Слово иммунитет происходит от латинского immunitas, что означает "освобождение от чего-либо".
Под иммунитетом понимают невосприимчивость организма к действию возбудителей болезней и продуктов их жизнедеятельности. Например, хвойные породы обладают иммунитетом против мучнистой росы, а лиственные - против шютте. Ель абсолютно невосприимчива к ржавчине побегов, а сосна - к ржавчине шишек. Ель и сосна иммунны к ложному трутовику и т.д.
И.И.Мечников под невосприимчивостью к инфекционным болезням понимал общую систему явлений, благодаря которым организм может противостоять нападению болезнетворных микробов. Способность растения противостоять болезни может выражаться или в форме иммунитета к заражению, или в виде какого-то механизма устойчивости, который ослабляет развитие заболевания.
Различная устойчивость к болезням ряда растений, особенно сельскохозяйственных, известна давно. Отбор сельскохозяйственных культур по устойчивости к болезням, наряду с отбором на качество и продуктивность ведется с древнейших времен. Но только в конце XIXвека появились первые работы об иммунитете, как учении об устойчивости растений к болезням. Среди многих теорий и гипотез того времени следует назвать фагоцитарную теориюИ.И.Мечникова . Согласно этой теории организм животного выделяет защитные вещества (фагоциты), которые убивают патогенные организмы. Это относится, главным образом к животным, но имеет место и в растениях.
Большую известность получила механическая теория австралийского ученого Кобба (1880-1890 гг.), который полагал, что причина устойчивости растений к заболеваниям сводится к анатомо-морфологическим различиям в строении устойчивых и восприимчивых форм и видов. Однако, как выяснилось в дальнейшем, этим нельзя объяснить все случаи устойчивости растений, а, следовательно, и признать эту теорию как всеобщую. Эта теория встретила критику со стороны Эриксона и Уорда.
В дальнейшем (1905г.) англичанин Масси выдвинул хемотропическую теорию , по которой болезнью не поражаются те растения, в которых отсутствуют химические вещества, имеющие привлекающее действие в отношении инфекционного начала (споры грибов, клетки бактерий и т.п.).
Однако в дальнейшем эта теория также была подвергнута критике Уордом, Гибсоном, Сальмоном и др., так как оказалось, что в ряде случаев инфекция уничтожается растением уже после ее проникновения в клетки и ткани растения.
После кислотной теории выдвигалось еще несколько гипотез. Из них заслуживает внимания гипотеза М.Уарда (1905). Согласно этой гипотезе, восприимчивость зависит от способности грибов преодолевать сопротивление растений при помощи энзимов и токсинов, а устойчивость обусловливается способностью растений разрушать эти энзимы и токсины.
Из других теоретических концепций наибольшего внимания заслуживает фитонцидная теория иммунитета , выдвинутая Б.П.Токиным в 1928 г. Это положение долгое время развивал Д.Д.Вердеревский, который установил, что в клеточном соке устойчивых растений независимо от нападения болезнетворных организмов находятся вещества - фитонциды, подавляющие рост патогенов.
И, наконец, представляет некоторый интерес теория иммуногенеза, предложенная М.С. Дуниным (1946), который рассматривает иммунитет в динамике, с учетом меняющегося состояния растений и внешних факторов. Все болезни по теории иммунногенеза он делит на три группы:
1. болезни, поражающие молодые растения или молодые ткани растений;
2. болезни, поражающие стареющие растения или ткани;
3. болезни, развитие которых не имеет четкой приуроченности к фазам развития растения-хозяина.
Много внимания иммунитету, главным образом сельскохозяйственных растений, уделял Н.И.Вавилов. К этому периоду относятся также работы зарубежных ученых И.Эриксона (Швеция), Э.Стэкмена (США).
ОСНОВЫ ИММУНИТЕТА РАСТЕНИЙ К БОЛЕЗНИ
При самой суровой эпифитотии растения поражаются болезнью неодинаково, что связано с устойчивостью и иммунитетом растений. Под иммунитетом понимается абсолютная непоражаемость при наличии инфекции в условиях, благоприятных для заражения растений и развития болезней. Устойчивость - это свойство организма противостоять сильному поражению болезнями. Эти два свойства зачастую отождествляют, имея в виду слабое поражение растений болезнями.
Устойчивость и иммунитет - сложные динамичные состояния, которые зависят от особенностей растения, возбудителя болезни и условий внешней среды. Изучение причин и закономерностей устойчивости очень актуально, так как только в этом случае возможна успешная работа по выведению устойчивых сортов.
Иммунитет бывает врожденным (наследственным) и приобретенным. Врожденный иммунитет передается от родителей потомству. Он изменяется только с изменением генотипа растения.
Приобретенный иммунитет формируется в процессе онтогенеза, что
достаточно часто встречается в медицинской практике. У растений такого
четко выраженного приобретенного свойства нет, но существуют приемы,
позволяющие повысить устойчивость растений к болезням. Они активно
изучаются.
Пассивная устойчивость определяется конституциональными особенностями растения, независимо от действия патогена. Нанример, толщина кутикулы некоторых органов растений является фактором пассивного иммунитета. Факторы активного иммунитета действуют только при контакте растения и возбудителя, т.е. возникают (индуцируются) в период патологического процесса.
Выделяют понятие специфического и неспецифического иммунитета. Неспецифический - это неспособность некоторых возбудителей вызвать заражение определенного вида растений. Например, свекла не поражается возбудителями головневых заболеваний зерновых культур, фитофторозом картофеля, картофель не поражается церкоспоро-зом свеклы, зерновые - макроспориозом картофеля и т. д. Иммунитет, проявляющийся на уровне сорта по отношению к специализированным возбудителям, называется специфическим.
