Эколого-генетические риски использования химических средств защиты растений 

 

Химическая защита от сорняков

Основным способом защиты агробиоценозов от сорняков является использование синтетических гербицидов. Хлорорганические гербициды – высокотоксичные агенты. Фосфорорганические гербициды, в частности, фосфинотрицин и глифосат – менее токсичны, обладают системным действием, поэтому они получили широкое распространение.

Фосфинотрицин – это модифицированный продукт метаболизма актиномицетов Streptomyces (S. hygroscopicus, S. viridichromogenus). По химической структуре фосфинотрицин близок к глютамину, это позволяет ему блокировать глютаминсинтетазу. Клетки растений, в которые проникает фосфинотрицин, не могут синтезировать глютамин и погибают. Для самих актиномицетов фосфинотрицин не опасен, поскольку у них имеются фермент (PAT), расщепляющий фосфинотрицин до биологически инертного метаболита N-ацетил-глюфосината. У S. hygroscopicus PAT кодируется геном bar, у S. viridichromogenus – геном pat. Фосфинотрицин и его производные (например, глюфосинат аммония) – основа многих известных гербицидов (Баста®, Биалафос). В настоящее время широко культивируются генно-модифицированные культуры, устойчивые к фосфинотрицину.

Глифосат (ГФ) – N-фосфонометилпроизводное глицина, в котором углерод связан с фосфором. Широкое распространение во всем мире (включая Россию) получили гербициды на основе глифосата: Roundup®, Раундап, Глифос, Ураган, Зеро и другие. ГФ поглощается листьями и распространяется с нисходящим током, поэтому он эффективен против многолетних сорняков: одуванчика лекарственного, мать-и-мачехи, полыни обыкновенной.

В клетках растений ГФ связывается с ферментом EPSPS и тем самым блокирует шикиматный путь биосинтеза трёх ароматических аминокислот (фенилаланина, тирозина и триптофана), а также других важных веществ. При ингибировании EPSPS растение погибает. У прокариот образование хоризмата протекает так же, как и у растений, однако некоторые прокариотические EPSPS имеют строение, отличное от EPSPS растений, и не ингибируются ГФ.

Деградация ГФ осуществляется, в первую очередь, микроорганизмами, у которых имеется фермент GOX глифосат-оксидоредуктаза (например, Achromobacter sp. (str. LBAA), Ochrobactrum anthropi, Bacillus licheniformis). Промежуточные продукты микробиологической деградации глифосата (в первую очередь, аминометилфосфоновая кислота (АМФК), в меньшей степени, N-метил­-АМФК, метилфосфоновая кис­лота (МФК) и N-метилглифосат) – также содержат С-Р-связь. Они менее токсичны, чем сам глифосат, но они более устойчивы.

С-Р-связь расщепляется только С-Р-лиазами I и II некоторых прокариот и низших эукариот. Из-за отсутствия С-Р-лиаз у растений полное окисление ГФ в растительных тканях невозможно, и поэтому происходит накопление ГФ в растениях, а, следовательно, – в сельхозпродуктах и почвах*. 

По сравнению с другими гербицидами, ГФ оказывает незначительное токсическое воздействие на млекопитающих, птиц и насекомых (у животных и человека генезис указанных аминокислот совершенно иной), а риск его попадания в водоёмы невысок из-за малой подвижности в почве. ГФ, как и любой гербицид, оказывает токсичное воздействие на нецелевые виды: в России он относится к третьему (из четырех) классу опасности для человека и пчел.

В то же время, глифосат является селективным агентом по отношению к микроорганизмам: деятельность одних видов он подавляет, а для других видов может служить источником фосфора. В результате изменяется видовая структура почвенных микробоценозов. Некоторые микроорганизмы (Achromobacter sp. str. Km102, Kg16; Acinetobacter sp. str. K7) используют ГФ как источник фосфора, поэтому скорость деструкции ГФ зависит от состава и активности почвенной микрофлоры: период полураспада ГФ варьирует от 3…4 до 150 дней и более.

