Триумфом медицинской иммунологии является избавление человечества от многих весьма опасных в прошлом болезней.
Достигнуто это путем искусственно привитого иммунитета. Достаточно упомянуть о ликвидации таким путем оспы, уносившей в прошлом сотни тысяч человеческих жизней. Вакцины созданы и против других тяжелых болезней. Иммунологи рассчитывают на новые вакцины, включая вакцины против рака. Ничего этого пока нет в активе фитоиммунологии. Нет «пока», но мы убеждены, что будет, причем будет в самом ближайшем будущем. Для подобного оптимизма сейчас уже имеются достаточные основания.
Перенесемся мысленно в не столь далекое прошлое, когда повсюду свирепствовала оспа. Из каждой сотни людей шестьдесят заболевали оспой, двадцать из них умирали, а оставшиеся сорок оставались на всю жизнь обезображенными. Древние китайцы и арабы давно знали, что люди, перенесшие оспу, редко заболевают ею вновь. Предполагается, что именно на Востоке впервые начали вырабатывать у людей искусственный иммунитет, заражая их веществом из гнойников больных и вызывая при этом несильный приступ болезни.
Однако прививание здоровому человеку вещества из оспенных язв больного было крайне опасной процедурой: само оспопрививание вызывало немалую смертность, а прививки могли стать причиной эпидемии.
Существовала и еще одна форма оспы — коровья. Люди ею почти не болели или болели в легкой форме. При этом бытовало поверье, что человек, переболевший коровьей оспой, никогда не заболевает настоящей. Этим заинтересовался английский врач из Глочертершира Эдвард Дженнер, который несколько лет своей жизни посвятил изучению этого явления. В 1798 г. он привил мальчику коровью оспу, а затем заразил его настоящей. Мальчик не заболел. Отсюда и возник термин вакцинация, поскольку инфекционный материал брался от коровы, а корова 110-латыни — vacca.
И хотя Дженнер подарил человечеству способ предупреждать оспу, тем не менее его опыты не создали общего принципа защиты от болезней. Прошло еще 85 лет, прежде чем Луи Пастер открыл закон стимуляции иммунитета с помощью вакцин. Пастер разработал универсальный принцип: искусственный иммунитет можно создать, если в организм предварительно ввести ослабленный возбудитель той болезни, к которой нужно выработать невосприимчивость.
В последующие годы ученые добивались успеха, иммунизируя животный организм возбудителями той же болезни, ослабленными с помощью обработки теплом, светом, недостатком кислорода, культурами убитых микроорганизмов, токсинами микроорганизмов и, наконец, анатоксинами (обезвреженными токсинами, сохранившими свои антигенные группировки). Использовалась и пассивная иммунизация, в том случае когда в организм вводили готовые антитела, полученные от других животных.
С помощью этого арсенала средств удалось создать действенные вакцины против оспы, бешенства, сибирской язвы, дифтерии, полиомиелита и других опасных болезней. Практическая иммунология торжествовала.
Естественно, что фитоиммунология, которая к тому времени только зарождалась как наука, не могла оставаться в стороне от успехов медицины. И столь же естественно, что она пошла по пути, проложенному медиками. Исследователи вводили в растения, поливали их ослабленными культурами микроорганизмов, их авирулентными штаммами, либо экстрактами. Мнения ведущих фитоиммунологов того времени относительно возможности приобретенного иммунитета у растений расходились. Так, Овенс в своем обстоятельном трактате «Принципы растительной патологии» в 1928 г. писал: «Заметного прогресса в этом направлении пет, и сомнительно даже, будет ли он когда-нибудь в отношении растений, как это имеет место применительно к животному царству. Структура растений так отлична от животных, особенно в отношении сообщающейся системы, что кажется мало вероятным, чтобы когда-либо были достигнуты успехи в этом направлении».
