GMO rastliny: praktická aplikácia. Fyziologické a biochemické základy rezistencie vyšších rastlín na patogénne mikroorganizmy. Spôsoby zvýšenia odolnosti rastlín voči infekčným chorobám
V súvislosti s akýmikoľvek patogénmi sa v súčasnosti rozlišuje množstvo druhov rezistencie. Odpor môže byť absolútny - v tomto prípade hovoria o imunite, vysokej, strednej, slabšej.
Stupeň odolnosti je určený veľkosti a povahe lézie, a rýchlosť vývoja choroby.
Väčšina rastlín vydrží mnoho patogénnych organizmov, ako sú huby, baktérie, vírusy, mikomitsety.
V súčasnej dobe obvyklé rozlišovať dva druhy imunity - konštitutívny a indukovatelné alebo Vavilov (4), v tomto poradí morfologické (pasívny) a soľným roztokom (aktívne). Prvý z nich zahŕňa všetky prípady stability spojené s mechanickými prvkami v konštrukcii a vývoja rastlinných orgánov, rovnako ako pri syntéze sekundárnych zložiek metabolizmu, bráni prenikaniu patogénov rastliny, napríklad tučný pokožka husto plstnatý, o veľkosti a tvare stomatu, vosk plaku éterické oleje, predbežná tvorba antibiotických zlúčenín nachádzajúcich sa v zdravých rastlinách atď. (77).
To znamená, že prítomnosť alkaloidov v rastlinách divokého a niektorých pestovaných druhov lupíny pomáha chrániť ich proti rade škodcov a chorôb:. Antinutričných zlúčeniny proteínu a nebielkovinového charakteru - lektíny, triesloviny, glykozidy a podobne, obsiahnuté v semenách väčšiny strukovín, je prirodzenú bariéru pre rozvoj radu chorôb a škodcov.
Indukovateľná rezistencia je spôsobená reakciou hostiteľa v odpovedi na zavedenie patogénu. Najjasnejším prejavom aktívnej rezistencie je reakcia z precitlivenosti (UHF) - rýchla smrť infikovaných buniek, obmedzenie šírenia patogénov a ich následná smrť. Reakcia môže byť veľmi rýchla a mikroskopická vrstva na povrchu fólie je zanedbateľná. Mechanizmus nadmernej citlivosti spočíva v tom, že v reakcii na zavedenie patogénu do bunky sa vytvárajú látky, ktoré sú toxické pre patogény a hostiteľské bunky. Toxiny produkované hostiteľskou rastlinou sú látky s nízkou molekulovou hmotnosťou nazývané fytoalexíny. Sú známe fytoalexíny - pizatín v hrášku, fazolín v bôboch atď. Aktívny odpor môže byť spôsobený rýchlym ukladaním inlayingov (kalus, lignín) na steny bunky, do ktorej sa patogén pokúša preniknúť.
Rozlíšenie medzi kvalitatívnou stálosťou - zatiaľ čo rozdelenie frekvencie stabilných a náchylných rastlín v populácii je diskrétne a ľahko identifikovateľné a kvantitatívne, v ktorom existuje nepretržitá miera prechodov od odolnosti voči náchylnosti a medzi nimi nie je jasný prechod.
Okrem precitlivenosti na mechanizmy rezistencie zahŕňajú: vylúčenie choroby, spojené s nízkym klíčením spór na povrchu listu; zlé návyky húb v hostiteľskej rastline; pomalý rast huby v hostiteľskej rastline kvôli prítomnosti antibiotických látok alebo nedostatku živín pre patogén v hostiteľských bunkách; odolnosť voči sporulácii, čo spôsobuje oneskorenie; vytrvalosť, pri ktorej infikované rastliny vykazujú len mierne spomalenie rastu alebo deformácie listov.
K hmyzu v rastlinách existujú tri hlavné typy rezistencie: nedostatok preferencií - hmyz je menej ochotný obývať niektoré genotypy ako iné; antibióza - spomaľuje rast niektorých škodlivých hmyzu a znižuje ich mieru reprodukcie; vytrvalosť - odpor proti účinkom invázii hmyzu (1).
Pri opise rôznych fenotypov a genotypov patogénov a škodcov v tejto práci budeme dodržiavať termíny, ktoré používa Russell (1982) vo svojej rozsiahlej monografii "Chov rastlín a odolnosť proti škodcom a chorobám" (18).
Virulentný fyziologický rod plesňového patogénu je rasa, ktorá nesie gény, ktoré prekonávajú rezistenciu určitého hostiteľského genotypu a robia to náchylné; avirulentná rasa nie je schopná ovplyvniť tento genotyp.
Virulentné kmene baktérií a vírusov spôsobujú silnejšie príznaky choroby ako avirulentné.
Agresívna alebo silná rasa húb je v mnohých ohľadoch ekvivalentná virulentnému kmeňu vírusu, čo spôsobuje vážne poškodenie všetkých genotypov hostiteľa, ktoré je schopné infikovať a nie je spojené s rasovo špecifickým odporom.
Tieto výrazy sa musia používať s opatrnosťou, pretože niekedy nie je možné testovať rozmanitosť alebo šľachtiteľský materiál proti všetkým variantom patogénu. Genetická povaha oboch typov rezistencie je podrobnejšie popísaná v článku "
MECHANIZMY STABILITY RASTLÍN
12.1. Stresová fyziológia
Nepriaznivé environmentálne faktory sa nazývajú stresory a reakcia tela na odchýlky od normy je stres (stres). Pre rastliny sú charakteristické tri fázy stresu: 1) primárna reakcia na stres, 2) adaptácia, 3) vyčerpanie. Účinok stresora závisí od veľkosti škodlivého faktora, dĺžky jeho pôsobenia a odolnosti rastliny. Rastová rezistencia voči stresoru závisí od fázy ontogenézy. Najodolnejšie rastliny, ktoré sú v pokoji. Najcitlivejšie rastliny v mladom veku.