ГФ может ингибировать не только EPSP-синтазу, но и другие ферменты, в частности, ферменты детоксикационных систем животных и человека. Тем не менее, первоначальные данные о мутагенном и канцерогенном действии ГФ официально не подтвердились.

Поэтому реальная эколого-генетическая опасность ГФ – это возникновение глифосат-резистентных (глифосат-толерантных) физиологических рас сорняков, что заставит применять ГФ чаще и в больших дозах. Известно свыше 20 видов сорных растений, у которых выявлена устойчивость к ГФ. В России такие сорняки обнаружены в популяциях фиалки полевой, незабудки полевой, сурепки обыкновенной.

Механизмы резистентности растений к ГФ до сих пор недостаточно изучены.

Один из наиболее вероятных генетических механизмов – увеличение числа генов, кодирующих фермент EPSPS, тогда увеличивается число молекул данного фермента. При большом числе молекул EPSPS часть из них не ингибируется глифосатом.

Вероятный физиологический механизм глифосат-толерантности – депонирование ГФ в клеточном соке. Однако при пониженных температурах ГФ транспортируется в цитоплазму и вызывает гибель клеток растения из-за недостатка ароматических аминокислот и других важных веществ.

В настоящее время широко культивируются генно-модифицированные культуры (генетически модифицированные растения, ГМР), устойчивые к глифосату (соя, рапс). Для генетической трансформации ГМР, устойчивых к глифосату, используются модифицированные гены прокариот:

cp4 EPSPS – ген модифицированной енолпирувил-шикимат-3-фосфат-синтазы Agrobacterium tumefaciens

goxген глифосатоксидазы Ochrobactrum anthropi

gat4601ген глифосатоксидазы Bacillus licheniformis

*Данная проблема обсуждается

 

Химическая защита от вредителей 

Основным способом химической защиты культурных растений от вредителей является обработка вегетирующих растений разнообразными пестицидами, в частности, инсектицидами. Первые синтетические хлорорганические инсектициды (например, ДДТ) обладали широким биоцидным спектром, сохраняясь в почве и накапливаясь в трофических сетях. Современные инсектициды, как правило, характеризуются узкой направленностью (ядовиты только для определенных групп вредителей), низкой персистентностью (коротким сроком «жизни») и отсутствием биоаккумуляции в трофических сетях. Многие из них обладают системным, трансламинарным и глубинным действием: быстро проникают в защищаемые растения и делают их ядовитыми именно для вредителей. Большая часть современных инсектицидов эффективна против личинок вредителей младших возрастов (ларвицидное действие), что повышает защищенность нецелевых видов, например, опылителей и энтомофагов. Инсектицидные свойства большинства современных препаратов основаны на нарушении механизмов функционирования нервно-мышечных синапсов.

Фосфорорганические соединения (ФОС) – сборная группа веществ, в которых атом фосфора связан с кислородом, серой, фтором или углеродом. ФОС – высокотоксичные соединения широкого спектра действия, многие из них используются в качестве боевых ОВ (зарин, зоман, табун). Существует положительная корреляция между содержанием ФОС в окружающей среде и частотой хромосомных аберраций лимфоцитов у населения. Широко известный хлорсодержащий реагент Хлорофос (разрешен в смеси с перметрином) является канцерогеном, эмбриотератогеном, отрицательно влияет на репродуктивные функции. В связи с высокой токсичностью для нецелевых организмов и человека для использования в личных подсобных хозяйствах запрещены диметоат и диазинон – высокоэффективные инсектициды с системным действием. Разрешены ФОС с глубинным действием: малатион (карбофос) и пиримифосметил; эти же ФОС обладают акарицидным действием. Инсектицидные свойства ФОС обусловлены их способностью к необратимому фосфорилированию остатка серина в активном центре ацетилхолинэстеразы (АХЭ, AChE), что приводит к повышению концентрации ацетилхолина (АХ) в синаптической щели и, как следствие, к гиперактивности и истощению насекомых (подобным действием обладают и карбаматы).

