Фитоиммунитет и селекция

Согласно историческим документам, Митридат VI Евпатор (II-I в. до н. э.) обладал удивительной невосприимчивостью к различным ядам. Остерегаясь быть отравленным придворными, он в молодости тщательно изучил многие ядовитые растения и, испытывая их на себе, будущий правитель Понтийского и Боспорского царств приобрел к ним иммунитет. "Какая же связь между воинственным монархом и устойчивостью растений?" - может спросить читатель.

Дело в том, что в процессе эволюции между растением-хозяином и паразитом, продуцирующим свои яды в растительный организм, постоянно происходило противоборство. Это важное положение, выдвинутое Н. И. Вавиловым, взято на вооружение современной иммунологией растений и используется учеными-селекционерами. Как же защищаются растения и какое "оружие" они "выбрали" для борьбы с многочисленными фитопатогенами?

Что же подразумевают под понятием иммунитет? Иммунитет (от латинского immunitas - освобождаться от чего-нибудь) означает в широком смысле невосприимчивость организма к действию патогенных микроорганизмов или их токсинов (ядовитых продуктов метаболизма). Это понятие широко используется в различных биологических науках, медицине, ветеринарии и общественной жизни. Илья Ильич Мечников (1845-1916) под восприимчивостью к заразным болезням понимал общую систему явлений, благодаря которой организм может выдержать нападение патогенов.

Иммунитет - свойство растительного организма, наследственно закрепленное и передающееся из поколения в поколение. Условия жизнедеятельности растений не влияют на это свойство. Устойчивость чаще всего связана с условиями внешней среды, особенностями обмена веществ. Устранение или изменение этих факторов влечет за собой ослабление или утрату устойчивости. Таким образом, понятие устойчивости уже понятия иммунитета. Например, просо ни при каких обстоятельствах не болеет ржавчиной, поражающей практически все зерновые культуры; в свою очередь злаки имеют иммунитет к корневому раку, в значительной степени поражающему плодовые культуры: свеклу, виноград, клубнику, малину и др. К устойчивости можно отнести невосприимчивость кукурузы к возбудителю спорыньи, которая наблюдается при 18-22°С и оптимальной влажности почвы, но при температуре 8-10°С, особенно в весенний период, культура сильно поражается фитопатогеном.

Фитоиммунология начала развиваться лишь в XIX в., и первая теория естественного иммунитета у растений появилась в 90-х годах прошлого столетия одновременно с клеточной теорией иммунитета И. И. Мечникова. Ее содержание сводилось к тому, что у различающихся по устойчивости сортов наблюдаются определенные различия в морфологическом строении отдельных органов и тканей растения.

Авторы этой теории австралийские ученые Кобб и Фаррер объясняли, например, устойчивость к ржавчине сортов пшеницы различной формой и строением листьев. Например, при поражении ржи спорыньей, ячменя - пыльной головней, когда заражение происходит через цветок, формы с открытым цветением поражаются в большей степени. Эта теория рассматривала явления иммунитета при пассивности растения-хозяина, не учитывая физиологические, биохимические и генетические особенности растительного организма.

Одной из популярных теорий иммунитета была хемотропическая теория, предложенная английским исследователем Масси. Суть ее заключалась в том, что мицелий грибов-паразитов в различной степени привлекается веществами, присутствующими в растении, например сахарозой, тростниковым сахаром, глюкозой, аспарагином, яблочной кислотой и другими химическими соединениями. Таким образом, к устойчивым относили сорта растений, у которых обнаруживали отталкивающие патогенны вещества, а к восприимчивым - привлекающие. Много общего с этой теорией имела осмотическая теория, которая в основу иммунитета брала различия в осмотическом давлении клеточного сока. Однако, как и ее предшественница, она не получила широкого признания.

Другой разработанной в то время теорией, основанной на фактическом материале, являлась кислотная. Ее автор, итальянский ученый Комес считал, что иммунитет определяется количеством органических кислот, дубильных веществ и некоторых пигментов в клетках растения. Он пришел к выводу, что азотные удобрения снижают кислотность и, следовательно, устойчивость растений, а фосфорные и калийные, наоборот, повышают ее. При изучении кислотности клеточного сока у различающихся по восприимчивости сортов такой общей закономерности не обнаруживалось. Кислотная теория стимулировала развитие фитоиммунологии.