Primárne nešpecifické procesy, ktoré sa vyskytujú v rastlinných bunkách pri pôsobení stresorov, zahŕňajú nasledujúce:
1. Zvýšená membránová permeabilita, depolarizácia membránového potenciálu plazmatickej membrány.
2. Vstup vápnikových iónov do cytoplazmy bunkových stien a intracelulárnych oddelení (vakuol, endoplazmatické retikulum, mitochondria).
3. Posuňte pH cytoplazmy na kyslú stranu.
4. Aktivácia zostavy cytoskeletového aktínového mikrofilamentu, v dôsledku čoho sa zvyšuje viskozita a rozptyl svetla cytoplazmy.
5. Zvýšená absorpcia kyslíka, zrýchlený odpad ATP, vývoj procesov s voľnými radikálmi.
6. Zvýšenie obsahu aminokyseliny Prolín, ktorý môže tvoriť agregáty, ktoré sa správajú ako hydrofilné koloidy a prispievajú k zadržaniu vody v bunke. Prolín sa môže viazať na proteínové molekuly a chráni ich pred denaturáciou.
7. Aktivácia syntézy stresových proteínov.
8. Zvýšená aktivita protónovej pumpy v plazmaleme a prípadne v tonopláte, ktorá zabraňuje nepriaznivým posunom iónovej homeostázy.
9. Posilnenie syntézy etylénu a kyseliny abscisovej, inhibícia delenia a rastu, absorpcia bunkovej aktivity a iné fyziologické procesy uskutočňované za normálnych podmienok.
Okrem toho majú stresory špecifický vplyv na bunky. V nízkych dávkach opakované namáhania vedú k vytvrdzovaniu tela a kalenie na jediný stres prispieva k zvýšeniu odolnosti tela a ďalších škodlivých faktorov.
Na organizačnej úrovni zostávajú všetky bunečné mechanizmy adaptácie a sú doplnené novými, čo odráža interakciu orgánov v celej rastline. Predovšetkým ide o konkurenčný vzťah medzi fyziologicky aktívnymi látkami a potravinami. To umožňuje rastlinám v extrémnych podmienkach tvoriť len taký minimálny počet generačných orgánov, ktoré sú schopné poskytnúť potrebné látky na zrenie. Pri nepriaznivých podmienkach sa zrýchľujú procesy starnutia a vyčistenia spodných listov a produkty hydrolýzy ich organických zlúčenín sa používajú na vyživovanie mladých listov a vytváranie generatívnych orgánov. Rastliny sú schopné nahradiť poškodené alebo stratené orgány regeneráciou a rastom axilárnych púčikov. Vo všetkých týchto procesoch korelačného rastu sú zahrnuté medzibunkové regulačné systémy (hormonálne, trofické a elektrofyziologické).
V podmienkach dlhotrvajúceho a silného stresu najprv zomierajú nestabilné rastliny. Odstránia sa z populácie a potomstvo semien vytvára odolnejšie rastliny. V dôsledku toho sa zvyšuje celková úroveň rezistencie v populácii. Na úrovni obyvateľstva sa aktivuje výber, čo vedie k vzniku prispôsobených organizmov a nových druhov.
12.2. Tolerancia sucha a odolnosť voči prehriatiu
Účinok sucha v prvom rade vedie k poklesu buniek voľnej vody, čo ovplyvňuje hydratáciu obalov proteínov a fungovanie enzýmov. Pri dlhšom väzení dochádza k aktivácii hydrolytických procesov, čo vedie k zvýšeniu obsahu proteínov a uhľohydrátov s nízkou molekulovou hmotnosťou v bunkách. Pod vplyvom sucha v listoch sa množstvo RNA znižuje kvôli poklesu jeho syntézy a aktivácie ribonukleáz. V cytoplazme sa rozpadá polysom. Zmeny v DNA sa vyskytujú len počas dlhotrvajúceho sucha. V dôsledku poklesu voľnej vody sa zvyšuje koncentrácia vakuolárnej šťavy. Pri dehydrovaní v rastlinách, ktoré nie sú prispôsobené suchu, intenzita dýchania výrazne stúpa a potom klesá. V suchých rastlinách za týchto podmienok nie sú pozorované významné zmeny v dýchaní.
V podmienkach nedostatku vody je bunkové delenie a rozšírenie rýchlo inhibované, čo vedie k tvorbe malých buniek a spomaľuje rast rastlín. Rýchlosť rastu koreňov na začiatku sucha sa zvyšuje a znižuje iba pri dlhotrvajúcom nedostatku vody v pôde. Pri suchu v koreňoch sa zrýchľuje bunková diferenciácia a dochádza k odberu a suberinizácii exodermu.
Počas sucha spolu s dehydratáciou sa rastliny prehria. Vysoké teploty zvyšujú koncentráciu buniek a priepustnosť bunkových membrán. V dôsledku uvoľňovania látok rozpustených v bunkovom roztoku sa osmotický tlak postupne znižuje. Avšak pri teplotách nad 35 ° C sa zvyšuje osmotický tlak v dôsledku zvýšenej hydrolýzy škrobu a bielkovín, čo vedie k zvýšeniu obsahu monosacharidov, aminokyselín a amoniaku. Amoniak je toxický pre bunky rastlín, ktoré nie sú odolné voči prehriatiu. V tepelne odolných rastlinách sa pozoruje nárast obsahu organických kyselín, ktoré viažu nadbytok amoniaku. Pri pôsobení vysokých teplôt sa v rastlinných bunkách indukuje syntéza stresových proteínov tepelného šoku. V jadre tvoria tieto proteíny granuly, väzbovú DNA a expresiu blokujúcich génov. Po zániku stresu sa granule rozpadajú a obnoví sa génová expresia. Jeden z proteínov tepelného šoku stabilizuje plazmatickú membránu.
Rezistencia sucha poľnohospodárskych rastlín sa zvyšuje v dôsledku predosievania kalenia semien, ktoré sú pred sušením znovu vysušené po jedinom namáčaní.
