уже отделенных от материнского растения, не только потому, что они являются хорошей биологической моделью для изучения иммунологического контроля при покое и старении, по и потому, что сохранить их не менее трудно, чем получить.

Весьма актуальным является дальнейшее более разностороннее изучение периода покоя растений и их перехода к активному росту, а также механизмов старения и связанного с ним возникновения функциональных расстройств и ослабления иммунной системы, создающей угрозу поражения болезнями. Такие исследования могут открыть новые подходы для защиты урожая от потерь.