Дальнейшее проникновение в тайны иммунитета связано с изучением явления фагоцитоза в растительных клетках, которое рассматривалось учеными как защитная реакция организма. При этом клеточное ядро устремляется навстречу гифам паразита, при этом изменяется его физиологическое состояние и после лизиса чужеродной ткани оно разрушается и превращается в гомогенную равномерно окрашиваемую массу. Такая картина наблюдается при поражении пшеницы твердой головней, ячменя гельминтоспориозом и других заболеваниях. Реакция фагоцитоза возникла в процессе эволюции растений в борьбе с агрессивными возбудителями болезней, поражающими определенные ткани и органы растительного организма.

Оригинальной и стройной теорией, основанной на исследованиях поражаемости растений в онтогенезе, является теория иммуногенеза, предложенная советским ученым М. С. Дуниным. В результате многочисленных экспериментов и данных, полученных другими исследователями, им были сформулированы правила иммуногенеза, которые учитывали фазу развития растений при поражении фитопатогенами. Эта теория способствовала развитию фитоиммунологии, но довольно часто' была не в состоянии объяснить устойчивость растения, которая не зависела от стадии онтогенеза и определялась физиолого-биохимическими особенностями его тканей. В частности, поражение картофеля фитофторозом зависит не от фазы развития культуры, а от степени разрушения в листьях белков.

Несмотря на многочисленные частные теории иммунитета растений, предлагаемые учеными в конце XIX и середине XX столетия, практическая селекция не могла опереться ни на одну из них.

Учение об иммунитете растений получило свое развитие и стало стройным только благодаря исследованиям Николая Ивановича Вавилова. Анализируя причины устойчивости растительного организма к болезням, он пришел к выводу, что иммунитет неразрывно связан с генетической природой растения. Основным положением его теории служил тот факт, что многие из паразитических видов грибов генетически ограничены в выборе растения-хозяина. Огромную помощь ученому в его работе оказали богатейшие коллекции сортов со всех концов земного шара. Н. И. Вавилов считал, что иммунитет должен изучаться на чистых линиях и ботанических формах, так как устойчивость растений определяется индивидуальными свойствами вида или формы. Этот момент был очень важен для проведения селекционной работы, потому что часто под одним и тем же названием сорта подразумевались совершенно различные ботанические формы. Важная роль в механизмах иммунитета растений отводилась учеными биохимическим связям фитопатогена и растения-хозяина.

На протяжении многих веков пытались проникнуть ученые в эту тайну растений. Интересовался этими загадочными механизмами защиты и великий русский ученый Илья Ильич Мечников. Основоположник учения о клеточном иммунитете человека и животных, обращаясь к миру растений, писал о том, что "растения защищаются своими устойчивыми оболочками и выделениями. Выделение клеточных соков у растений, следовательно, играет очень существенную роль, как средство защиты". Много общего между иммунными свойствами животных и растений, но есть и очень важное отличие. Если на пути в животный организм у возбудителя болезни нет преграды, то растительная клетка защищена покровными тканями. Именно здесь происходит первое сражение между растением и патогеном.

В 1931 г. академик А. И. Опарин обнаружил, что свекольный сок тормозит развитие дрожжевых клеток. О чудесных свойствах чеснока и лука знали уже в древности и нередко наделяли их волшебной силой, а французы, ведя войну с сарацинами в 1250 г., выменивали одного пленника за 8 луковиц. "Чеснок да лук - от всех недуг" - гласит русская народная поговорка. С 1928 г. стал проводить первые опыты с фитонцидами Борис Петрович Токин. Исследуя кашицу из чеснока, он сделал важное открытие. Оказалось, что в соке содержатся летучие соединения, которые на расстоянии задерживают рост плесневых грибов.

Дальнейшие опыты с другими растениями подтвердили важную роль этих веществ в защитных свойствах растительного мира. Фитонциды, так окрестил их Б. П. Токин, представлены целым рядом различных химических веществ: эфирными маслами и пигментами, фенолами и органическими кислотами. В растительном организме фитонцидной активностью чаще всего обладает комплекс соединений, изучить состав и свойства которого довольно сложная задача.