12.3. Odolnosť rastlín na nízke teploty
Rastliny rôznych biotopov majú nerovnakú odolnosť voči nízkym teplotám. To znamená, že mnohé rastliny na severe Severného Írska odolávajú chladeniu až do -60 o C bez zranenia v zime. Väčšina horúcich rastlín južného pôvodu netoleruje nízke pozitívne teploty. Napríklad bavlna zomrie počas dňa pri teplote 1-3 o C. Preto je odolnosť rastlín na nízke teploty rozdelená na studenú odolnosť alebo odolnosť teplomilných rastlín a rastlín v miernom pásme na nízke pozitívne teploty a mrazuvzdornosť alebo schopnosť rastlín tolerovať teploty pod 0 ° C.
V termofilných rastlinách pri nízkych pozitívnych teplotách dochádza k stratám trupu bunkami v anténe, pretože je narušená dodávka vody. Zistil sa nárast rozpadu proteínov a nahromadenie rozpustných foriem dusíka v tkanivách. Funkčná aktivita membrán sa mení v dôsledku prenosu lipidov z kvapalného kryštalického stavu do stavu gélu.
Studenú odolnosť plodín je možné zvýšiť zavedením potašných hnojív a predsevným kalením semien. Naklonené semená plodín milujúcich teplo (uhorky, paradajky, melóny atď.) Sa udržujú niekoľko dní striedavo po 12-hodinových podmienkach nízkej teploty (1-5 o) a vyššej (10-20 o). Rovnakým spôsobom môžete sadenice vytvrdnúť. Rezistencia za studena sa zvyšuje namočením semien v 0,25% roztoky stopových prvkov alebo dusičnanu amónneho.
Hlavné príčiny smrti rastlinných buniek pri negatívnych teplotách sú: 1) ich dehydratácia a 2) poškodenie bunkových štruktúr spôsobené mechanickým lisovaním ľadom. Dehydratácia nastáva v dôsledku odstránenia vody z buniek ľadovými kryštálmi vytvorenými v medzibunkových priestoroch. Pri dlhšom vystavení mrazu dochádza k nárastu ľadových kryštálov na značnú veľkosť a okrem stlačenia buniek môže plazma-lemma poškodiť.
V mrazuvzdorných rastlinách sa zvyšuje obsah nenasýtených mastných kyselín v bunkových membránach. Preto dochádza pri negatívnych teplotách k fázovému prechodu membránových lipidov z kvapalného kryštalického stavu do gélu. V gélovom stave je permeabilita membrán prudko znížená. Okrem toho sa aktivuje syntéza kryoprotektantov - hydrofilných proteínov, mono- a oligosacharidov v rastlinách odolných voči mrazu. Voda, ktorá je súčasťou hydratovaných krytov týchto látok, nezmrazuje a neopúšťa bunky. Ďalším typom kryoprotektantného polyméru je hemicelulóza uvoľnená do bunkovej steny. Obalujú ľadové kryštály a zabraňujú ich rastu.
12.4. Tolerancia soli
Rastliny, ktoré sú odolné voči slanosti, sa nazývajú halofyty (z gréckych Galos - soľ, Phyton - rastlina). Odlišujú sa od glykopytov - rastlín nesolených vodných telies a pôdy - v mnohých anatomických a metabolických vlastnostiach. V glykopych počas salinizácie klesá rast buniek rozťahovaním, metabolizmus dusíka je narušený a akumuluje toxický amoniak.
Všetky halofyty sú rozdelené do troch skupín:
1. Tieto Halophyes (eugalofity) - najviac odolné rastliny, sa hromadí v vakuol značné množstvo solí. Preto majú veľkú sací výkon, čo umožňuje absorbovať vodu z vysoko fyziologického roztoku. Pre rastliny tejto skupiny je charakteristická mäkkosť listov, ktorá zmizne, keď sa pestuje na pôde bez soli.
2. Solevydelyayuschie Halophyes (krinogalofity) absorbujúce soli sa nehromadí v ich tkanív a buniek odobratých z povrchu listov s sekrečných žliaz. Izolácia solí žľazami sa vykonáva pomocou iónových čerpadiel a je sprevádzaná prepravou veľkého množstva vody. Soľ sa odstráni padajúcimi listami. V niektorých rastlinách, odstránenie nadbytočných solí dochádza bez absorbovanie veľkých množstvo vody, ako je soľ oddeľuje vakuoly-hlavy zvlákňovacej bunky listu odlomiť a jeho následné obnovenie.
3. Halofytové rastliny (glykogalofyty) rastú na menej solných pôdach. Vysoký osmotický tlak v ich bunkách je udržiavaný produktmi fotosyntézy a bunky sú nepriepustné pre soli.
Tolerancia soli rastlín sa zvyšuje po predsetí kalenie semien. Semená sa namočia jednu hodinu v 3% roztoku chloridu sodného a potom sa premyjú vodou po dobu 1,5 hodiny. Táto technika zvyšuje odolnosť rastlín na chloridovú slanosť. Na ochladenie na sulfátovú salinizáciu sa semená namočia počas dňa v 0,2% roztoku síranu horečnatého.
12.5. Odolnosť voči nedostatku kyslíka
Nedostatok kyslíka (hypoxia), nastáva, keď dočasné alebo trvalé zamokrenie, s pôdou zamokrenie, tvorba ľadu kôry na oziminy a uložené poľnohospodárskych produktov. U rastlín, korene, ktoré sú neustále dochádza nedostatok kyslíka v procese dlhého vývoja došlo k zmenám v morfologické a anatomické štruktúry tkaniva: rozšírenie spodnej časti stonky, tvorbu ďalšie ventilačné systémy povrch koreňového systému a intercelulárnej potrebných k prenosu kyslíka z nadzemných častí rastliny ku koreňom.