Факторы устойчивости растений к болезням
Установлено, что устойчивость определяется суммарным действием защитных факторов на всех этапах патологического процесса. Все многообразие защитных факторов подразделяется на 2 группы: препятствующие внедрению патогена в растение (аксения); препятствующие распространению патогена в тканях растений (истинная устойчивость).
В первую группу входят факторы или механизмы морфологического, анатомического и физиологического характера.
Анатомо-морфологические факторы. Преградой для внедрения возбудителей может служить толщина покровных тканей, строение устьиц, опушенность листьев, восковой налет, особенности строения органов растений. Толщина покровных тканей является защитным фактором в отношении тех возбудителей, которые проникают в растения непосредственно через эти ткани. Это в первую очередь мучнисто-росяные грибы и некоторые представители класса Оомицеты. Строение устьиц имеет значение для внедрения в ткань бактерий, возбудителей ложных мучнистых рос, ржавчин и др. Обычно через плотно прикрывающиеся устьица возбудителю внедриться труднее. Опушенность листьев защищает растения от вирусных болезней, насекомых, передающих вирусную инфекцию. Благодаря восковому налету на листьях, плодах и стеблях капли на них не задерживаются, что препятствует прорастанию грибных патогенов.
Габитус растений и форма листьев также являются факторами,
препятствующими начальным стадиям заражения. Так, сорта картофеля с
рыхлым строением куста меньше поражаются фитофторозом, так как лучше
проветриваются и инфекционные капли на листьях высыхают быстрее. На
узкие листовые пластинки оседает меньше спор.
Роль строения органов растений можно проиллюстрировать на примере цветков ржи и пшеницы. Рожь очень сильно поражается спорыньей, в то время как пшеница - очень редко. Это объясняется тем, что у цветков пшеницы цветковые чешуи не раскрываются и споры возбудителя практически не проникают в них. Открытый тип цветения у ржи не препятствует попаданию спор.
Физиологические факторы. Быстрому внедрению возбудителей может препятствовать высокое осмотическое давление в клетках растений, скорость физиологических процессов, приводящих к затягиванию ран (образование раневой перидермы), через которые проникают многие патогены. Важна также скорость прохождения отдельных фаз онтогенеза. Так, возбудитель твердой головни пшеницы внедряется только в молодые проростки, поэтому сорта, дружно и быстро прорастающие, поражаются меньше.
Ингибиторы. Это соединения, содержащиеся в растительных тканях или синтезированные в ответ на заражение, которые подавляют развитие патогенов. К ним относятся фитонциды - вещества различной химической природы, являющиеся факторами врожденного пассивного иммунитета. В большом количестве фитонциды вырабатываются тканями лука, чеснока, черемухи, эвкалипта, лимона и др.
Алкалоиды - азотсодержащие органические основания, образующиеся в растениях. Особенно богаты ими растения семейства бобовых, маковых, пасленовых, астровых и др. Например, соланин картофеля и томатин помидоров токсичны для многих возбудителей. Так, развитие грибов рода Fusarium тормозится соланином в разведении 1:105. Подавлять развитие возбудителей могут фенолы, эфирные масла и ряд других соединений. Все перечисленные группы ингибиторов всегда присутствуют в интактных (неповрежденных тканях).
Индуцированные вещества, которые синтезируются растением в процессе
развития патогена, называют фитоалексинами. По химическому составу все
они - низкомолекулярные вещества, многие из них
имеют фенольную природу. Установлено, что сверхчувствительная реакция растения на заражение зависит от скорости индукции фитоалексинов. Известны и идентифицированы многие фитоалексины. Так, из растений картофеля, зараженных возбудителем фитофтороза, выделены ришитин, любимин, фитуберин, из гороха - пизатин, из моркови - изокумарин. Образование фитоалексинов представляет типичный пример активного иммунитета.
К активному иммунитету относится также активизация ферментных систем растения, в частности окислительных (пероксидаза, поли-фенолоксидаза). Это свойство позволяет инактивировать гидролитические ферменты возбудителя болезни и обезвреживать им токсины.
Приобретенный, или индуцированный, иммунитет. Для повышения устойчивости растений к инфекционным болезням применяется биологическая и химическая иммунизация растений.
Биологическая иммунизация достигается обработкой растений ослабленными культурами патогенов или продуктами их жизнедеятельности (вакцинация). Ее применяют при защите растений от некоторых вирусных болезней, а также бактериальных и грибных патогенов.
Химическая иммунизация основана на действии некоторых химических веществ, в том числе и пестицидов. Ассимилируясь в растениях, они изменяют обмен веществ в направлении, неблагоприятном для возбудителей болезней. Примером таких химических иммунизаторов служат фенольные соединения: гидрохинон, пирогаллол, ортонитрофенол, паранитрофенол, которыми обрабатывают семена или молодые растения. Иммунизирующим свойством обладает ряд фунгицидов системного действия. Так, дихлорциклопропан защищает рис от пирикуляриоза благодаря усилению синтеза фенолов и образованию лигнина.
Известна иммунизирующая роль и некоторых микроэлементов, входящих в состав ферментов растений. Кроме того, микроэлементы улучшают поступление основных элементов питания, что благоприятно сказывается на устойчивости растений к болезням.
Генетика устойчивости и патогенности. Типы устойчивости
Устойчивость растений и патогенность микроорганизмов, как и все другие свойства живых организмов, контролируются генами, одним или несколькими, качественно отличающимися друг от друга. Наличие таких генов обусловливает абсолютный иммунитет к определенным расам патогена. Возбудители болезни, в свою очередь, имеют ген (или гены) вирулентности, позволяющий ему преодолевать защитное действие генов устойчивости. По теории X. Флора, на каждый ген устойчивости растения может выработаться соответствующий ген вирулентности. Это явление называют комплементарностью. При воздействии патогена, обладающего комплементарным геном вирулентности, растение становится восприимчивым. Если гены устойчивости и вирулентности некомплементарны, клетки растения локализуют возбудитель в результате сверхчувствительной реакции на него.