Значительно отличаются по способности продуцировать целебные яды различные части и органы одного и того же растения. Фитонциды из луковицы чеснока убивают гриб фитофтору за несколько минут, а из листьев только через полчаса. На фитонцидную активность растения влияют время суток и возраст, физиологическое состояние и время года. Горчица, например, наиболее опасна для микробов на свету, чем в темноте, а пораженные ткани этого масличного растения выделяют больше фитонцидов, чем здоровые.

Очень удачно охарактеризовал роль фитонцидов в самозащите растений известный ученый Б. М. Козо-Полянский, назвав летучие молекулы "первой линией обороны", а нелетучие или малолетучие вещества "второй линией обороны". В последние годы широким фронтом ведется поиск так называемых фитоалексинов, присутствующих в соке растений. Эти соединения, являющиеся разновидностью фитонцидов, вступают в сражение с патогеном после внедрения его в клетку. Широко и всесторонне изучают этих защитников ученые. Особое внимание они уделяют фитоалексинам картофеля, которые защищают клубни от фитофторы. Благодаря настойчивости исследователей из клубней удалось получить два вещества с антимикробными свойствами - любимин и ришитин, которые входят в состав целебных соков.

В настоящее время защитники растений пытаются использовать для борьбы с головневыми и ржавчинными грибами фитонциды из лука и хрена, проводя предпосевную обработку ими семян ячменя и хлопчатника. Обнадеживающие результаты получили в конце 50-х годов украинские микробиологи. Обрабатывая семена капусты и помидоров перед посевом аренарином, выделенным из бессмертника песчаного, им удалось не только значительно снизить потери от болезней, но даже значительно ускорить прорастание семян. Оказалось, что этот фитонцид, убивая многие бактерии, действует так же, как стимулятор роста растений. С успехом применяли этот препарат на посевах кукурузы и пшеницы, сахарной свеклы и фасоли, ржи и люцерны. По подсчетам ученых, использование аренарина только на Украине может дать ежегодно около 11 млн. руб. экономии.

А вот еще одно очень интересное свойство фитонцидов растений, которое с успехом можно применять для защиты урожая. Уже давно подметили земледельцы, что конопля, посеянная рядом с картофелем, предохраняет клубни от фитофтороза, а свеклу, и фасоль оберегает от других заболеваний. Однако не только этим чудесным молекулам обязаны растения своей невосприимчивостью к инфекционным заболеваниям.

В последние годы ученые все больше убеждаются в важной роли некоторых растительных белков, выполняющих функции иммунных тел. Иммунохимическая реакция по-разному проявляется у устойчивых и восприимчивых сортов растений, а защитниками могут быть различные белковые молекулы. Лектины, например, образуют прочные комплексы с чужеродными белками, а ингибиторы ферментов "обезвреживают" энзимы фитопатогенов. Обнаруженное в клеточной стенке растений, вещество белковой природы практически полностью ингибирует разрушительный фермент грибов-паразитов - акзополи-галактуроназу. Другие защитные белки уничтожают возбудителей вирусных болезней.

Для различных представителей растительного мира нашей планеты иммунитет служит надежным щитом от многочисленных врагов. Еще на заре земледелия наши предки, отбирая устойчивые формы, уже тогда, бессознательно, начали селекцию на иммунитет к заболеваниям. Рассказ о сегодняшнем дне и поисках селекционеров и фитопатологов хочется начать со слов Николая Ивановича Вавилова, которые перекликаются с эпиграфом, взятым к этой главе: "Даже в отношении интенсивных культур, как виноград, плодовые деревья, допускающих значительные затраты на инсектициды и фунгициды, все же наиболее радикальным путем борьбы с болезнями является введение в культуру иммунных сортов".

