В последние годы все больше внимания уделяется развитию устойчивых и экологически безопасных методов борьбы с патогенными бактериями в сельском хозяйстве. Среди инновационных подходов особое место занимает использование бактериофагов – специализированных вирусов, которые естественным образом уничтожают определённые бактериальные штаммы.
Благодаря высокой специфичности и минимальному воздействию на окружающую среду, бактериофаги рассматриваются как перспективная альтернатива антибиотикам и химическим средствам защиты растений. В данной статье мы рассмотрим механизмы действия бактериофагов, их роль в контроле патогенных бактерий и перспективы внедрения фаговой терапии в сельскохозяйственную практику.
Как специализированные вирусы контролируют патогенные бактерии, рассказала Анастасия Эдуардовна Лигай, генеральный директор Green&Co в ходе вебинара на тему «Вирусы против бактерий: как бактериофаги помогают в растениеводстве» на платформе «Свое фермерство».
Из статьи вы узнаете:
- Специализированные вирусы используются для контроля патогенных бактерий в почве.
- Селективные фаги действуют только на целевые микроорганизмы, не нарушая почвенную микрофлору.
- Биобезопасность обеспечивается высокой специфичностью действия бактериофагов.
Проблема бактериальных заболеваний
В современном растениеводстве очень остро стоит проблема защиты сельскохозяйственных культур от бактериальных патогенов. Традиционные методы борьбы с бактериальными заболеваниями сталкиваются с рядом серьезных ограничений:
- экологический ущерб;
- проблема резистентности;
- снижение качества сельхозпродукции.
Бактериальные патогены имеют свойство к генетическим мутациям, поэтому борьба с ними, к сожалению, затруднена, тем самым, что генетический материал постоянно меняется, из-за этого подобрать определенный тип химической борьбы очень тяжело. Вопрос стоит настолько остро, что в связи с изменением климата возникает часто и практически у всех,
- сказала Анастасия Лигай.
При борьбе с любыми заболеваниями любой препарат, который используется сейчас на территории Российской Федерации, обязан пройти оценку воздействия на окружающую среду. Однако, все равно при применении препарата могут использоваться ненормированные дозировки. Излишки препарата накапливаются и влияют не только на растительную зеленую биомассу, но и на качество почвы. Речь идет о накоплении тяжелых металлов, изменении pH. Это эрозии, в том числе те, которые связаны с изменением морфологических структур.
Агрохимикаты и пестициды могут влиять, в том числе, и на морфологию почвы. Поэтому вопрос применения против бактериальных заболеваний бактериофагов особенно актуален именно в случае, если мы говорим о воздействии на окружающую среду,
- пояснила эксперт.
Химические препараты часто неэффективны и малоспецифичны, так как бактериальные заболевания любых сельхозкультур вызываются живыми организмами, у которых есть свой генетический материал. Ему свойственно меняться и мутировать в процессе развития организма, будь это микроорганизм, вирус или другие типы.
Например, если один препарат подействовал на данную бактериальную палочку или КОК, то может случиться так, что через месяц данный препарат не подействует. Но при этом он будет накапливаться как в растительной биомассе, так и в почве. Поэтому можно говорить об актуальности применения бактериофагов в растениеводстве.
Фаговый фитоконтроль
Под фаговым биоконтролем подразумевается использование живых организмов – специфических хищников и паразитов – для подавления популяций вредителей в сельскохозяйственных угодьях. Однако следует иметь ввиду, что фаговый фитоконтроль – не панацея против всех патогенов.
Строение и классификация бактериофага
На картинке представлено схематичное строение бактериофага, как обычно его изображают в учебниках по молекулярной биологии или в школьных учебниках.
Бактериофаг состоит из белковой оболочки и генетического материала (ДНК или РНК). Он имеет характерную структуру: голову и отросток. Размеры варьируются от 20 до 200 нанометров.
Классификация бактериофагов по специфичности
- Полифаги поражают родственные виды бактерий.
- Монофаги воздействуют на бактерии одного вида.
- Типовые фаги лизируют определенные типы бактерий внутри вида.