Например (табл. 4), согласно этой теории, сорта картофеля, имеющие ген
устойчивости R, поражаются только расой 1 возбудителя P. infestans или
более сложной, но обладающей обязательно геном вирулентности 1 (1,2;
1,3; 1,4; 1,2,3) и т. д. Сорта, не имеющие генов устойчивости (г),
поражаются всеми без исключения расами, в том числе и расой без генов
вирулентности (0).
Гены устойчивости чаще всего доминантны, поэтому их сравнительно легко
передать потомству при селекции. Гены сверхчувствительности, или R-гены,
определяют сверхчувствительный тип устойчивости, которую называют также
олигогенной, моногенной, истинной, вертикальной. Она обеспечивает
растению абсолютную непоражаемость при воздействии на него рас без
комплементарных генов вирулентности. Однако с появлением в популяции
более вирулентных рас патогена устойчивость теряется.
Другой тип устойчивости - полигенная, полевая, относительная,
горизонтальная, которая зависит от совокупного действия множества генов.
Полигенная устойчивость в различной степени присуща каждому растению.
При высоком ее уровне патологический процесс замедляется, что дает
возможность растению расти и развиваться, несмотря на пораженность
болезнью. Как любой полигенный признак, подобная устойчивость может
колебаться под воздействием условий выращивания (уровень и качество
минерального питания, влагообеспеченность, длина дня и ряд других
факторов).
Полигенный тип устойчивости наследуется трансгрессивно, поэтому закрепить его путем селекции сортов проблематично.
Распространенным является сочетание сверхчувствительной и по-лигенной устойчивости в одном сорте. В этом случае сорт будет иммунным до появления рас, способных преодолевать моногенную устойчивость, после чего защитные функции определяет полигенная устойчивость.
Методы создания устойчивых сортов
В практике наиболее широко используются направленная гибридизация и отбор.
Гибридизация. Передача генов устойчивости от род ительских растений потомству происходит при межсортовой, межвидовой и межродовой гибридизации. Для этого в качестве родительских форм подбирают растения с желаемыми хозяйственно-биологическими характеристиками и растения, обладающие устойчивостью. Донорами устойчивости чаще бывают дикие виды, поэтому в потомстве могут появиться нежелательные свойства, которые устраняются при возвратных скрещиваниях, или беккроссах. Бейер ос сы повторяют до тех пор, пока все признаки <<дикаря», кроме устойчивости, не поглотятся сортом.
С помощью межсортовой и межвидовой гибридизации создано много сортов зерновых, зернобобовых культур, картофеля, подсолнечника, льна и других культур, устойчивых к наиболее вредоносным и опасным болезням.
При нескрещиваемости некоторых видов друг с другом прибегают к методу «посредника», при котором каждый вид родительских форм или один из них скрещивают сначала с третьим видом, а затем полученные гибриды скрещивают между собой или с одним из первоначально планируемых видов.
В любом случае устойчивость гибридов проверяют на жестком инфекционном фоне (естественном или искусственном), т. е. при большом количестве инфекции возбудителя, в условиях, благоприятных для развития болезни. Для дальнейшего размножения отбирают растения, сочетающие высокую устойчивость и хозяйственно ценные признаки.
Отбор. Этот прием - обязательный этап при любой гибридизации, но он может быть и самостоятельным методом получения устойчивых сортов. Методом постепенного отбора в каждом поколении растений с нужными признаками (в том числе и с устойчивостью) получено много сортов сельскохозяйственных растений. Он особенно эффективен для перекрестноопыляющихся растений, так как потомство их представлено гетерозиготной популяцией.
С целью создания устойчивых к болезням сортов все более широко применяются искусственный мутагенез, генная инженерия и др.
Причины потери устойчивости
Со временем сорта, как правило, утрачивают устойчивость либо в результате изменения патогенных свойств возбудителей инфекционных болезней, либо нарушения иммунологических свойств растений в процессе их воспроизводства. У сортов со сверхчувствительным типом устойчивости она теряется с появлением более вирулентных рас или комплементарных генов. Сорта с моногенной устойчивостью поражаются из-за постепенного накопления новых рас патогена. Вот почему селекция сортов только со сверхчувствительным типом устойчивости является бесперспективной.
Причин, способствующих образованию новых рас, несколько. Первая и наиболее частая - мутации. Они обычно проходят спонтанно под действием различных мутагенных факторов и присущи фитопатогенным грибам, бактериям и вирусам, причем для последних мутации - единственный способ изменчивости. Вторая причина - гибридизация генетически разных особей микроорганизмов при половом процессе. Этот путь характерен главным образом для грибов. Третий путь - гетерокариоз, или разноядерность, гаплоидных клеток. У грибов разноядерность может возникать из-за мутаций отдельных ядер, перехода ядер из разнокачественных гиф по анастомозам (сросшимся участкам гиф) и перекомбинации генов при слиянии ядер и последующем их делении (парасексуальный процесс). Разноядерность и пар асексуальный процесс имеют особенное значение для представителей класса несовершенных грибов, у которых отсутствует половой процесс.
У бактерий, помимо мутаций, существует трансформация, при которой ДНК, выделенная одним штаммом бактерий, поглощается клетками другого штамма и включается в их геном. При трансдукции отдельные сегменты хромосомы из одной бактерии переносятся в другую с помощью бактериофага (вируса бактерии).
У микроорганизмов образование рас идет постоянно. Многие из них сразу же погибают, будучи неконкурентоспособными из-за более низкого уровня агрессивности или отсутствия других важных признаков. Закрепляются в популяции, как правило, более вирулентные расы при наличии сортов и видов растений с генами устойчивости к существующим расам. В таких случаях новая раса даже при слабой агрессивности, не встречая конкуренции, постепенно накапливается и распространяется.