До этого момента, говоря об устойчивости растений, совсем не уточнялись ее виды. Попробуем кратко, не вдаваясь в генетику иммунитета, познакомиться с ними. Если растение "не по зубам" какой-нибудь одной расе паразитов и поражается остальными, то говорят о моногенной устойчивости, которая контролируется так называемыми "главными" генами. Другой тип устойчивости - полигенный, находится под контролем полимерных (малых) генов и уменьшает последствия поражения патогеном, а также замедляет распространение инфекции. Тип устойчивости зависит от условий среды, таких, как химический состав почвы и количество внесенных удобрений, температура воздуха и сроки посева. Однако полигенный тип лучше защищает зеленых кормильцев, чем моногенный.

Прежде чем познакомиться с достижениями селекционеров, давайте заглянем в их "мастерскую" и узнаем, какими методами они пользуются. Селекционеры "конструируют" сорта сельскохозяйственных растений, которые устойчивы лишь к определенным расам патогенов в соответствующих экологических зонах. При возделывании этих сортов в иных климатических и метеорологических условиях возможна потеря устойчивости. Сорта с неполным иммунитетом к тому или иному заболеванию называют устойчивыми, так как степень их поражаемости колеблется в пределах десятых долей процента. Для сельскохозяйственного производства иммунитет и устойчивость имеют большое значение и позволяют получать добавочный урожай.

Самым старым и широко применяемым в настоящее время является метод массового отбора. В любой популяции сорта, как правило, есть устойчивые и восприимчивые формы. Благодаря массовому отбору были получены масличные и заразихоустойчивые сорта подсолнечника, устойчивые к фузариозу сорта масличного льна, мильдьюустойчивые сорта винограда, устойчивые к корневым гнилям сорта пшеницы и ячменя.

Академиком Г. В. Пустовойтом в селекции на устойчивость был использован метод межвидовой гибридизации. В результате скрещиваний культурных видов с дикими были созданы сорта с групповым иммунитетом к болезням и обладающие высокой масличностью и урожайностью. На фоне искусственного заражения при иммунологической оценке каждого растения по реакции и проценту поражаемости применяется метод имбридинга. Этот метод позволяет разделить исходную популяцию на отдельные линии, отобрать лучшие и затем их размножить. При повторном имбридинге можно получить в последующих поколениях высокую концентрацию генов устойчивости.

Одним из способов создания иммунных сортов являются беккроссы, позволяющие переносить блоки генов устойчивости из растений-доноров. Многократные беккроссы позволили получить иммунные к мучнистой росе сорта ячменя. В последнее время широкое распространение получил в селекции на иммунитет искусственный мутагенез. Этот метод особенно важен в тех случаях, когда устойчивость генетически связана с другими отрицательными признаками.

Например, устойчивость пшеницы к бурой ржавчине сочетается с восприимчивостью к мучнистой росе. Для получения мутаций используют γ-лучи рентгеновские лучи, нейтроны, радиоактивные изотопы и различные химикаты.

Нелегок путь к устойчивому сорту. Тысячи скрещиваний и отборов, искусственных заражений и фитопатологических оценок. Селекционеры-свекловоды "сконструировали" целый ряд сортов сахаристых корнеплодов, невосприимчивых к возбудителям церкоспороза и кагатной гнили, мучнистой росы и вирусной инфекции. Не боятся многих фитопатогенов сорта подсолнечника, созданные академиком В. С. Пустовойтом, а также "питомцы" других ученых-селекционеров - Армавирский-8487, Передовик и Одесский-63, Салют и Подарок.

Хорошо защищаются от возбудителей мучнистой росы, пепельной гнили и вертициллезного увядания полученные впервые в мире межвидовые гибриды Прогресс и Новинка.

Более скромными победами над патогенами могут похвалиться селекционеры злаков. Однако уже сейчас, несмотря на агрессивность врагов злаковых культур и оказываемое ими сопротивление, Безостая-2 не боится возбудителей мучнистой росы, а Заря устойчива к твердой головне. Многие сорта и гибриды кукурузы, выращиваемые на полях нашей Родины, невосприимчивы к пузырчатой головне, фузариозу и разнообразным бактериозам.