Когда бактериофаг внедряется генетический материал, содержащийся у него в генетическом капсиде, начинает копироваться и, размножаясь, вызывает угнетение популяции того или иного патогена. Бактериофаги – нетаксономическая группа вирусов, заражающих бактериальные клетки.
- сказала Анастасия Лигай.
Классификация фагов. Источник: презентация А.Э. Лигай
По сравнению с вирусами человека и животных бактериофаги более устойчивы к действию физических и химических факторов. Они хорошо переносят высушивание и замораживание, длительно сохраняются при низких температурах (минус 195С), сохраняют активность в широком диапазоне рН (2,5-8,5).
Большинство бактериофагов инактивируется при температуре выше 65-70С. Ультрафиолетовое и ионизирующее излучения снижают адсорбационную способность фага и его патогенность.
Ультрафиолетовый солнечный свет и ионизирующий режим действительно снижают адсорбционную способность фага. И это одно из приоритетных направлений изучения и усовершенствования продукции из бактериофагов. На данный момент над этим работают ученые в США,
- пояснила эксперт.
Биологические свойства бактериофагов
- Паразитизм
Бактериофаги являются облигатными внутриклеточными паразитами. - Внутриклеточное размножение
Они размножаются исключительно внутри бактериальных клеток. - Клеточный лизис
Бактериофаги вызывают разрушение инфицированных клеток. - Специфичность
Они обладают строгой специфичностью к определенным видам бактерий.
Это свойство используется учёными для разработки мультифункциональных бактериофагов или смеси бактериофагов для того, чтобы более точно влиять на то или иное заболевание. Так как многие бактериальные заболевания, сложно определяемые или сложно излечимые, как правило, вызываются не одним видом бактерий, а несколькими.
В борьбе с такими заболеваниями учёные пытаются выделить мультифакторные или мультикомплексные смеси бактериофагов,
- сказала Анастасия Лигай.
Экологическая роль бактериофагов
- Участвуют в регуляции численности бактериальных популяций.
- Влияют на эволюцию микроорганизмов.
- Участвуют в круговороте веществ в природе.
- Осуществляют горизонтальный перенос генов между бактериями.
В природных условиях бактериофаги встречаются везде, где присутствуют чувствительные к ним бактерии, причем их численность может в 2-10 раз превышать количество бактериальных клеток в некоторых экосистемах.
Механизм действия бактериофагов
- Адсорбция на поверхности.
Они не могут проникнуть в бактерию или разрушить бактериальную клетку без процесса адсорбции. - Проникновение внутрь клетки.
- Стремительное размножение внутри клетки.
- Разрушение (лизис) клетки.
При разрушении поражаются вредоносные клетки, которые вызывают определенные типы бактериальных заболеваний растений.
Преимущества и ограничения применения бактериофагов
Если мы говорим о преимуществах применения, то на первом месте стоит экологическая безопасность, в отличие от пестицидов и других методов борьбы, не важно, органических или неорганических,
- отметила эксперт.
Преимущества применения бактериофагов
- Экологическая безопасность.
- Высокая специфичность действия.
- Отсутствие токсичности у растений.
- Способность к размножению.
- Эффективность против антибиотикорезистентных штаммов.
Основные ограничения применения бактериофагов
Биологические ограничения
- Специфичность действия:
- необходимость точного определения целевого патогена;
- эффективность только против конкретных штаммов бактерий;
- возможное отстутствие эффекта при смене штамма возбудителя. - Адаптация бактерий:
- развитие устойчивости бактерий к фагам;
- формирование защитных механизмов у патогенов;
- снижение эффективности при длительном применении.
Технологические ограничения
- Условия применения
- чувствительность к температурным режимам;
- зависимость от влажности окружающей среды;
- влияние ультрафиолетового излучения. - Производственные сложности
- сложность массового производства;
- необходимость поддержания чистоты культуры;
- проблемы с сохранением активности.
На всех препаратах, которые уже разработаны и участвуют в сельском хозяйстве, стоят лейблы и прописаны указания. Производители указывают, что при солнечном свете возможно разрушение и снижение активности бактериофагов,
- отметила Анастасия Лигай.