Однако отдельные успехи все же были. Уже в начале века были проведены опыты, подтверждающие возможность иммунизации растений. Так, Г. Ноэль и Н. Бернар показали, что орхидеи после заражения их паразитарными грибами из рода Rhizoctonia приобретали иммунитет к повторным заражениям. Т. Бовери и О. Рай еще в 1901 г. применили вакцинацию бегонии, овса, фасоли и люпина как ослабленными культурами грибов и бактерий, так и экстрактами из этих культур и получили положительные результаты. Итальянские исследователи Д. Карбоне и С. Арнауди провели многочисленные опыты но иммунизации растений путем воздействия на них ослабленными культурами или экстрактами из микроорганизмов. На основании их исследований установлен факт усиления или образования заново иммунитета у растений.
В общем имелись отдельные примеры успешной иммунизации растений путем вакцинации как ослабленными культурами паразитарных грибов и бактерий, так и экстрактами. К сожалению, срок действия такой иммунизации, как правило, был очень невелик.
Но наряду с этим существовали противоположные результаты, свидетельствующие о неудачах иммунизации, и таких было большинство.
Положение было крайне неопределенным. Многие авторитеты резко возражали против попыток иммунизации растений. Но не Н. И. Вавилов, который писал, что возможность приобретенного иммунитета у растений в результате вакцинации и влияния паразитов может считаться доказанной. Неясна только природа такого иммунитета. Последнее, вероятно; и служило возможной причиной неудач. Ведь опыты по иммунизации растений проводились вслепую, методом проб и ошибок. Никакой теории иммунитета не существовало. Было совершенно неясно, что именно в растениях следует иммунизировать и чем следует проводить иммунизацию. Простая аналогия с принципами иммунизации животных к успеху не приводила. Нужна была теория, вскрывающая отличия и единство животных и растений, чтобы с ее помощью вооружить исследователей методом иммунизации.
Каково же положение с иммунизацией растений к настоящему времени? Если в теоретических аспектах иммунизации наметился определенный прогресс, то в вопросах ее практической реализации исследователи недалеко ушли по сравнению с состоянием дел в начале нашего века. Пожалуй, единственным исключением из этого правила является метод вакцинации, предохраняющий от вирусных болезней.
Вакцинация, защищающая растения от вирусов, предполагает индуцирование в них вирусоустойчивости в ответ на обработку ослабленными штаммами вирусов. В вакцинированных растениях вирулентные штаммы вирусов развиваются медленнее, их распространение сдерживается, а вредоносность снижается. Считалось, что в вакцинированном растении происходит антагонистическое взаимодействие или интерференция между двумя вирусами, один из которых представляет собой предварительно введенный в растение вакцинный штамм, а другой — патогенный штамм, которым осуществляется заражение.
Наибольшие успехи достигнуты при вакцинации томатов вирусом табачной мозаики для борьбы с мозаичным заболеванием томатов в условиях закрытого грунта. Такого рода вакцинация уже сейчас успешно осуществляется в Голландии, Швеции, Дании, Англии, Канаде, США, Японии. В СССР вакцинация томатов против вирусов официально одобрена и рекомендована к внедрению МСХ СССР. Теоретически не отвергается возможность вакцинации и других культур. Уже появляются отдельные экспериментальные работы по использованию слабопатогенных вирусов в борьбе с вирусными болезнями картофеля и огурцов.
Однако метод вакцинации ослабленными штаммами вирусов должен использоваться с соблюдением осторожности, поскольку не исключено, что в популяции вакцинного штамма могут появиться агрессивные формы, которые при благоприятных условиях могут поразить устойчивые сорта. Именно поэтому метод пока еще не выходит за пределы закрытого грунта.
О механизмах вакцинации пока еще известно мало. Существует несколько гипотез, ни одна из которых пока еще не может считаться окончательно доказанной. Одна из таких гипотез, так называемая гипотеза белкового пленения, состоит в предположении, что РНК патогенного вируса захватывается в белковую оболочку вакцинного штамма. Вторая — построена на конкурирующих антагонистических отношениях между двумя типами вирусов. Однако при такой трактовке сводится на нет активный защитный ответ клеток вакцинируемого растения. Поэтому другая часть гипотез рассматривает вакцинацию как активацию защитных функций самого хозяина. Здесь наиболее популярна возможность образования в вакцинированном растении интерфероноподобных белков, ингибирующих развитие вируса. Возможно также, что в вакцинированных растениях возрастает активность рибонуклеаз, которые разлагают РНК вирулентного вируса, образуя так называемый РНКазный барьер.
