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-фосфонометил – производное 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
gox – ген глифосатоксидазы
Ochrobactrum anthropi
gat4601 – ген глифосатоксидазы Bacillus licheniformis
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
последнее обновление страницы 26 января 2013 г.