Экономические ограничения
- Стоимость производства
- высокие затраты на разработку препаратов;
- дороговизна масштабирования производства;
- необходимость постоянного обновления штаммов. - Логистические проблемы
- особые условия хранения;
- сложные требования к транспортировке;
- короткий срок годности некоторых препаратов.
В практических ограничениях есть две группы больших проблем. Это сложность в применении и ограниченная эффективность,
- сказала ученая.
Практические ограничения
- Сложность применения
- необходимость точного соблюдения инструкций;
- зависимость от погодных условий;
- ограничения по времени обработки. - Ограниченная эффективность
- невозможность полного замещения химических средств;
- необходимость комбинированного применения;
- вариабельность результатов в разных условиях.
Мы не умаляем действие пестицидов, только комплексное воздействие на патогены дает результат,
- подчеркнула Анастасия Лигай.
В регуляторных аспектах выделяют две важные проблемы. Это нормативное регулирование и сертификационные требования.
Если углубиться в нормативное регулирование, то это сложность регистрации препарата, потому что препараты на основе бактериофагов это все-таки и не микробиологический препарат и не химический. Необходимость качественных и точных испытаний, которые должны проводиться долго. При этом есть различия в регламентации по регионам.
Сертификационные требования подразумевают строгие требования к экологической безопасности. Также необходим постоянный контроль качества. Отдельным аспектом выступает сложность стандартизации препаратов.
Методы обработки бактериофагами
К основным способам применения относится 1) проливание и опрыскивание, которые подразумевают обработку поверхности растений, внесение в почву, орошение культур и обработку семян перед посевом. 2) Локальное применение включает точное нанесение на пораженные участки, обработка мест повреждений и инъекции в ткани растений.
Также выделяют 3) системное применение, а именно добавление в поливную воду, обработка корневой системы и внесение в питательный раствор при гидропонике.
Если мы говорим о технологических методах нанесения, то здесь выделяют 1) аэрозольное распыление, соответственно, использование специальных распылителей; беспропеллентные аэрозольные установки и мелкодисперсное распыление. 2) Капельное нанесение включает точечное нанесение растворов, использование пипеток и дозаторов; автоматизированные системы. Если мы говорим о 3) погружении, то это замачивание семян перед посадкой и обработка рассады, окунание или вымачивание корней,
-
Особенности применения бактериофагов
- Предварительная подготовка включает проверку прозрачности препарата, соблюдение температурного режима и учет погодных условий.
- Условия эффективности базируются на достижении оптимальной влажности, отсутствии прямых солнечных лучей и соблюдении дозировок.
- Периодичность обработки подразумевает профилактические обработки или лечебные курсы. Допускаются повторные обработки при необходимости.
Если вы держите в руках любой препарат, неважно это химикат или что-то другое, обязательно читайте инструкцию, соблюдайте дозировки. Более того, всегда относитесь внимательно и понимайте, что агрохимические условия ваших почв, вашей природной климатической зоны очень сильно влияют на работоспособность препарата,
- отметила эксперт.
Рекомендации по применению бактериофагов
Подготовка раствора
- соблюдение пропорций разведения;
- использование чистой воды;
- контроль рН среды.
Время обработки
- учет фазы развития растений;
- оптимальное время суток;
- интервал между обработками.
Контроль качества
- проверка активности препарата;
- мониторинг эффективности;
- оценка состояния после обработки.
Можно сделать пробный участок. Например там, где вы обнаружили то или иное бактериальное заболевание. Проведите эксперимент. Посмотрите, как препарат действует на небольших выделенных участках,
- пояснила Анастасия Лигай.
На картинке показано, как обычно бактериофаг действует на патогенные бактерии, то есть, как происходит адсорбция до обработки и после обработки. После проникновения в клетку происходит биосинтез. Биосинтез – это удвоение. На картинке внутри клетки нарисовано увеличенное количество популяций бактериофагов. Он начинает резко увеличивать популяцию, тем самым подавляя воздействие патогена.