Например, при возделывании картофеля с генотипами устойчивости R, R4 и
R1R4 в популяции возбудителя фитофтороза будут преобладать расы 1; 4 и
1,4. При введении в производство сортов с генотипом R2 вместо R4 из
популяции патогена постепенно исчезнет раса 4, а распространятся расы 2;
1,2; 1,2,4.
Иммунологические изменения сортов могут происходить и в связи с изменением условий их произрастания. Поэтому перед районированием сортов с полигенной устойчивостью в других эколого-географи-ческих зонах обязательно проводят их иммунологическое испытание в зоне будущего районирования.
При наличии жизнеспособного возбудителя заболевания и всех необходимых условий для заражения. На практике чаше говорят об устойчивости к заболеваниям, которую можно охарактеризовать как генетическую особенность некоторых растений поражаться болезнью в слабой степени. Иммунитет абсолютен, устойчивость всегда относительна. Как и иммунитет, устойчивость определяется особенностями генома, причём существуют гены устойчивости не только к возбудителям заболеваний, но и к неблагоприятным факторам среды.
Прямой противоположностью иммунитета — является восприимчивость- неспособность растения противостоять заражению и распространению патогена. В некоторых случаях восприимчивое растение по отношению к некоторым возбудителям может быть толерантным, или выносливым к другим, т.е. оно не снижает или незначительно снижает свою продуктивность (количество и качество урожая), будучи заражённым.
Различают специфический и неспецифический иммунитет. Первый проявляется на уровне сорта по отношению к определённым возбудителям и называется ешё сортовым иммунитетом. Второй, или неспецифический (видовой) иммунитет можно определить как принципиальную невозможность данного вида растений заразиться конкретными видами патогенов или сапротрофов. Например, томат не поражается возбудителями головнёвых болезней злаков, огурец не поражается килой капустных, перец возбудителем парши яблони и т.д.
Иммунитет может быть врождённым или приобретённым. Врождённый, или естественный, иммунитет контролируется генетически и передается по наследству. Он может быть пассивным или активным. Пассивный иммунитет определяется конституциональными особенностями только растения и не зависит от особенностей . Факторы пассивного иммунитета подразделяются на две группы:
Приобретённый, или искусственный, иммунитет проявляется в процессе онтогенеза, не закрепляется в потомстве и действует в течение одного, реже — нескольких вегетационных периодов. Для формирования приобретённого иммунитета к инфекционному заболеванию растения обрабатывают биологическими и химическими иммунизаторами. При биологической иммунизации обработку осуществляют ослабленными культурами патогенов (вакцинация) или их метаболитами. Например, растения томата, заражённые слабопатогенным штаммом ВТМ, в дальнейшем не поражаются более агрессивными штаммами этого вируса.
Химическая иммунизация, как один из приёмов профилактики заболеваний, основана на использовании веществ, называемых индукторами устойчивости, или иммуномодуляторами.
Они способны активизировать протекание защитных реакций. Таким эффектом обладают некоторые системные , производные фенола, хитозам и пр. К зарегистрированным иммуномодуляторам относят также препараты Нарцисс, Иммуноцитофит и др.
Основатель учения об иммунитете растений Н. И. Вавилов, положивший начало изучению его генетической природы, считал, что устойчивость растений к возбудителям болезней выработалась в процессе тысячелетней эволюции в центрах происхождения. В случае приобретения растениями генов устойчивости возбудители могли поражать растения благодаря появлению новых физиологических рас, возникающих в результате гибридизации, мутации, гетерокариозиса и других процессов. Внутри популяции микроорганизма возможны сдвиги численности рас в связи с изменением сортового состава растений того или иного района. Появление новых рас возбудителя может быть связано с потерей устойчивости сорта, некогда устойчивого к данному патогену.
По данным Д. Т. Страхова, в тканях, устойчивых к болезням растений, происходят регрессивные изменения патогенных микроорганизмов, связанные с действием ферментов растений, его обменными реакциями.
Б. А. Рубин с сотрудниками связывал реакцию растений, направленную на инактивацию возбудителя болезни и его токсинов, с деятельностью окислительных систем и энергетическим обменом клетки. Разнообразные ферменты растений характеризуются разной устойчивостью к продуктам жизнедеятельности патогенных микроорганизмов. У иммунных форм растений доля участия ферментов, устойчивых к метаболитам патогенов, выше, чем у неиммунных. Наиболее устойчивы к воздействию метаболитов окислительные системы (цероксидазы и полифенолоксидазы), а также ряд флавоновых ферментов.
У растений, как и у беспозвоночных животных, не доказана способность вырабатывать антитела в ответ на появление в организме антигенов. Только у позвоночных имеются специальные органы, клетки которых вырабатывают антитела. В инфицированных тканях иммунных растений образуются полноценные в функциональном отношении органоиды, обусловливающие присущую иммунным формам растений способность повышать при инфекции энергетическую эффективность дыхания. Нарушение дыхания, вызываемое болезнетворными агентами, сопровождается образованием различных соединений, выполняющих роль своеобразных химических барьеров, препятствующих распространению инфекции.
Характер ответных реакций растений на повреждения вредителями (образование химических, механических и ростовых барьеров, способность к регенерации поврежденных тканей, замена утраченных органов) играет важную роль в иммунитете растений к насекомым-вредителям. Так, ряд метаболитов (алкалоиды, гликозиды, терпены, сапонины и др.) оказывают токсическое действие на пищеварительный аппарат, эндокринную и другие системы насекомых и прочих вредителей растений.
В селекции растений на устойчивость к заболеваниям и вредителям большое значение имеет гибридизация (внутривидовая, межвидовая и даже межродовая). На основе автополиплоидов получают гибриды между разнохромосомными видами. Подобные полиплоиды созданы, например, М. Ф. Терновским при выведении сортов табака, устойчивых к мучнистой росе. Для создания устойчивых сортов можно использовать искусственный мутагенез, а у перекрестноопыляемых растений - отбор среди гетерозиготных популяций. Так Л. А. Ждановым и В. С. Пустовойтом были получены сорта подсолнечника, устойчивые к заразихе.