Огромную помощь селекционерам в их нелегком поиске иммунитета оказывает Всесоюзный научно-исследовательский институт растениеводства имени Н. И. Вавилова. Имея в своих коллекциях около 250 тыс. различных образцов растений, он представляет собой настоящую сокровищницу для селекции. Взяв на вооружение идею Вавилова о сопряженной эволюции паразита и хозяина на родине культурного растения, ученые института уже полвека "по зернышкам" собирают бесценный генофонд, совершая экспедиции в центры происхождения культур. Не секрет, что дикие растения могут лучше постоять за себя, чем культурные. Но не так легко пересадить "иммунные" гены "дикари" возделываемым сортам.

Долго не удавалось селекционерам преодолеть "дикость" фитофтороустойчивого картофеля, гибриды с которым не сразу попали на колхозные поля. Наглядным примером борьбы за иммунитет может служить история с самым устойчивым в мире злаком - дикорастущей пшеницей Тимофеева. Какие только манипуляции ни проделывали ученые, чтобы гибриды с этим "чемпионом" по иммунитету имели полновесные колосья! И только благодаря удивительным свойствам колхицина удалось преодолеть этот барьер и получить ценные сорта пшениц, устойчивые к ржавчинным и головневым грибам. А чтобы получить потомство от тритикум дурум (помните полбу), пришлось выращивать зародыши семян на искусственных питательных средах.

Казалось бы, успехи селекционеров должны нас успокоить, а многочисленных врагов растений обратить в бегство. Однако не всегда это так. Ведь говоря об иммунитете, мы имеем в виду устойчивость зеленых кормильцев к какому-нибудь одному или группе патогенов, а их в природе множество. Только подсолнечник должен защищаться более чем от 40 возбудителей опасных заболеваний, а на кукурузу их нападает более 400. Если к этому добавить, что фитопатогены приспосабливаются к устойчивым сортам, а на создание иммунитета требуются многие годы, то станет ясно, что радоваться полной победе еще рано и борьба с "неприятелем" продолжается.

Итак, дорогой читатель, закончилось наше небольшое путешествие в страну зеленых друзей. Мы побывали в гостях у фитопатологов, ближе познакомились с различными болезнями растений и методами их обнаружения, совершили экскурсию в лаборатории великих ученых, заложивших фундамент современной фитопатологии, а также стали свидетелями их важных открытий. Много сил и энергии отдают защите растений ученые различных специальностей: биохимики и физиологи, микробиологи и вирусологи, химики и математики-прогнозисты. Пытаясь понять причины массовых вспышек болезней и предугадать их, исследователи Всесоюзного научно-исследовательского института защиты растений составили специальную таблицу, которая включает сведения о месте и времени появления эпифитотий линейной, желтой и бурой ржавчины пшеницы, фитофторы картофеля и мильдью винограда, пыльной головни пшеницы и других заболеваний. Оказалось, что между этими бедствиями и солнечной активностью существует определенная связь.

Все больше интересных данных о болезнях растений накапливают ученые. Совершенствуются методы диагностики заболеваний, разрабатываются и внедряются в производство новые химические и биологические средства борьбы с фитопатогенами, улучшается агротехника возделывания культур и методы прогнозирования эпифитотий. Все больше надежд возлагает земледелец на ученых-селекционеров, создающих устойчивые к возбудителям болезней сорта сельскохозяйственных растений. Благодаря селекции потеряли свое значение такие опасные в недалеком прошлом заболевания, как "пьяный хлеб" злаков, гоммоз хлопчатника, стеблевая ржавчина пшеницы и фитофтороз картофеля. Огромных успехов добились селекционеры в выведении заразихоустойчивых сортов и гибридов подсолнечника и устойчивых к церкоспорозу сортов сахарной свеклы. Большую помощь защитникам растений оказывают юные друзья природы: школьники, работающие на пришкольном или колхозном участке и уничтожающие пораженные листья деревьев, а также выпускники и студенты, посвятившие себя этой благородной профессии.

Много еще проблем у фитопатологов и специалистов по защите растений. Но поиск продолжается. И в заключение хочется привести слова нашего видного ученого-физика Сергея Ивановича Вавилова: "Когда наука достигает какой-нибудь вершины, с нее открывается обширная перспектива дальнейшего пути к новым вершинам, открываются новые дороги, по которым наука пойдет дальше".