Другим примером успешной иммунизации, правда пока еще в порядке экспериментов в условиях закрытого грунта, является иммунизация растений против фитопатогепов с помощью самих фитопатогенов, которой в течение последних лет активно занимается американский фитоиммунолог Д. Куч. Для защиты растений он использует ослабленные культуры патогенов, непатогепы данного растения, их авирулентные расы и, наконец, сами агрессивные патогены. В основном объектом его усилий являются растения из семейства тыквенных (огурцы, дыни, арбузы). Вот один из его типичных опытов.
Первый настоящий лист огурцов заражают патогенным штаммом Colletotrichum lagenarimn, вызывающим антракноз. Через 4 дня все вышерасположенные листья, а также листья, которые еще не раскрылись, становились защищенными от инфекции. Удаление листа иммунизатора на иммунизацию не влияло, но для ее достижения нужно время, в течение которого заражённый лист остается на растении. Можно срезать вышерасположенные иммунизированные листья, и они в срезанном состоянии будут продолжать оставаться иммунизированными. На пазушной почке иммунизированного растения вырастает побег, который после удаления и укоренения превращается в иммунизированное растение.
Сигнал об иммунизации в большой мере передается снизу вверх, чем сверху вниз. Если иммунизировать подвой, то ранее не иммунизированный привой окажется иммунизированным. Если же, наоборот, иммунизировать привой, то подвой иммунизированным не становится.
Кольцевание листа иммунизатора полностью прекращает иммунизацию, что позволяет предполагать, что иммунизирующий сигнал распространяется по флоэме. Одно иммунизирование защищает огурцы на 4—5 недель, а затем устойчивость постепенно теряется. Однако если провести вдогонку повторное иммунизирование, то период устойчивости удается продлить.
Чрезвычайно интересен установленный Кучем факт, что иммунизация становится невозможной, как только огурцы зацветают и начинают плодоносить. Предполагается, что цветение изменяет гормональный баланс, что препятствует иммунизации.
Первые опыты Куча проводились в теплицах, по с 1980 г. они были частично перенесены на опытные делянки. Однако к числу полевых опытов их причислить нельзя, во-первых, потому что иммунизирующее заражение проводилось в теплице, после чего растения высаживали в поле, а во-вторых, потому что результаты иммунизирования проверялись посредством искусственного заражения, а не естественного.
Поскольку в качестве иммунизаторов Куч использовал сами патогены, иногда авирулентные или ослабленные, а иногда жизнеспособные и вирулентные, то в адрес его опытов постоянно раздаются упреки, что они представляют собой опасность распространения той болезни, с помощью которой проводилась иммунизация. Пытаясь заменить патогены выделенными из них веществами, Куч испробовал в качестве иммунизаторов препараты клеточных стенок грибов и бактерий, их экстрацеллюлярные экстракты, эксудаты флоэмы, экстракты инфицированных и иммунизированных тканей, однако все опыты оказались безуспешными.
Американский фитоиммунолог и бактериолог Л. Секвейра, анализируя явления иммунизации растений, приводит ее следующие недостатки:
1) индуцирование устойчивости является энергопотребляющим процессом, поэтому иммунизация может приводить к уменьшению урожая;
2) иммунизация может приводить к накоплению в растительных тканях нежелательных метаболитов вторичного происхождения, обладающих токсическим действием;
3) если в качестве иммунизатора используется патогенный микроорганизм, то заражение им может вызвать эпифитотии;
4) если в качестве иммунизаторов используются индукторы паразита, то они должны быть низкомолекулярными, чтобы проникнуть в растительную ткань, тогда как большинство известных к настоящему времени индукторов обладают большой молекулярной массой.
Из возбудителя фитофтороза картофеля нам удалось выделить иммунизатор системного действия — липогликопротеидный комплекс, который свободен от перечисленных недостатков. Комплекс принадлежит к числу элиситеров, или индукторов фитоалексинов и некрозообразования картофеля, в том случае, если используется в концентрациях 0,01%, но не вызывает некроз, а сенсибилизирует растительные ткани, повышая их устойчивость к последующей встрече с инфекцией, если применяется в концентрациях 0,0005—0,001%.