Для длительного сохранения устойчивости сортов предложены следующие способы:
Создание многолинейных сортов путем скрещивания хозяйственно ценных форм с сортами, несущими разные гены устойчивости, благодаря чему у полученных гибридов не могут накопиться в достаточном количестве новые расы патогенов;
Сочетание в одном сорте R-генов с генами полевой устойчивости;
Периодическая смена сортового состава в хозяйстве, что приводит к повышению устойчивости.
В последние годы развитие растениеводства в нашей стране было сопряжено с рядом негативных процессов, связанных с загрязнением окружающей среды и растениеводческой продукции ксенобиотиками, высокими экономическими и энергетическими затратами. Максимальное использование биологического потенциала сельскохозяйственных культур может стать одним из альтернативных путей развития агрономического сектора сельскохозяйственного производства. Определенные надежды в этом отношении связывают с генной инженерией - комплексом методологических подходов, позволяющих изменять конструкцию генома растения путем переноса в него чужеродных генов, что дает возможность получать новые формы растений, значительно расширить процесс манипуляции с геномом растения и сократить временные затраты на получение новых сортов сельскохозяйственных культур. В последнее время методы создания трансгенных растений начинают использовать для получения растений, устойчивых к вирусным, грибным и бактериальным болезням, а также к некоторым вредителям (колорадскому жуку, кукурузному стеблевому мотыльку, хлопковым моли и совке, табачной листовертке и др.). По своим методам и объектам данное направление резко отличается от традиционной селекции на иммунитет растений, но преследует ту же цель - создание форм, обладающих высокой устойчивостью к вредным организмам.
Блестящее обоснование роли устойчивых сортов в защите растений дано Н. И. Вавиловым, который писал, что среди мер защиты растений от разнообразных заболеваний, вызываемых паразитическими грибами, бактериями, вирусами, а также различными насекомыми, наиболее радикальным средством борьбы является введение в культуру иммунных сортов или создание таковых путем скрещивания. В отношении хлебных злаков, занимающих три четверти всей посевной территории, замена восприимчивых сортов устойчивыми формами, по существу, является наиболее доступным способом в борьбе с такими инфекциями, как ржавчина, мучнистая роса, пыльная головня пшеницы, различные фузариозы, пятнистости.
Отечественный и мировой опыт ведения сельского хозяйства показывает, что защита растений должна базироваться на комплексных (интегрированных) системах мероприятий, основа которых - наличие устойчивых к болезням и вредителям сортов сельскохозяйственных культур.
В последующих главах будут рассмотрены основные закономерности, определяющие наличие у растений признаков устойчивости, пути их эффективного использования в процессе селекции, способы придания растениям индуцированного иммунитета.
1. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ УЧЕНИЯ ОБ ИММУНИТЕТЕ РАСТЕНИЙ.
Представления об иммунитете стали складываться уже в глубокой древности. По свидетельству исторических хроник древней Индии, Китая и Египта, еще за много веков до нашей эры население Земли страдало от эпидемий. Наблюдая за их возникновением и развитием, люди приходили к выводу, что далеко не каждый человек подвержен воздействию болезни и что однажды переболевший какой-либо из этих страшных болезней не заболевает ею вторично.
К середине II в. до н. э. представление о неповторяемости заболевания человека такими болезнями, как чума и другие, становится общепринятым. Тогда же для ухода за больными чумой начали широко использовать переболевших ею. Логично предположить, что именно на данном этапе развития человеческого общества на основании данных, полученных при наблюдении за распространением эпидемиологических заболеваний, возникла иммунология. С самого начала своего развития она стремилась использовать собранные наблюдения для практической защиты населения от заразных болезней. На протяжении многих веков для предохранения людей от оспы тем или иным путем осуществляли преднамеренное заражение этим заболеванием, после чего организм становился невосприимчивым к нему. Так были разработаны способы получения иммунитета к этому заболеванию. Однако при широком применении таких способов были выявлены его основные недостатки, заключающиеся в том, что у многих из привитых оспа протекала в тяжелой форме, нередко со смертельным исходом. Кроме того, привитые часто становились источником инфекции и способствовали поддержанию эпидемии оспы. Однако несмотря на очевидные недостатки, способ преднамеренного заражения наглядно доказал возможность искусственного приобретения иммунитета посредством перенесения заболевания в легкой форме.
Эпохальное значение в развитии иммунитета имела работа английского врача Эдуарда Дженнера (1798), в которой он подытожил результаты 25-летних наблюдений и показал возможность прививок коровьей оспы людям и приобретения ими иммунитета к аналогичному заболеванию человека. Прививки эти получили название вакцинации (от лат. vaccinus - коровий). Работа Дженнера была выдающимся достижением практики, но без объяснения причины (этиологии) инфекционных заболеваний она не могла способствовать дальнейшему развитию иммунологии. И лишь классические работы Луи Пастера (1879), вскрывшие причины инфекционных болезней, позволили по-новому взглянуть на результаты Дженнера и по достоинству оценить их, что оказало влияние как на последующее развитие иммунологии, так и на работы самого Пастера, предложившего использовать ослабленных возбудителей болезней для вакцинации. Открытия Пастера заложили фундамент экспериментальной иммунологии.
Выдающийся вклад в науку об иммунитете внес русский ученый И. И. Мечников (1845-1916). Его труды легли в основу теории иммунитета. Как автору фагоцитарной теории защиты организма животного и человека от патогенов И. И. Мечникову в 1908 г. была присуждена Нобелевская премия. Сущность этой теории заключается в том, что все животные организмы (от амебы до человека включительно) обладают способностью с помощью особых клеток - фагоцитов - активно захватывать и внутриклеточно переваривать микроорганизмы. Используя кровеносную систему, фагоциты активно передвигаются внутри живых тканей и концентрируются в местах проникновения микробов. В настоящее время установлено, что животные организмы осуществляют защиту от микробов с помощью не только фагоцитов, но и специфических антител, интерферона и т. д.