Генетическая специфическая резистентность (устойчивость) членистоногих к ФОС обусловлена наличием мутантной формы AChE-R, которая не ингибируется фосфорорганическими инсектицидами (единичная мутация в гене обеспечивает моногенное наследование резистентности к ФОС). Генетическая неспецифическая резистентность членистоногих к ФОС обеспечивается повышенной активностью карбоксиэстераз (непосредственно связывающих ФОС) и неспецифических эстераз (включая фосфатазы). Разнообразие механизмов резистентности приводит к быстрому появлению ФОС-резистентных биотипов: смертельная концентрация (СК50) ФОС-инсектицидов для целевых организмов  возрастает в десятки раз.

Пиретроиды – инсектициды с широким спектром действия. Некоторые из них обладают канцерогенным и эмбриотоксическим действием, хотя и очень слабым. Инсектицидные свойства пиретроидов основаны на их способности блокировать Na+-каналы пресинаптических мембран. В результате в синаптическую щель выделяется избыток АХ, и (так же, как и при действии ФОС) происходит истощение насекомых. Фумигатные и глубинные свойства пиретроидов позволяют уничтожать личинок всех возрастов и взрослых насекомых. Вследствие сходства конечного результата действия ФОС и пиретроидов их часто используют в различных комбинациях (например, Инта-Ц-М). Генетическая неспецифическая резистентность членистоногих к пиретроидам обусловлена повышенной активностью неспецифических эстераз. Сходство неспецифических механизмов детоксикации (повышение активности эстераз) приводит к появлению кросс-резистентности насекомых к пиретроидам и ФОС.

Неоникотиноиды – группа инсектицидов, блокирующих А- или В-рецепторы ацетилхолина: в результате передача нервного импульса становится невозможной. Различают хлороникотиниловые соединения неоникотиноиды первого поколения (имидаклоприд, ацетамиприд, нитенпирам, тиаклоприд) и тианикотиниловые неоникотиноиды второго поколения (тиаметоксам, клотианидин). Некоторые широко распространенные хлороникотиниловые неоникотиноиды (имидаклоприд, ацетамиприд) проявляют слабую мутагенную активность in vitro. Неоникотиноиды обладают системным действием и считаются экологически безопасными инсектицидами, однако при их неправильном применении возможно отрицательное воздействие на нецелевых насекомых. У некоторых насекомых выявлена неспецифическая резистентность к неоникотиноидам: детоксикация неоникотиноидов происходит с помощью монооксигеназ – ферментов, в состав которых в качестве простетической группы входит цитохром Р-450. Специфическая резистентность к неоникотиноидам не изучена. Механизм действия и детоксикации неоникотиноидов отличается от ФОС и пиретроидов, поэтому возникновение кросс-резистентности маловероятно.

По механизму действия к неоникотиноидам близки спиносины A и D (активные вещества, вырабатываемые актиномицетами Saccharopolyspora spinosa), а также бенсультап (синтетический аналог нереистоксина, вырабатываемого полихетами Lumbriconereis heteropoda).

Авермектины (макроциклические лактоны) – активные вещества широкого спектра действия, вырабатываемые актиномицетами Streptomyces avermitilis. Считаются экологически малоопасными препаратами: обладают трансламинарным действием, нерастворимы в воде,  слабо передвигаются в почве, разлагаются микроорганизмами; период полураспада на поверхности листьев всего 4 часа.   Авермектины специфически связываются с рецепторами глутамат-зависимых хлорных каналов и блокируют передачу нервно-мышечного импульса: вредители теряют подвижность и перестают питаться. Механизмы резистентности к авермектинам разнообразны: мутационные изменения рецепторов и уменьшение их числа, повышение активности монооксигеназ, эстераз, глутатионтрансфераз. Резистентность к авермектинам возникает довольно быстро, но при прекращении их использования резистентность утрачивается. Кросс-резистентность к инсектицидам из других групп не возникает.