Индуктором опрыскивали клубни картофеля перед посадкой, затем клубни высаживали в грунт на опытных делянках Белорусского НИИ картофелеводства и плодоовощеводства. Первое, что удавалось наблюдать,— это большая высота выросших побегов и большее их число в кусте. Дело в том, что глазки необработанных контрольных клубней сильно страдают от ризоктониоза, который ведет к изреживанию побегов в кусте и их ослаблению. Обработка индуктором более чем в три раза уменьшает потери от ризоктониоза, в результате чего большее число глазков образуют ростки, которые вырастают в полноценные побеги. Выросшие растения примерно на 40—50% меньше контрольных поражались фитофторозом и ранней сухой пятнистостью. Клубни нового урожая оказались на 2/3 меньше пораженными паршой и ризоктониозом, как сразу после уборки, так и во время хранения. В результате этого потери клубней от болезней в период хранения уменьшились почти вдвое.
К весне эффект сенсибилизации постепенно затухал, и растение, выросшее из второго поколения клубней, мало чем отличалось по степени своей устойчивости от контрольных.
В целом тот уровень устойчивости, который наблюдался у обработанных индуктором растений, не только не уступал по своей эффективности защите при использовании фунгицидов (опрыскивание вегетирующих растений фунгицидом цинеб, а также предпосадочная обработка клубней фунгицидом ТМТД), но в отношении устойчивости к парше и ризоктониозу превосходил ее. Учтите при этом, что опрыскивание фунгицидом, как правило, приходится проводить в зависимости от прогноза 3—4 раза в сезон. Подобные результаты получались в течение нескольких лет подряд. Таким образом, реальный эффект от предпосадочной иммунизации клубней выражался в следующем:
1) число побегов в кусте так же, как и высота побега, возрастало на 10% из-за меньшего поражения картофеля ризоктониозом;
2) вегетирующие растения вдвое меньше поражались фитофторозом и ранней сухой пятнистостью;
3) клубни второго поколения на 2/3 были меньше поражены паршой и ризоктониозом;
4) прибавка урожая в зависимости от года составляла 12-27%;
5) сенсибилизированные клубни второго поколения быстрее и интенсивнее залечивали механические поражения;
6) потери клубней во время хранения сокращались наполовину;
7) в силу меньшего поражения клубней второго и первого поколения ризоктониозом улучшались их семенные качества;
8) сокращались расходы на обработку посевов (одна предпосадочная обработка вместо 3—4-кратного опрыскивания растений фунгицидами в поле);
9) предпосадочная обработка клубней вместо вегетационной позволяла избежать поранения растений, а следовательно, их заражения вирусами, которые проникают в растения через пораненные участки.
Близкие результаты были получены и при предпосевной обработке семян томатов тем же индуктором (опыты на делянках БНИИКПО). Замачивание семян томатов в суспензии индуктора (0,0005%) сократило поражение листьев фитофторозом, макроспориозом, септориозом и черной бактериальной пятнистостью на 34%, а поражение плодов фитофторозом, макроспориозом и другими гнилями — на 65%. В результате прибавка урожая составила около 30%. Примерно тот же самый и даже несколько меньший эффект достигался при предпосадочной обработке растений фунгицидом ТМТД (3,5%) наряду с 4-кратным опрыскиванием ботвы томатов цинебом.
Индуцированная устойчивость томатов почти в 2 раза превосходила эффект от применения фунгицида — хомицина (при 4-кратном опрыскивании вегетирующих растений 0,5%-ной суспензией). Прибавка урожая в этом последнем случае составила 22% в вариантах опытов с индуктором и только 6% — при применении фунгицида.
Однако самый лучший эффект давало сочетание замачивания семян томатов в растворе индуктора с однократной обработкой им ботвы. В этом случае вегетирующие растения и выросший из них урожай оказывались защищенными на 84%, что более чем вдвое превосходило эффект от применения фунгицидов.