V niektorých rastlinách sa pentózafosfát a glykolytické dýchacie cesty aktivujú na ochranu proti hypoxii. V rastlinách, ktoré sú odolné voči nedostatku kyslíka, sa nehrombujú toxické produkty anaeróbneho rozpadu. Pri nedostatku kyslíka ako konečného akceptora elektrónov sú adaptačné procesy takzvaná anoxická endogénna oxidácia, počas ktorej sa elektróny prenesú na látky, ako sú dusičnany, dvojité väzby nenasýtených zlúčenín (mastné kyseliny, karotenoidy).
Na zvýšenie odolnosti voči hypoxii sa semená namočia v roztokoch chlórcholínchloridu, kyseliny nikotínovej alebo síranu manganatého.
12.6. Odolnosť voči plynu
Odolnosť voči plynom je schopnosť rastlín udržiavať svoju životnú aktivitu pod pôsobením škodlivých plynov. Toxické plyny vstupujúce do listov tvoria kyseliny alebo zásady. To vedie k zmene pH cytoplazmy, k deštrukcii chlorofylu, k rozrušeniu bunkových membrán. Pre rôzne typy rastlín, ktoré sa vyznačujú svojou bezpečnosťou pre životnú úroveň akumulácie toxických plynov. Takže sukňa, topoľ a javor sú odolnejšie voči chlóru a oxidu siričitému (SO 2) ako lipa a gaštanu. Rastliny, ktoré sú odolné voči slanosti a iným stresorom, majú vyššiu odolnosť proti plynom.
Odolnosť plynov rastlín sa zvyšuje optimalizáciou minerálnej výživy a zásobovania vodou, ako aj kalením semien. Namáčanie semien v slabých roztokoch kyseliny chlorovodíkovej a kyseliny sírovej zvyšuje odolnosť rastlín voči kyslým plynom.
12.7. Rádiová stabilita
Existujú priame a nepriame účinky žiarenia na živé organizmy. Priame pôsobenie energie žiarenia na molekulu ju prenáša do vzrušeného alebo ionizovaného stavu. Škody na štruktúre DNA sú obzvlášť nebezpečné: ruptúry cukrových fosfátových väzieb, deaminácia dusíkatých báz, tvorba pyrimidínových dimérov. Nepriamym účinkom žiarenia je poškodenie molekúl, membrán, organelov buniek spôsobených produktmi rádiolýzy vody. Nabitá častica žiarenia, interagujúca s molekulou vody, spôsobuje jej ionizáciu. Vodné ióny počas životnosti 10 - 15 - 10 - 10 sekúnd sú schopné tvoriť chemicky aktívne voľné radikály a peroxidy. Tieto silné oxidačné činidlá počas životnosti 10 -6 - 10 -5 sekúnd môžu poškodiť nukleové kyseliny, enzýmové proteíny, membránové lipidy. Počiatočné poškodenie je zvýšené nahromadením chýb v procesoch replikácie DNA, syntézy RNA a proteínov.
Rastová odolnosť proti žiareniu je určená týmito faktormi:
1. Konštantná prítomnosť systémov na opravu enzýmovej DNA. Hľadajú poškodenú oblasť, zničí ju a obnovia integritu molekuly DNA.
2. Prítomnosť látok v bunkách - radioprotectors (sulfhydrylové zlúčeniny, kyselina askorbová, katalázy, peroxidázy, oxidu polyfenolu). Odstraňujú voľné radikály a peroxidy, ktoré sa vyskytujú počas ožarovania.
3. zotavenie je na úrovni organizmu u rastlín: a) Rozdelenie populácie heterogenity meristému bunky, ktoré obsahujú bunky v rôznych fázach mitotického cyklu nerovné na radioresistance, b) v prítomnosti apikálního meristému pokojovej bunky, ktoré začínajú deliť pri zastavení delení hlavnej meristému bunky c) prítomnosť spiacich púčikov, že po zničení apikálního meristému začínajú fungovať a znižuje poškodenie.
12.8. Rastlinná rezistencia voči patogénom
Odolnosť proti rastlinným patogénom sa určí, ako to bolo zistené v publikácii H. Flor 50. rokoch 20. storočia, že sa nechá reagovať komplementárna pár génov hostiteľské rastliny a patogénu, respektíve gén rezistencie (R), génu a avirulence (AVR). Špecifickosť ich interakcie naznačuje, že expresie týchto génových produktov sa zúčastňuje rozpoznávania rastlinným patogénom, následnou aktiváciou procesy signalizácie aktivovať obranné reakcie.
Vyjadrujú sa produkty expresie niektorých R génov. Ide o proteíny a všetky obsahujú opakovanie, bohaté na leucín, ako aj proteínkinázové a nukleotidové väzbové domény. proteínová doména, obsahujúca opakujúce sa, leucín bohatý proteín zodpovedný za väzbu na proteín, ktorý je zodpovedný za rozpoznanie patogénu. Nukleotidsvyazyvayuschy proteínové kinázy domény a fosforylácia proteínov podieľajúcich sa na ochrane a regulácie génovej expresie, v uvedenom poradí.
Zo strany patogénov sa procesy rozpoznávania podieľajú elicitanti. Sú to látky, ktoré indukujú expresiu ochranných génov v rezistentných rastlinách. Rastlinné glukanázy, polysacharidov ničí bunkovej steny húb a baktérií, ich premena nízkomolekulových elicitoru (B-spojené glukány a chitosan). A elicitorem je lipoglikoproteinovy komplex (aktívna časť - nenasýtené mastné kyseliny: eikozapentaénovej a arachidonová). Sacharidová časť glykoproteínov obsahujúcich manán má elititorové vlastnosti.
So zničením pektínových polysacharidov rastlinných bunkových stien zvláštne látky, ktoré vznikajú polygalakturonázy patogénmi (alarmy), ktoré migrujú do zdravých buniek, kde sa indukuje ochrannú odpoveď. Tieto látky sa nazývajú konštitučné alebo endogénne elicitory alebo oligosacharíny. Aktívna časť je Dodek-a-1,4-galakturonin skladajúci sa z 12 zvyškov galakturonozilnyh.