Значительный вклад в развитие иммунологии внесли работы Н. Ф. Гамалея (1859-1949) и Д. К. Заболотного (1866-1929).
Несмотря на успешное развитие учения об иммунитете животных, представления об иммунитете растений развивались чрезвычайно медленно. Одним из основоположников иммунитета растений был австралийский исследователь Кобб - автор теории о механической защите растений от возбудителей болезней. К механическим защитным приспособлениям автор относил такие особенности растения, как утолщенная кутикула, своеобразное строение цветков, способность к быстрому образованию на месте повреждения наружных тканей раневой перидермы и др. Впоследствии такой способ защиты получил название пассивного иммунитета. Однако механическая теория не могла исчерпывающе объяснить такое сложное многообразное явление, как иммунитет.
Очередная теория иммунитета, предложенная итальянским ученым Комесом (1900), основана на том, что иммунитет растений зависит от кислотности клеточного сока и содержания в нем Сахаров. Чем выше содержание органических кислот, дубильных веществ и антоцианов в клеточном соке растений того или иного сорта, тем более он устойчив к поражающим его болезням. Сорта с высоким содержанием Сахаров и относительно малым кислот и дубильных веществ более восприимчивы к болезням. Так, у устойчивых к милдью и мучнистой росе сортов винограда кислотность (% сухого вещества) составляет 6,2...10,3, а у восприимчивых - от 0,5...1,9. Однако теория Комеса не универсальна и не может объяснить все случаи проявления иммунитета. Так, изучение многих разновидностей пшеницы и ржи, обладающих неодинаковой восприимчивостью к ржавчине и головне, не выявило четкой корреляции между иммунитетом и содержанием кислот в тканях листьев. Аналогичные результаты были получены и для многих других культурных растений и их патогенов.
В начале XX в. появились новые гипотезы, авторы которых пытались объяснить причины иммунитета растений. Так, английский исследователь Масси предложил хемотропическую теорию, согласно которой иммунитетом обладают такие растения, в которых отсутствуют вещества, необходимые для привлечения паразитов. Исследуя возбудителей болезней огурца и томата, он показал, что сок восприимчивых сортов способствовал прорастанию спор патогенов, в то время как сок устойчивых сортов тормозил этот процесс. Хемотропическая теория подверглась серьезной критике со стороны ряда исследователей. Наиболее обстоятельную критику этой теории дал Н. И. Вавилов, который считал маловероятным, что клеточный сок, содержащийся в вакуолях, мог дистанционно действовать на гифы грибов и что некоторые вещества, выделяемые из тканей наружу, нельзя отождествлять с клеточным соком, полученным при отжимании субстратов, на которых выращивали гриб.
Защита растений от болезней путем создания и возделывания устойчивых сортов известна с глубокой древности. Стихийно проводившийся в местах, благоприятных для развития возбудителей определенных болезней, искусственный отбор на устойчивость к ним привел к созданию сортов сельскохозяйственных растений, обладающих повышенной устойчивостью к этим заболеваниям. Стихийные бедствия, вызванные распространением особо опасных заболеваний (ржавчина зерновых, фитофтороз картофеля, оидиум и милдью винограда), стимулировали зарождение научно обоснованной селекции растений на иммунитет к заболеваниям. В 1911 г. состоялся I съезд по селекции, где с обобщающим докладом «О значении селекции в деле борьбы с грибными заболевани-ями культурных растений» выступил А. А. Ячевский (1863-1932). Приведенные в докладе данные свидетельствовали о том, что успешная работа по созданию устойчивых к болезням сортов невозможна без разработки теории иммунитета растений к инфекционным заболеваниям.
В нашей стране основоположником учения об иммунитете растений является Н. И. Вавилов. Первые его работы по иммунитету растений были опубликованы в 1913 и 1918 гг., а монография «Иммунитет растений к инфекционным болезням», вышедшая в 1919 г., была первой попыткой широкого обобщения и теоретического обоснования всего материала, накопившегося к тому времени в области изучения иммунитета. В эти же годы появились работы Н. И. Литвинова (1912) по оценке устойчивости хлебных злаков к ржавчине и Е. Н. Ирецкой (1912) о методах селекции злаков на ржавчиноустойчивость. Однако эти работы остались лишь эпизодами в научной деятельности авторов.
Работы Н. И. Вавилова «Учение об иммунитете растений к инфекционным заболеваниям» (1935), доклады на I Всесоюзной конференции по борьбе с ржавчиной хлебных злаков в 1937 г. и на Биологическом отделении АН СССР в 1940 г., ряд его статей и выступлений в разное время сыграли огромную роль в развитии теоретических представлений о генетических особенностях растений как решающих факторах, определяющих сортовую и видовую устойчивость. Н. И. Вавилов обосновал положение о том, что иммунитет растений неразрывно связан с их генетическими особенностями. Поэтому основной задачей селекции на устойчивость Н. И. Вавилов считал поиски видовых различий растений по признаку иммунитета. Собранная им и сотрудниками ВИР мировая коллекция сортов культурных растений до сих пор служит источником получения иммунных форм. Большое значение в поиске иммунных форм растений имеет его концепция о параллельной биологической эволюции растений и их патогенов, получившая впоследствии развитие в теории сопряженной эволюции паразитов и их хозяев, разработанной П.М.Жуковским (1888-1975). Закономерности проявления иммунитета, определяющиеся результатом взаимодействия растения и возбудителя, Н. И. Вавилов относил к области физиологического иммунитета.