Хорошие результаты были получены при использовании элиситера из возбудителя серой гнили (Botrytis cinerea) для индуцирования устойчивости сахарной свеклы к болезням (совместные исследования с НИИ сахарной промышленности). Семена свеклы замачивали в растворе элиситера в течение 2 ч, высушивали и высевали на опытных участках размером 3 га.
Сразу же удалось заметить снижение повреждения проростков сахарной свеклы корнеедом — комплексным заболеванием свеклы, которое могут вызвать около 100 видов грибов и бактерий. Чаще всего это грибы из родов Fusarium, Pythium, Aplianomyces, Phoma, Rhizoctonia, Penicillium. Поражение и гибель проростков при их подземном развитии приводит к недружности и изреженности всходов. Из-за этого возникают редкие посевы, отстающие в развитии растения, в результате чего снижается урожай и ухудшается его качество.
Значительно выше оказались урожайность и технологические качества опытной свеклы. Так, основной показатель — расчетный выход сахара — составлял у обработанной индуктором свеклы 105—107%.
Фитопатологический анализ корней сахарной свеклы, проведенный спустя 75 суток после закладки на хранение, показал, что такая свекла значительно более устойчива, чем выращенная из необработанных семян. Опытная свекла имела на 52% меньше загнивших корнеплодов, а гнилая масса составляла только 11% по сравнению с контрольной. Такая свекла и после хранения имела значительно лучшие технологические свойства: выход сахара из нее был на 4,8% выше, чем из необработанной.
Неоднократно предпринимались попытки использовать сами фитоалексины или их аналоги в качестве естественных пестицидов для борьбы с болезнями растений. Канадские фитопатологи обнаружили, что фитофтороустойчивость томатов и картофеля заметно возрастала после их обработки фитоалексинами перца (капсидиолом) и картофеля (ришитином). Однако эта работа не имеет перспективы, так как для защиты необходимы высокие концентрации препаратов.
Попытки химически синтезировать фитоалексины успехом не увенчались. Их синтез достаточно сложен, так как многие из них имеют асимметрический углеродный атом и лабильные функциональные группировки. Английские исследователи показали, что фитоалексины бобовых — птерокарпаны вообще не эффективны как фунгициды. С нашей точки зрения, такой путь защиты вообще малоперспективен, так как вновь созданные пестициды вряд ли окажутся менее опасными для окружающей среды, чем уже существующие. К тому же токсичность фитоалексинов для грибов меньше, чем токсичность фунгицидов, тогда как для людей они ничуть не менее токсичны. Синтезировать фунгициды по прообразу индуцирования антибиотиков означает «рассекретить» оружие растений и облегчить тем самым адаптацию к ним паразитов.
Особенно важным представляется тот факт, что с помощью иммунизации достигается стимулирование в растениях свойства неспецифической или общей устойчивости. В какой-то мере она напоминает полевую, полигенную или относительную устойчивость, с той, однако, разницей, что последняя является генетически определенным признаком того или иного сорта, тогда как мы регулируем свойство устойчивости в пределах онтогенеза данного генотипа. В результате обработки индуктором изменяется не геном, а только его функционирование или, вернее, меняется уровень дерепрессии генов. Иными словами, часть генов контрольного необработанного растения функционирует не полностью, а часть генов вообще зарепрессирована. Обработка индуктором снимает часть репрессоров и тем самым как бы раскрепощает гены растения. Эффективная защита хозяина требует правильно выбранного индуктора в строго определенной концентрации, для того чтобы достигнуть нужного уровня дерепрессии клеточного генома. Индуктор при этом как бы является ключом к замку, открывающим устойчивость растения-хозяина и освобождающим его защитные силы. Не исключено, что индуктор у паразита также зарепрессирован и освобождается только при взаимодействии с растением. Поэтому происходит взаимное индуцирование, в ходе которого растение высвобождает индуктор паразита, а последний дерепрессирует образование фитоалексинов у растения. Этот факт служит лишним доказательством того, что всякому виду и сорту растения, даже по несущему гены устойчивости, свойственна потенциальная способность к защите. Найти тот способ, с помощью которого можно индуцировать эту потенцию к жизни, и является задачей индукции.