Rastlina rozpozná elicitory svojimi receptorami umiestnenými v bunkovej stene a plazmatickej membráne. Tvorba komplexu elicitor-receptor zahŕňa mechanizmy ochrany rastlín. Avšak interakcia hubových elicitorů receptorov inhibuje supresorové - glukány nízkomolekulárny pridelené gifoy plesňové elicitoru a súťaží o väzbu na receptor. Ak sa supresor viaže na receptor, potom obranné reakcie nie sú zahrnuté.
Pre huby a baktérie, že je dobre známe, že ich elicitory komunikovať s vonkajším (mimo lokalizované plazmatické) časť receptorového proteínu sa nachádza v plazmatickej membráne. V dôsledku tejto väzby sa vonkajšie miesto receptora autofosforyluje a mení sa jeho konformácia. Zvyšok kyseliny fosforečnej sa prenesie do vnútornej časti receptora, čo tiež mení jeho konformáciu. Dôsledkom interakcie s elicitoru receptoru je aktivácia kaskády prenosu signálu pre riadenie expresie ochranných génov. V súčasnej dobe známe signalizačné systémy 7: tsikloadenilatnaya, MAP-kinázy (mitogénom aktivovaný proteín-kináza), fosfatidokislotnaya, vápenaté, lipoxygenázy, NADPH oxidázy · H (superoxidesynthase), NO-syntázy.
V prvých piatich signalizačných systémoch G-proteíny sprostredkujú medzi cytoplazmovou časťou receptora a prvým aktivovaným enzýmom. Tieto proteíny sú umiestnené na vnútornej strane plazmalemmy. Ich molekuly pozostávajú z troch podjednotiek: a, b a g. V kľude všetky podjednotky tvoria komplex, kde a-podjednotka je spojená s guanozín-difosfátom. V dôsledku konformačných zmien po naviazaní na elicitor sa receptor viaže na G-proteín. V tomto prípade sa guanozín difosfát oddelí od a-podjednotky a guanozín trifosfát nahradí jeho miesto. Potom sa a-podjednotka oddelí od ostatných dvoch podjednotiek a viaže sa na akýkoľvek efektor, ako je adenylátcykláza. Potom a-podjednotka hydrolyzuje guanozín-trifosfát na guanozín-difosfát, inaktivuje sa, oddelí sa od efektora a pripojí sa k voľným b- a g-podjednotkám. Takže G-proteíny, viažuce sa na efektory, zahŕňajú signálne dráhy.
Stručne zvážte každý signálny systém.
Cykloadenylátový poplachový systém. Interakcia stresora s receptorom na plazmatickej membráne vedie k aktivácii adenylátcyklázy, ktorá katalyzuje tvorbu cyklického adenozínmonofosfátu (cAMP) z ATP. cAMP aktivuje iónové kanály, vrátane vápnikového signalizačného systému a cAMP-dependentných proteínkináz. Tieto enzýmy aktivujú proteínové regulátory expresie ochranných génov a fosforylujú ich.
MAP kinázový signalizačný systém. Aktivita proteínkináz sa zvyšuje v rastlinách, ktoré sú vystavené stresu (modré svetlo, chlad, sušenie, mechanické poškodenie, stres soľ), ako aj ošetrené etylénom, kyselinou salicylovou alebo infikovaným patogénom.
V rastlinách kaskáda proteín kinázy funguje ako signálna transdukčná dráha. Väzba elicitoru k receptoru plazmatickej membrány aktivuje MAP kinázovú kinázu. Katalyzuje fosforyláciu cytoplazmatickej kinázy MAP kinázy, ktorá sa aktivuje dvojitou fosforyláciou treonínových a tyrozínových zvyškov MAP kinázy. Vstupuje do jadra, kde fosforyluje proteíny regulátora transkripcie.
Systém signalizácie kyseliny fosfatidovej. V živočíšnych bunkách G pod vplyvom stresora proteíny aktivujú fosfolipázy C a D. Fosfolipáza C hydrolyzuje fosfatidyl inozitol-4,5-bisfosfát za vzniku diacylglycerolu a inositol-1,4,5-trifosfátu. Posledne uvedený uvoľňuje Ca2 + z viazaného stavu. Zvýšený obsah vápenatých iónov vedie k aktivácii Ca2 + -zodpovedajúcich proteínkináz. Po fosforylácii špecifickou kinázou sa diacylglycerol konvertuje na kyselinu fosfatidovú, ktorá je signálnou látkou v živočíšnych bunkách. Fosfolipáza D priamo katalyzuje tvorbu kyseliny fosfatidovej z lipidových (fosfatidylcholínových, fosfatidyletanolamínových) membrán.
V rastlinách stresory aktivujú G proteíny, fosfolipázy C a D v rastlinách. Preto sú počiatočné štádiá tejto signalizačnej dráhy rovnaké v živočíšnych a rastlinných bunkách. Možno predpokladať, že kyselina fosfatidová sa tiež vytvára v rastlinách, ktoré môžu aktivovať proteínové kinázy, po ktorých nasleduje fosforylácia proteínov vrátane faktorov regulácie transkripcie.
Systém signalizácie vápnika. Vplyv rôznych faktorov (červené svetlo, slanosť, sucho, zima, tepelného šoku, osmotický stres, kyselina abscisová, giberelíny a patogénov), vedie k zvýšeniu obsahu vápenatých iónov v cytoplazme zvýšením dovoz zvonku a výstup z intracelulárnych zásob (endoplasmatického retikula a vakuoly).
Zvyšovanie koncentrácie vápnikových iónov v cytoplazme vedie k aktivácii rozpustných a Ca2 + dependentných proteínkináz viazaných na membránu. Podieľajú sa na fosforylácii proteínových faktorov regulujúcich expresiu ochranných génov. Ukázalo sa však, že Ca2 + je schopný priamo ovplyvniť ľudský transkripčný represor bez aktivácie proteínovej fosforylačnej kaskády. Ióny vápnika tiež aktivujú fosfatázy a fosfolipidovú fosfolipázu špecifickú pre fosfoinositol C. Regulačný účinok vápnika závisí od jeho interakcie s intracelulárnym receptorom vápnika, kalmodulínovým proteínom.