Биоинсектициды – спорово-кристаллические комплексы (СКК) культур бактерий, вырабатывающих специфические токсины. Для защиты растений от вредителей уже с 1950-х гг. используются токсины, вырабатываемые спорообразующей бактерией Bacillus thuringiensis (B.t.). Токсичные свойства B.t. обусловлены образованием при споруляции кристаллических токсических белков (Cry-токсинов из группы δ-эндотоксинов), хотя B.t. вырабатывает и другие токсические вещества, например, β-экзотоксин. Cry-токсины нетоксичны для позвоночных и специфично влияют на определенные группы беспозвоночных, поэтому СКК, полученные из культур B.t., используются как безопасные средства защиты растений от определенных вредителей. Гены, кодирующие Cry-токсины, локализованы на cry-плазмидах. В норме одна cry-плазмида содержит один ген (аллель) cry, однако созданы искусственные плазмиды, несущие два разных гена cry. Число аллельных вариантов плазмид огромно: известно несколько подвидов (ssp.) и разновидностей (var.) B.t., а каждый подвид или разновидность представлены множеством штаммов (strain), и каждый из них вырабатывает свой вариант Cry-токсина. Одна прокариотическая клетка может содержать несколько разных cry-плазмид и, соответственно, вырабатывать несколько (до 5 типов) типов токсинов. Разные группы Cry-токсинов действуют на разные отряды насекомых. В зависимости от целевого отряда выделяют семейства токсинов (например, Cry1 токсичны для Lepidoptera, а Cry3 – для Coleoptera), а каждое семейство включает определенные белки (например, Cry3A токсичен для колорадского жука) [7]. В России для борьбы с вредителями используются СКК Битоксибациллин (препарат широко спектра действия на основе B.t. var. thuringiensis) и Лепидоцид (на основе B.t. var. kurstaki). Механизм действия Cry-белков на насекомых, на первый взгляд, достаточно прост. Нативные Cry-белки (протоксины) вместе с пищей попадают в среднюю кишку насекомых. Здесь они расщепляются специфическими щелочными трипсиноподобными протеазами на пассивный и активный (собственно токсический) фрагменты. Токсические N-концевые фрагменты присоединяются к специфическим рецепторам клеток выстилающего эпителия. Функции рецепторов могут выполнять самые разнообразные белки, например, α-амилазы или субъединицы АТФ-азы. Рецепторы каждого отряда насекомых могут взаимодействовать только с активным токсином определенного семейства Cry-белков. Затем в клеточных мембранах образуются ионные каналы, через которые в клетку поступает вода, клетки разбухают и лизируются. Споры B.t. проникают в гемолимфу, прорастают, и начинается питание и размножение бактерий. Насекомые погибают, бактерии спорулируют, и после разрушения покровов погибшего насекомого споры попадают в почву. Резистентность к Cry-токсинам довольно быстро возникает у Lepidoptera. Механизмы резистентности разнообразны, например, появление мутаций в генах, отвечающих за образование некоторых мембранных гликопротеинов (кадгеринов).

Кроме перечисленных групп инсектицидов, существует и множество других, например, карбаматы, ингибиторы синтезы хитина, аналоги ювенильных гормонов. Однако применение их в борьбе с вредителями ограничено.

Краткий обзор основных групп инсектицидов показывает, что многие из них:

а) токсичны для человека и нецелевых организмов,

б) обладают прямым мутагенным, тератогенным и канцерогенным действием,

в) малоэффективны из-за быстрого возникновения различных типов резистентности у целевых объектов и требуют чередования в определенной последовательности.

 

Интегрированная система защиты культурных растений

Сравнительный анализ эколого-генетических рисков, возникающих при использовании пестицидных технологий, показывает, что необходима интегрированная система защиты растений (ИСЗР), которая включает «…высокоточные информационные системы диагностики, мониторинга и прогноза, использование устойчивых сортов, правильных севооборотов и здоровых технологий защиты, что увеличивает доходность и способствует развитию устойчивого растениеводства».