Хотя иммунизация обеспечивает не абсолютный, но только относительный уровень устойчивости, зато он проявляется по отношению ко всем расам паразитов, а также ко многим другим видам фитопатогенов. Вспомните, обработка картофеля липогликопротеидным комплексом защищает его от фитофтороза, ризоктониоза, ранней сухой пятнистости, парши и других болезней. Иммунизированная свекла оказывается защищенной от комплекса болезней, вызывающих корневые и кагатные гнили. В то же время именно индуцирование неспецифической устойчивости позволяет иммунизировать все сорта растений, независимо от присутствия у них генов вертикальной болезнеустойчивости.
Подобный уровень устойчивости вряд ли сможет преодолеваться паразитами именно в силу своего неспецифическою действия, т. е. отсутствия определенной мишени, к которой мог бы легко адаптироваться паразит. Ведь известно, что полигенная устойчивость не преодолевается патогенами, хотя ее уровень относительно невелик. Именно поэтому полевая, или полигенная, устойчивость и представляет наибольшую перспективу для селекционеров, занимающихся выведением болезнеустойчивых сортов.
Иными словами, иммунизация, о которой шла речь, сочетает в себе достоинства контактных и системных пестицидов и лишена недостатков, присущих каждому из них. Подобно контактным пестицидам, она неспецифична в действии и поэтому позволяет избежать привыкания фитопатогенов, подобно системным — обладает действием, распространяющимся по всему растению и настигающим паразита, сколь глубоко бы он ни проник в ткани.
Нам представляется, что иммунизация растений на настоящем этапе может дополнить арсенал современных средств защиты растений. Обойтись сейчас без пестицидов сельское хозяйство не в состоянии. Поэтому иммунизация ни в коей мере не отменяет химических средств защиты растений, так же как иммунизация животных не отменяет использования антибиотиков — этих, по образному выражению Куча, «пестицидов животного царства». Уже сейчас иммунизация позволяет существенно сократить затраты пестицидов на обработку посевов: в сочетании с иммунизацией можно использовать одну обработку посевов фунгицидами вместо четырех и даже пяти. Вряд ли имеет смысл доказывать, насколько важно уменьшить число обработок растений фунгицидами при одновременном повышении эффективности их действия.
Значение выполненных исследований состоит в том, что ими показана принципиальная возможность иммунизации растений с помощью биогенных индукторов защитных реакций и намечены пути их использования. Так как применение биогенных индукторов основано на тех же принципах, что и самозащита растений, то можно ожидать, что она не создаст угрозы нарушения экологического равновесия в биосфере. Обработка индуктором не вызывает у растений образования токсических фитоалексинов, а лишь подготавливает их к возможной встрече с патогеном. И все же, как и при любом другом вмешательстве в природу, следует учитывать не только видимый эффект, но и его возможные отрицательные последствия в будущем. Явление иммунизации нуждается в детальном изучении, чего можно достигнуть только при объединении усилий специалистов разных профилей.
Интегрированная система защиты растений в какой-то степени напоминает множественность защитных реакций, с помощью которых растение само себя защищает от фитопатогенов в природных условиях. И так же, как и при естественной защите растений, отдельные мероприятия интегрированной защиты часто действуют синергически, усиливая и взаимодополняя друг друга.
Вот те преимущества, которые имеет интегрированная система защиты растений.
1. Все слагаемые этой системы взаимодополняют и усиливают друг друга, в результате каждое из них приходится использовать в меньших дозах и с меньшей частотой.
2. Использование устойчивых или иммунизированных Сортов растений позволяет заметно снизить число обработок пестицидами. К примеру, использовать вместо 3— 4 обработок в сезон только одну или две.
3. Сокращение числа обработок пестицидами не может не иметь значения, для того чтобы избежать нарушения того экологического равновесия в биосфере, которое неизбежно возникает под воздействием обработок химикатами.
4. Интегрированная система защиты позволит выводить сорта, устойчивые к более широкому кругу возбудителей болезней и вредителей.
5. Использование устойчивых или иммунизированных сортов в интегрированных системах защиты растений удешевит борьбу с болезнями, так как применение устойчивых сортов значительно менее дорогостоящее мероприятие, чем ежегодное производство и использование пестицидов.