Systém signalizácie lipoxygenázy. Interakcia elicitoru s receptorom na plazmatickej membráne vedie k aktivácii membránovo viazanej fosfolipázy A2, ktorá katalyzuje uvoľňovanie nenasýtených mastných kyselín z plazmatickej membrány fosfolipidov, vrátane kyseliny linolovej a kyseliny linolénovej. Tieto kyseliny sú substrátmi pre lipoxygenázu. Substrátmi tohto enzýmu môžu byť nielen voľné, ale aj nenasýtené mastné kyseliny, ktoré tvoria triglyceridy. Lipoxygenázová aktivita sa zvyšuje s pôsobením elicitorov, infekciou rastlín vírusmi a hubami. Zvýšenie aktivity lipoxygenázy je spôsobené stimuláciou expresie génov kódujúcich tieto enzýmy.
Lipoxygenázy katalyzujú pridávanie molekulového kyslíka k jednému (9 alebo 13) atómom uhlíka cis, cis-pentadiénového zvyšku mastných kyselín. Medziprodukty a konečné produkty lipoxygenázového metabolizmu mastných kyselín majú baktericídne, fungicídne vlastnosti a môžu aktivovať proteínové kinázy. Preto sú prchavé produkty (hexenály a nonenaly) toxické pre mikroorganizmy a huby, fosforyláciu proteínov stimulovaných 12-hydroxy-9Z-dodekénovou kyselinou v rastlinách hrachu, fytodiénových, jasmonových kyselín a metyl jasmonátu aktiváciou proteínkináz, zvýšenie úrovne expresie ochranných génov.
NADP · N-oxidázový signalizačný systém. V mnohých prípadoch infekcia patogénmi stimulovala produkciu reaktívnych druhov kyslíka a bunkovej smrti. Reaktívne druhy kyslíka sú nielen toxické pre patogén a infikované hostiteľské rastlinné bunky, ale sú tiež účastníkmi signálneho systému. Peroxid vodíka teda aktivuje transkripčné regulačné faktory a expresiu ochranných génov.
Systém signalizácie NO syntázy. V makrofágoch zvierat, ktoré zabíjajú baktérie, spolu s reaktívnymi formami kyslíka, pôsobí oxid dusnatý a zvyšuje ich antimikrobiálne pôsobenie. V živočíšnych tkanivách sa L-arginín konvertuje na citrulín a NO pôsobením NO syntázy. Aktivita tohto enzýmu bola tiež detegovaná v rastlinách a vírus tabakovej mozaiky indukoval zvýšenie svojej aktivity v rezistentných rastlinách, ale neovplyvnil aktivitu NO syntázy v citlivých rastlinách. NIE, v interakcii s kyslíkom superoxidom tvorí veľmi toxický peroxynitril. Pri zvýšených koncentráciách oxidu dusnatého sa aktivuje guanylátcykláza, ktorá katalyzuje syntézu cyklického guanozínmonofosfátu. Aktivuje proteínové kinázy priamo alebo prostredníctvom tvorby cyklickej ADP-ribózy, ktorá otvára Ca2 + kanály a tým zvyšuje koncentráciu vápnikových iónov v cytoplazme, čo následne vedie k aktivácii Ca2 + dependentných proteínkináz.
Preto v rastlinných bunkách existuje koordinovaný systém signalizačných ciest, ktoré môžu pôsobiť nezávisle od seba alebo spoločne. Funkciou signálového systému je zosilnenie signálu počas jeho prenosu. Začlenenie signalizačného systému v reakcii na účinky rôznych stresorov (vrátane patogénov) vedie k aktivácii expresie ochranných génov a zvýšeniu odolnosti rastlín.
Indukované mechanizmy: a) zvýšené dýchanie, b) akumulácia látok, ktoré poskytujú stabilitu, c) vytvorenie ďalších ochranných mechanických bariér, d) vývoj reakcie precitlivenosti.
Patogén, porušenie povrchových bariér a dostávanie sa do vodivého systému a rastlinných buniek, spôsobuje chorobu rastliny. Povaha ochorenia závisí od odolnosti rastliny. Podľa stupňa odolnosti sa rozlišujú štyri kategórie rastlín: citlivé, tolerantné, precitlivené a extrémne odolné (imúnne). Stručne ich popíšeme na príklade interakcie rastlín s vírusmi.
V citlivých rastlinách sa vírus prepravuje z pôvodne infikovaných buniek cez rastlinu, dobre sa rozmnožuje a spôsobuje rôzne príznaky choroby. Avšak v citlivých rastlinách existujú ochranné mechanizmy, ktoré obmedzujú vírusovú infekciu. To je dokázané napríklad obnovením reprodukcie vírusu mozaiky tabaku v protoplastoch izolovaných z infikovaných listov rastlín tabaku, v ktorých sa skončil rast infekčnosti. Tmavozelené zóny, ktoré sa tvoria na mladých listoch choroboplodných rastlín, sa vyznačujú vysokou odolnosťou proti vírusom. Bunky týchto zón takmer neobsahujú vírusové častice v porovnaní so susednými bunkami svetlo zeleného tkaniva. Nízka hladina akumulácie vírusu v bunkách tmavozelených tkanív je spojená so syntézou antivírusových látok. V tolerantných rastlinách sa vírus šíri po celom rastline, ale šíri sa zle a nespôsobuje príznaky. U hypersenzitívnych rastlín, primárne infikovaných a susedných buniek nekrotických, lokalizácia vírusu v nekróze. Predpokladá sa, že v extrémne rezistentných rastlinách je vírus reprodukovaný iba v pôvodne infikovaných bunkách, nie je transportovaný cez rastlinu a nespôsobuje príznaky tejto choroby. Avšak v týchto rastlinách bol preukázaný transport vírusového antigénu a subgenómovej RNA, a keď boli infikované rastliny uchovávané pri nízkej teplote (10 až 15 ° C), na infikovaných listoch sa vytvorila nekróza.