Начатая Н. И. Вавиловым разработка теоретических вопросов учения об иммунитете растений была продолжена в нашей стране и в последующие годы. Исследования велись в различных направлениях, что нашло свое отражение в разных объяснениях природы иммунитета растений. Так, гипотеза Б. А. Рубина, основанная на учении А. Н. Баха, связывает устойчивость растений к инфекционным заболеваниям с деятельностью окислительных систем растений, главным образом пероксидаз, а также ряда флавоновых ферментов. Активизация окислительных систем растений приводит, с одной стороны, к повышению энергетической эффективности дыхания, а с другой - к нарушению нормального его хода, что сопровождается образованием различных соединений, играющих роль химических барьеров. В разработке этой гипотезы участвовали также Е. А. Арциховская, В. А. Аксенова и др.
Фитонцидная теория, разработанная в 1928 г. Б. П. Токиным на основе открытия у растений бактерицидных веществ - фитонцидов, развивалась Д. Д. Вердеревским (1904-1974), а также сотрудниками Молдавской станции защиты растений и Кишиневского сельскохозяйственного института (1944- 1976).
В 80-х годах прошлого столетия Л. В. Метлицким, О. Л. Озе-рецковской и др. разрабатывалась теория иммунитета, связанная с образованием у растений особых веществ - фитоалексинов, возникающих в ответ на заражение их несовместимыми видами или расами патогенов. Ими был открыт новый фитоалексин картофеля - любимин.
Ряд интересных положений теории иммунитета развивали К. Т. Сухорукое, работавший в Главном ботаническом саду АН СССР, а также группа сотрудников под руководством Л. Н. Андреева, занимающаяся разработкой различных сторон учения об иммунитете растений к ржавчинным болезням, пероноспорозу и вертициллезному увяданию.
В 1935г. Т.И.Федотова (ВИЗР) впервые обнаружила сродство белков хозяина и патогена. Все перечисленные ранее гипотезы о природе иммунитета растений связывали его лишь с одним или группой близких защитных свойств растений. Однако еще Н. И. Вавилов подчеркивал, что природа иммунитета сложна и не может быть связана с какой-либо одной группой факторов, ибо слишком разнообразен характер взаимоотношений растений с разными категориями патогенов.
В первой половине XX в. в нашей стране проводили лишь оценку устойчивости сортов и видов растений к болезням и паразитам (зерновых культур к ржавчине и головне, подсолнечника к заразихе и др.). Позднее начали вести селекцию на иммунитет. Так появились выведенные Е. М. Плучек сорта подсолнечника (Саратовский 169 и др.), устойчивые к заразихе (Orobanche ситапа) расы А и подсолнечниковой моли. Проблема борьбы с заразихой расы Б «Злой» была на долгие годы снята благодаря работам В. С. Пустовойта, создавшего серию сортов, устойчивых к заразихе и моли. В. С. Пустовойт разработал систему семеноводства, позволяющую длительное время поддерживать устойчивость подсолнечника на должном уровне. В этот же период были созданы сорта овса, устойчивые к корончатой ржавчине (Верхнячский 339, Льговский и др.), сохранившие устойчивость к данному заболеванию до настоящего времени. С середины 1930-х годов П. П. Лукьяненко и др. начали селекцию на устойчивость пшениц к бурой ржавчине, М. Ф. Терновский приступил к работе по созданию сортов табака, устойчивых к комплексу болезней. Используя межвидовую гибридизацию, он вывел сорта табака, устойчивые к табачной мозаике, мучнистой росе и пероноспорозу. Успешно велась селекция на иммунитет сахарной свеклы к ряду болезней.
Получены сорта, устойчивые к мучнистой росе (Гибрид 18, Киргизская односемянка и др.), церкоспорозу (Первомайский полигибрид, Кубанский полигибрид 9), пероноспорозу (МО 80, МО 70), корнееду и кагатной гнили (Верхнеячская 031, Белоцерковская ЦГ 19).
По селекции льна на иммунитет успешно работали А. Р. Рогаш и др. Были созданы сорта П 39, Оршанский 2, Тверца с повышенной устойчивостью к фузариозу, ржавчине.
В середине 30-х годов К. Н. Яцыниной были получены сорта томата, устойчивые к бактериальному раку.
Ряд интересных и важных работ по созданию сортов овощных культур, устойчивых к киле и сосудистому бактериозу, проводились под руководством Б. В. Квасникова и Н. И. Каргановой.
С переменными успехами велась селекция хлопчатника на иммунитет к вертициллезному увяданию. Выведенный в середине 30-х годов прошлого века сорт 108 ф сохранял устойчивость около 30 лет, но затем утратил ее. Заменившие его сорта серии Ташкент также стали терять устойчивость к вилту в связи с возникновением новых рас Verticillium dahliae (0, 1, 2 и др.).
В 1973 г. было принято решение о создании в селекционных центрах и институтах защиты растений лабораторий и отделов по иммунитету растений к болезням и вредителям. Важную роль в поисках источников устойчивости сыграл Институт растениеводства им. Н. И. Вавилова. Мировые коллекции образцов культурных растений, собранные в этом институте, до сих пор служат фондом доноров устойчивости различных культур, необходимых для селекции на иммунитет.