Лизис, то есть растворение или разложение бактериальной клетки и, соответственно, уменьшение патогена. Видно, что после обработки бактериофаги уже находятся везде. Они заполоняют всю корневую систему и почву, защищая растение от патогенов.
Фаговый резервуар – это место, откуда распространяется популяция. Фаговый резервуар может сохраняться в почве при различных условиях: и при заморозках, и при понижении температуры, и тому подобное. А при благоприятных условиях фаговый резервуар выделяет из себя его население, а это те самые бактериофаги, которые начинают свою работу.
Практические результаты демонстрируют снижение поражения растений на 50-90%, а также повышение урожайности. Отмечено успешное применение против бактериальной пятнистости, бактериального ожога и гоммоза хлопчатника. В этих случаях ученые уже изучили эффективность бактериофагов,
- отметила ученая.
Современные разработки в области бактериофагов
Говоря о современных разработках в области бактериофагов, стоит выделить:
- геноинженерию фагов – это создание комбинантных бактериофагов;
- модификацию генома для усиления литического, простыми словами, разлагающего действия (для патогенной клетки);
- разработку мультивалентных фагов, то есть тех, которые имеют в своем составе несколько культур фагов, но при этом воздействуют на один и тот же патоген.
К другим направлениям исследований стоит отнести новые методы производства, которые включают оптимизацию условий культивирования, совершенствование методов очистки и разработку стабильных форм препаратов, которые не вариабельны, а более стабильны и статичны.
Перспективные направления развития бактериофагов в России
Адаптивные системы
- Фаговые библиотеки.
Фаговые библиотеки – это ресурс с огромным количеством бактериофагов. На все возможные заболевания. То есть это сбор и классификация данных, когда любой фермер может найти необходимый препарат: вид заболевания, вид культуры, как работает, где купить. Грубо говоря, как маркетплейс.
Фаговые библиотеки на данный момент не сильно развиты, отчасти это новое направление в науке,
- отметила Анастасия Лигай.
- Быстрое создание препаратов под конкретные штаммы.
Например, есть заболевание, произошла генетическая мутация и нужно срочно подобрать препарат под конкретный штамм.
- Персонализированная защита растений.
Чтобы любой фермер мог выбрать персональный препарат в специально созданном для этого месте. Как работа «под ключ».
Интегрированные решения
- Сочетание с биологическими методами защиты.
- Включение в системы органического земледелия.
- Разработка устойчивых агротехнологий.
Страны и организации, ведущие разработки бактериофагов
США является лидером в данном направлении. На втором месте идет Европа, на третьем месте – Россия и Беларусь. В Грузии также пробуют разрабатывать препараты на основе биотриофагов.
США
Компания Omnilytics занимается разработкой препарата AgriPhage Bactericides, который предназначен для борьбы с бактериальной пятнистостью, бактериальной крапчатостью, бактериальным раком, бактериальным ожогом, бактериальным раком цитрусовых, бактериальной пятнистостью персика, бактериальным раком вишни, бактериальным ожогом миндаля и бактериальным раком грецкого ореха и фундука.
Европа
В Венгрии компания Enviroinvest производит препарат Erwiphage Plus, который борется с бактериальными заболеваниями плодовых культур.
Россия
В РФ есть крупные молекулярно-биологические исследования по основам защите картофеля от пектолитических бактерий с помощью бактериофагов. На сайте Российского научного фонда можно посмотреть, сколько уже есть публикаций, и как проходит проект. Информации довольно много.
Также в России идет полномасштабная разработка методов диагностики борьбы с бактериальными заболеваниями. Создается научная коллекция бактериофагов, идет разработка фаговых коктейлей и изучение механизмов взаимодействия фагов с патогенами растений.
Беларусь
В ГНПО «Химический синтез и биотехнологии» был выпущен препарат Мультифаг-С. Его можно купить, в том числе и в России заказать на озон. Препарат эффективен против бактериального некроза стеблей томата, черной бактериальной пятнистости и мокрой гнили. Препарат снижает пораженность растений на 50-69%, увеличивает урожай на 28-33%, активен против бактерий рода Pseudomonas, Xanthomonas и Dickeya.
Ольга ШУЛЬГА, «ГлавАгроном»