Как патоген избавит ценную сельскохозяйственную культуру от заражений и повысит урожайность

Российские ученые обнаружили и исследовали вирус, способный выборочно уничтожать возбудителей болезней сои. Эксперименты показали, что он может эффективно бороться с бактериями рода Pseudomonas, которые вызывают ожоги у растений. Это заболевание может снижать урожайность сои практически вдвое. Данные, полученные исследователями, позволят разработать препараты для обработки семян перед посадкой или опрыскивания взрослых растений после появления у них болезненных симптомов. По мнению российских агрономов, такое средство поможет защитить поля отечественных производителей культуры.

Вирусное древо жизни

Ученые НИЦ «Курчатовский институт» расшифровали геном бактериофага P421, что позволило специалистам понять свойства и историю происхождения этого микроорганизма.

Бактериофаги — это вирусы, которые заражают и уничтожают клетки бактерий, поэтому их можно использовать для борьбы с болезнями, вызываемыми микробами. Исследование, о котором идет речь, было направлено на поиск вирусов, способных противодействовать бактериями рода Pseudomonas. Это один из самых распространенных возбудителей инфекции у растений сои. Из-за болезни, вызванной Pseudomonas, может погибать до 40% урожая ценной сельскохозяйственной культуры. Сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» выполнили работу совместно с коллегами из Института биоорганической химии и Тимирязевской академии.

— Мы прочитали последовательность геномов этих бактериофагов, которые могут помогать сельскому хозяйству тем, что борются с патогенами сои. Их секвенирование позволяет понять расположение организма на древе жизни, что дает возможность предсказывать его свойства, а также имеет фундаментальное значение для науки, — пояснил начальник лаборатории геномики прокариот в Курчатовском геномном центре Степан Тощаков.

Применение фагов обладает рядом преимуществ по сравнению с антибиотиками, так как у микробов развивается резистентность к химикатам, и это снижает эффективность препаратов. Кроме того, антибиотики копятся в почве, повышая сопротивляемость к ним всех микроорганизмов, которые там обитают. А бактериофаги просто разлагаются, если не находят себе подходящей цели. К тому же антибиотики уничтожают как вредные, так и полезные микроорганизмы, а бактериальные вирусы действуют только на возбудителя инфекции.

— Наша лаборатория давно занимается этой тематикой. Это перспективное направление в биологической защите растений. Есть бактерии, которые поражают растения. И у них есть собственные вирусы, которые, если правильно их использовать, могут сильно помочь в борьбе с возбудителями инфекций, — отметил главный научный сотрудник лаборатории молекулярной биоинженерии Института биоорганической химии Константин Мирошников.

В поисках защиты

Исторически большую часть сои выращивали на Дальнем Востоке, однако из-за ее востребованности на рынке этой культурой стали засевать всё большие площади в европейской части России. До последнего времени оставалось неизвестным, вызвано ее поражение одним или разными патогенами и зависит ли это от региона. Авторы исследования выяснили, что за заражение бактериальным ожогом, который проявляется в виде беловатых и желтоватых пятен на листьях и стебле, по всей стране отвечает одна и та же бактерия рода Pseudomonas. Так как этот возбудитель не мог самостоятельно преодолеть огромное расстояние, разделяющее посевные площади в восточной и европейской частях России, то, скорее всего, он был завезен вместе с семенным материалом, заключили исследователи.

Заражение через семена называют латентным. На них всегда остается какое-то количество патогена, но это слабо влияет на развитие самого растения. Однако при благоприятных условиях, то есть в отсутствие конкурентов и при подходящей температуре и влажности, микробы начинают активно размножаться и побег не может справиться с ними самостоятельно, поэтому крайне важно снизить число опасных бактерий. Для этого ученые выделили из почвы, где росла зараженная соя, бактериофаги, поражающие микробов, и изучили их свойства.

Оказалось, что бактериальные вирусы активны при температуре от 4 до 40 С⁰, однако неустойчивы к ультрафиолету, поэтому использовать их предпочтительно в темное время суток. Взаимодействуя с Pseudomonas, бактериофаги уничтожают большую часть возбудителей инфекции — этого достаточно, чтобы не допустить болезни. При этом они не убивают всё бактериальное сообщество полностью.

Защитный эффект изученных вирусов для сои ученые подтвердили на примере растений, выращенных в теплицах. Специалисты испытали два способа применения бактериофагов: обработка семян перед посадкой и опрыскивание растений при появлении симптомов. Первый метод оказался более эффективным. Это объясняется тем, что к моменту, когда у сои появляются признаки бактериального ожога, Pseudomonas успевают проникнуть глубоко в сосуды растения, где бактериофагам сложно их достать. По словам авторов работы, полученных ими данных достаточно, чтобы начать применять изученный вид бактериофагов в сельскохозяйственной практике.

Сейчас, по данным отечественных исследователей, поражение всходов сои бактериозами в целом на юге и Дальнем Востоке РФ колеблется от 5 до 71%, уточнил профессор аграрно-технологического института РУДН Александр Игнатов.

— Бактериальный ожог проявляется обычно в мае-июне при влажной погоде с перепадами температуры, — рассказал он «Известиям». — Заражение бактериями семян, которое вызывает на следующий год болезни и гибель всходов, представляет собой особую опасность. Именно семенная инфекция может нанести ощутимый экономический ущерб, потому что применяемые сегодня для обработки семян химические препараты — фунгициды — не имеют антибактериального действия.

Опыты, проведенные на других культурах, показывают, что правильно подобранные фаги обеспечивают большую прибавку урожая, чем другие биологические средства защиты растений, заключил специалист.