После открытия Е. Стекманом физиологических рас у возбудителя стеблевой ржавчины злаков аналогичные работы были развернуты и в нашей стране. С 1930 г. в ВИЗР (В. Ф. Рашевс-кая и др.), Московской сельскохозяйственной опытной станции (А. Н. Бухгейм и др.), Всесоюзном селекционно-генетическом институте (Э. Э. Гешеле) начали изучение физиологических рас бурой и стеблевой ржавчин, головни. В послевоенные годы этой проблемой стал заниматься ВНИИ фитопатологии. Еще в 1930-е годы А. С. Бурменковым с помощью стандартного набора сортов-дифференциаторов была показана неоднородность рас ржавчинных грибов. В последующие, особенно в 60-е годы, эти работы стали интенсивно развиваться (А. А. Воронкова, М. П. Лесовой и др.), что позволило вскрыть причины потери некоторыми сортами устойчивости при казалось бы неизменном расовом составе гриба. Так, было выявлено, что раса 77 возбудителя бурой ржавчины пшеницы, преобладающая в 70-е годы XX в. на Северном Кавказе и на юге Украины, состоит из серии различающихся по вирулентности биотипов, формирующихся не на пшенице, а на восприимчивых злаках. Исследования рас головневых грибов, начатые в ВИЗР С. П. Зыбиной и Л. С. Гутнер, а также К. Е. Мурашкинским в Омске, были продолжены в ВИР В.И.Кривченко, а по пыльной головне пшеницы - Л. Ф.Тымченко в Институте сельского хозяйства Нечерноземной зоны.
Изучением рас Phytophthora infestans весьма продуктивно занимались Н. А. Дорожкин, 3. И. Ремнева, Ю. В. Воробьева, К. В. Попкова. В 1973 г. Ю.Т.Дьяков совместно с Т. А. Кузовниковой и др. обнаружили явление гетерокариозиса и парасексуального процесса у Ph. infestans, позволяющее в какой-то мере объяснить механизм изменчивости этого гриба.
В 1962 г. П.АХижняк и В.И. Яковлева обнаружили агрессивные расы возбудителя рака картофеля Synchythrium endobioticum. Было установлено, что на территории нашей страны распространены не менее трех рас S. endobioticum, поражающих сорта картофеля, устойчивые к обыкновенной расе.
В конце 70-х - начале 80-х годов прошлого столетия изучением физиологических рас гриба Verticillium dahliae занимался А. Г. Касьяненко, Cladosporium fulvum - Л. М. Левкина, возбудителя мучнистой росы пшеницы - М. Н. Родигин и др., пероноспороза табака - А. А. Бабаян.
Таким образом, изучение иммунитета растений к инфекционным болезням велось в нашей стране по трем основным направлениям:
Изучение расообразования патогенов и анализ структуры популяций. Это привело к необходимости исследования популяци-онного состава внутри видов, подвижности популяции, закономерностей появления, исчезновения или перегруппировки отдельных членов популяции. Возникло учение о расах: учет рас, прогноз и закономерности появления одних рас и (или) исчезновения других;
оценка устойчивости к болезням имеющихся сортов, поиск доноров устойчивости и, наконец, создание устойчивых сортов.
Врожденный, или естественный, иммунитет -это свойство растений не поражаться (не повреждаться) той или иной болезнью (вредителем). Врожденный иммунитет передается по наследству из поколения в поколение.
В пределах врожденного различают пассивный и активный иммунитет. Однако результаты многочисленных исследований приводят к выводу, что деление иммунитета растений на активный и пассивный очень условно. В свое время это подчеркивал Н.И. Вавилов (1935).
Повышение устойчивости растений под влиянием внешних факторов, протекающее без изменения генома, получило название приобретенной или индуцированной устойчивости. Факторы, воздействие которых на семена или растения приводит к повышению устойчивости растений, называются индукторами.
Приобретенный иммунитет - это свойство растений не поражаться тем или иным возбудителем болезни, возникшее у растений после перенесения заболевания или под влиянием внешних воздействий, особенно условий возделывания растений.
Устойчивость растений можно повысить различными приемами: внесением микроудобрений, изменением сроков посадки (посева), глубины заделки семян и т. д. Методы обретения устойчивости зависят от вида индукторов, которые могут быть биотической или абиотической природы. Приемы, способствующие проявлению приобретенной устойчивости, широко используют в практике сельского хозяйства. Так, устойчивость зерновых культур к корневым гнилям можно повысить, высевая яровые зерновые в оптимальные ранние, а озимые зерновые культуры в оптимально поздние сроки; устойчивость пшеницы к твердой головне, поражающей растения при прорастании семян, можно повысить, соблюдая оптимальные сроки посева.
Иммунитет растений может быть обусловлен неспособностью возбудителя вызывать заражение растений данного вида. Так, зерновые культуры не поражаются фитофторозом и паршой картофеля, капуста - головневыми болезнями, картофель - ржавчинными болезнями зерновых культур и т. д. В данном случае иммунитет проявляется видом растений в целом. Иммунитет, основанный на неспособности возбудителей вызывать заражение растений определенного вида, называется неспецифическим.
В некоторых случаях иммунитет может проявляться не видом растений в целом, а лишь отдельным сортом в пределах этого вида. В таком случае одни сорта иммунны и не поражаются болез-^/нью, другие - восприимчивы и поражаются ей в сильной степени. Так, возбудитель рака картофеля Synchytrium endobioticum поражает вид Solanum, однако внутри него есть сорта (Камераз, Стойловый 19 и др.), которые не поражаются этой болезнью. Такой г иммунитет называют сортовым специфическим. Он имеет 1 большое значение при выведении устойчивых сортов сельскохозяйственных растений.
В ряде случаев растения могут обладать иммунитетом к возбудителям разных болезней. Например, сорт озимой пшеницы может быть иммунным к возбудителю и мучнистой росы, и бурой стеблевой ржавчины. Устойчивость сорта или вида растений к нескольким возбудителям называется комплексным или групповым иммунитетом. Создание сортов с комплексным иммунитетом - наиболее перспективный путь снижения потерь сельскохозяйственных культур от болезней. Например, пшеница Triticum timopheevi обладает иммунитетом к головне, ржавчине, мучнистой росе. Известны сорта табака, устойчивые к вирусу табачной мозаики и возбудителю ложной мучнистой росы. Районированием таких сортов в производстве удается решить проблему защиты той или иной культуры от основных болезней.