Najznámejšie skúmané mechanizmy rezistencie hypersenzitívnych rastlín. Tvorba lokálnej nekrózy je typickým symptómom hypersenzitívnej odpovede rastlín v reakcii na poškodenie patogénu. Sú výsledkom smrti skupiny buniek na mieste zavedenia patogénu. Smrť infikovaných buniek a vytvorenie ochrannej bariéry okolo nekrózy zabraňujú prenosu infekčného agens prostredníctvom rastliny, zabraňujú prístupu živín k patogénu, spôsobujú elimináciu patogénu, vedú k tvorbe antipatogénnych enzýmov, metabolitov a signalizačných látok, ktoré aktivujú ochranné procesy v susedných a vzdialených bunkách a v konečnom dôsledku prispievajú k hojeniu rastliny. Smrť buniek je dôsledkom zahrnutia genetického programu úmrtia a tvorby zlúčenín a voľných radikálov, ktoré sú toxické ako pre patogén, tak pre samotnú bunku.
Nekrotizácia infikovaných buniek supersenzitívnych rastlín, riadených génmi patogénu a hostiteľskej rastliny, je špeciálnym prípadom programovanej bunkovej smrti (PCD). PCD je nevyhnutná pre normálny vývoj tela. Preto sa vyskytuje napríklad počas diferenciácie tracheidných prvkov počas tvorby xylemových ciev a bunkovej smrti koreňového uzáveru. Tieto periférne bunky umierajú, aj keď korene rastú vo vode, to znamená, že bunková smrť je súčasťou vývoja rastliny a nie je spôsobená pôsobením pôdy. Podobnosť medzi bunkovú smrťou PCD a precitlivenosti na reakcie je to, že dve aktívny proces, nekrotizujúca klietka tiež zvyšuje obsah iónov vápnika v cytoplazme, sa tvoria membránové vačky, deoxyribonucleases zvyšuje aktivitu, DNA sa rozdelí do fragmentov 3'ON končí kondenzácii jadier a cytoplazmy.
Popri zahrnutí PCD dochádza k nekrotizácii infikovaných buniek hypersenzitívnych rastlín v dôsledku uvoľňovania fenolov z centrálnej vakuoly a hydrolytických enzýmov z lyzozómov v dôsledku integrity bunkových membrán a zvýšenia ich permeability. Zníženie integrity bunkových membrán v dôsledku lipidovej peroxidácie. Môže sa vyskytnúť za účasti enzýmov a neenzymatickým spôsobom v dôsledku pôsobenia reaktívnych foriem kyslíka a voľných organických radikálov. Ukázalo sa vyššie, že u rastlín s ochorením sa zvýšila aktivita fosfolipáz a lipoxygenáz. Sú známe týchto druhov reaktívnych foriem kyslíka, ako superoxidu (O 2 · -), pergidroksilny (HO 2 ·), ktorý je protonizovaný forma superoxidu, hydroxyl (OH ·) radikály, peroxid vodíka (H 2O 2), singlet excitovaného kyslíka (1 Asi 2). Reaktívne druhy kyslíka sú v rastlinných bunkách stále prítomné v malých množstvách, ktoré sa vytvárajú v procese redoxných reakcií. Veľmi rýchla akumulácia reaktívnych druhov kyslíka bola preukázaná pre rôzne kombinácie rastlinných patogénov a pri liečbe s elicitormi. Oxidačný výbuch sa vyskytol aj pri vystavení abiotickým faktorom: ultrafialové ožarovanie (280-320 nm), zvýšená teplota, osmotický a mechanický stres.
Prerušenie integrity bunkových membrán a zvýšenie ich priepustnosti je tiež spôsobené pôsobením takzvaných "zabíjačských protoplastov" nachádzajúcich sa v nekrotických listoch hypersenzitívnych tabakových rastlín postihnutých vírusom tabakovej mozaiky alebo baktériami. Zistilo sa, že vodné extrakty nekrotických listov sú toxické pre izolované protoplasty. V našich experimentoch sa na základe údajov o gélovej filtrácii a ionexovej chromatografii extraktov nekrotických listov rastlín tabaku odrody Xanthi nc zistilo, že "zabijak protoplastov" je kyslý proteín s molekulovou hmotnosťou približne 70 kDa.
Jednou z charakteristických vlastností hypersenzitívnych rastlín je získaná (indukovaná) rezistencia voči reinfekcii patogénom. Nasledujúce pojmy boli navrhnuté: systém získaný odpor (systémový získaný odpor - SAR) a lokálny získaný odpor (lokalizovaný získaný odpor - LAR). LAR sa hovorí v prípadoch, keď je rezistencia získaná bunkami v zóne bezprostredne susediacej s lokálnou nekrózou (vzdialenosť asi 2 mm). V tomto prípade sa sekundárna nekróza netvorí vôbec. Získaná rezistencia sa považuje za systémovú, ak sa vyvíja v bunkách chorých rastlín, vzdialených od miesta počiatočného zavádzania patogénu. Zoznamy SAR
Nedávno sa v tlači av televízii často diskutuje o otázkach súvisiacich s geneticky modifikovanými rastlinami ao potenciálnom riziku konzumácie potravín z nich vyrobených. Bohužiaľ, v takých diskusiách často vyhrávajú emócie, nie vedecká logika. V dôsledku toho vzniká v spoločnosti opatrný postoj k geneticky modifikovaným rastlinám a dokonca aj akýsi "environmentálny terorizmus". Keď koncom deväťdesiatych rokov chceli poslať dávku geneticky modifikovanej ryže z Nemecka do juhovýchodnej Ázie, "zelené" išli do únosu lietadla (!) A zničili celú dávku semien. Vlani v lete tí istí "zelení teroristi" prenikli na územie jedného z výskumných centier v Austrálii a zničili plodiny transgénnej pšenice, na ktorej výskumníci pracovali približne 10 rokov. Táto akcia vyvrcholila výskum pšenice a spôsobila straty vedeckému centru, ktoré dosahuje milióny dolárov.