Одним из важнейших компонентов ИСЗР является генетическая защита, основанная на повышении генетического разнообразия в агробиоценозах. Однако для реализации ИСЗР необходимо, в первую очередь, обеспечить производителей высококачественным посевным и посадочным материалом с максимальным использованием имеющегося эколого-генетического сортового потенциала. Необходимы пропаганда экологизированных систем возделывания культур, развитие информационно-консалтинговой поддержки производителей продукции в личных подсобных хозяйствах. И, наконец, совершенно необходима интенсификация селекционных работ и фундаментальных исследований агробиоценозов на физиологическом, популяционном и биоценотических уровнях. 

 

Литература

Афонин А.А. Генетическая безопасность агробиоценозов / А.А. Афонин, Л.И. Булавинцева // Биология в школе. – 2011. – №5. – С. 3–10.

Безобидный раундап? – Лесной бюллетень. – 2000. – №14. – [Электрон. ресурс] – http://www.forest.ru/rus/bulletin/16/5.html 

Глазко В.И., Чешко В.Ф. «Опасное знание» в «обществе риска» (век генетики и биотехнологии).– Харьков: ИД «ИНЖЭК», 2007.– 544 с. – Код доступа: http://phtiziatr.ru/files_dowloads.php?file=3536

Ефременко Е.Н., Варфоломеев С.Д Ферменты деструкции фосфорорганических нейтротоксинов // Успехи биологической химии. – 2004. – Т. 44. – С. 307–340.

Защита картофеля от болезней, вредителей и сорняков / Б.В. Анисимов, Г.Л. Белов и др. – М.: Картофелевод, 2009. – 272 с.

Инсектициды и акарициды // Государственный каталог пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации. – М.: Департамент растениеводства, химизации и защиты растений Минсельхоз РФ, 2009. – С. 9–77. – Код доступа: http://www.mcx.ru/documents/document/show/13153.133.htm

Информационные системы диагностики, мониторинга и прогноза важнейших сорных растений, вредителей и болезней: Тез. докл. междунар. конфер. – Санкт-Петербург – Пушкин, 2008. – 120 с. – Код доступа: http://plantprotection.narod.ru/Abstracts_2008_May.pdf

Кузнецова Е.М., Чмиль В.Д. Глифосат: поведение в окружающей среде и уровни остатков

Попова Л.М. Химические средства защиты растений: Учебное пособие. – СПб.: СПбГТУРП, 2009. – 96 с. – Код доступа: http://nizrp.narod.ru/zashitarasteniy.pdf

Селезнева Е.С. Экогенетика человека: Проблемы и факты. – Самара: «Универс-групп», 2005. – 104 с. – Код доступа: http://www.media.ssu.samara.ru/lectures/biologiya/selezneva/selezneva-otis/index.html

Спиридонов Ю.Я. Опыт многолетнего применения производных глифосата и глюфосината в экоценозе парового поля / Ю.Я. Спиридонов, Г.Е. Ларина, Л.Д. Протасова, Н.В. Верховцева, А.Л. Степанов // Вестник защиты растений. – 2006. – №2. – С. 3–15.

Удалов М.Б., Беньковская Г.В. Популяционная генетика колорадского жука: от генотипа до фенотипа // Вавиловский журнал генетики и селекции, 2011, Том 15, № 1

Усов С.В. Экологизация защиты картофеля от колорадского жука и пути преодоления популяционной резистентности вредителя // Вестник Мичуринского гос. агрон. ун-та. – 2006. – Т.3. – №1. – С. 104–112. 

 

© Афонин Алексей Алексеевич 

Доктор с.-х. наук, профессор Брянского государственного университета

Зав. лабораторией популяционной цитогенетики НИИ ФиПИ БГУ

 

главная страница сайта ОБЩАЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ http://afonin-59-bio.narod.ru

e-mail: afonin.salix@gmail.com

 

дополнительные web-ресурсы

http://afonin-59-salix.narod.ru

http://darwin200.narod.ru

 

последнее обновление страницы 26 января 2013 г.

 

 

Hosted by uCoz