Toto, samozrejme, extrémne prejavy. Ale každá moderná osoba sa obáva otázky: mali by sme sa obávať geneticky modifikovaných rastlín? Čo prinášajú svetu: prospech alebo ublíženie? Neexistuje žiadna odpoveď. A každý konkrétny prípad používania GMO sa musí riešiť oddelene.
Aké projekty s účasťou ľudských organizmov transgénnych rastlín vyvíjajú dnes?
Odolnosť proti škodcom
Hmyz škodcovia v ohniskách môžu zabiť významnú časť plodiny (ak nie celú plodinu). Ak chcete bojovať proti nim, aplikujte pomerne agresívne látky - pesticídy (z latinčiny. pestis - škodlivé pohromy, infekcie a caedo - zabiť). Pesticídy zničia škodlivý aj užitočný hmyz (napríklad včely, čmeliaky, brouci), postihujú obyvateľov pôdy a ak sa dostanú do vodných tokov, pesticídy môžu spôsobiť smrť rýb. Používanie pesticídov je nebezpečné predovšetkým pre ľudí pracujúcich v poľnohospodárstve: práve oni pripravujú riešenie, vykonávajú postrek, pracujú v teréne, zatiaľ čo pesticídy naďalej fungujú. Len malá časť pesticídov, ktoré sa z veľkej časti už rozložili, príde na náš stôl. Zvyšky pesticídov je možné zbaviť dôkladným vymytím zeleniny a ovocia alebo odlupovaním kože.
Stále nie je možné upustiť od používania pesticídov: potom sa rozmnožia škodcovia a ľudstvo zostane bez úrody. Je možné, aby sa kultivované rastliny nepožívali pre hmyz?
Toto je miesto, kde sa záchranné génové inžinierstvo nachádza. Hmyz, ako všetky ostatné živé bytosti, sa ochorí. Jeden z týchto ochorení je spôsobený baktériou Thuringian rod ( Bacillus thuringiensis). Vylučuje proteínový toxín, ktorý narušuje trávenie hmyzu (ale nie u teplokrvných zvierat!). Tento proteín je označený ako BT-toxín (z prvých písmen latinského názvu durynskej tyčinky). Ďalej je potrebné izolovať gén zodpovedný za syntézu BT toxínu, zahrnúť ho do zloženia umelého T-oblasti DNA, šíriť plazmid v Escherichia coli, ďalej prenášať plazmid na agrobaktérium pomocou pomocného plazmidu (na použitie agrobaktérií na genetickú modifikáciu rastlín - pozri " »№11). T-oblasť z Agrobacterium invázie rastlinný genóm (napríklad bavlna). Na umelom médiu s antibiotikami sa môžu vybrať transformované bunky a z nich možno získať geneticky modifikované rastliny (obrázok 6). Teraz bude BT-toxín syntetizovaný v bavlne a bude odolný proti škodcom.
Bavlníkové škodcovia sú aktuálnym problémom pre tropické oblasti. Tak, vypuknutie bavlníkového nosa v XIX - XX storočia. boli jedným z dôvodov hospodárskeho poklesu v Spojených štátoch. Od roku 1996 sa do polí zaviedla geneticky modifikovaná bavlna odolná voči hmyzu (najmä bavlníková hniloba). V Indii, ktorá je jednou z popredných krajín vyrábajúcich bavlnu, je dnes približne 90% plochy obývaných geneticky modifikovanou bavlnou. Takže je tu 9 šancí z 10, že už nosíte "geneticky modifikované" džínsy! Nejako to nie je uvedené v diskusiách o geneticky modifikovaných organizmoch ...
Je lákavé získať nielen technické, ale aj potravinárske rastliny, ktoré sú odolné proti škodcom (napríklad zemiaky, ktoré sú odolné voči zemiakovým zemiakom). To umožní poľnohospodárom výrazne znížiť náklady na spracovanie pesticídov v teréne a zvýšiť výnosy. V záujme dosiahnutia väčšieho zisku sú GMO rozhodne potrebné. V našej krajine už existuje oficiálne povolenie na používanie 4 odrôd zemiakov, ktoré sú odolné voči zemiakovým zemiakom Colorado: dve odrody "naše" a dve - zahraničného pôvodu. Ale je taký zemiakový bezpečný?
Vzhľad akýchkoľvek nových proteínov (napríklad BT toxínov) u citlivých ľudí môže v potravinách spôsobiť alergie, zníženie všeobecnej imunity voči chorobám a iné reakcie. Tento účinok sa však vyskytuje pri každej zmene v tradičnej strave. Napríklad, všetky rovnaké javy sa vyskytli jednoducho s "zavedením" sójového proteínu: pre Európanov sa ukázalo, že je to potenciálny alergén, znížená imunita. Rovnako sa stane aj s ľuďmi, ktorí sa pohybujú na nové miesto, ktoré sa v tradícii výživy výrazne líši. Takže pre domorodé národy na Ďalekom severe, mliečna strava alebo normálne jedlo (poznámka - vôbec nie modifikovaná!) Zemiaky môžu byť nebezpečné. Ruská fazuľa ( Vicia faba), ktoré sa tradične používajú v našej krajine ako zelenina, jedovaté pre obyvateľov Stredozemného mora atď. To všetko neznamená, že musíte bojovať všade s použitím sóje, mlieka, zemiakov alebo fazule, stačí zohľadniť individuálnu reakciu.
So zavedením geneticky modifikovaných rastlín na výrobu potravín budú niektorí ľudia citliví, ale iní sa budú nejako prispôsobiť. Avšak citliví ľudia by mali presne vedieť, aké produkty sa pripravujú pomocou GMO.
Je užitočné vedieť, že v Rusku je dnes možné importovať a používať v potravinárskych technológiách 16 odrôd a línií geneticky modifikovaných rastlín - väčšinou odolných voči určitým škodcom. Jedná sa o kukuricu, sóju, zemiaky, cukrovú repu, ryžu. Od 30 do 40% výrobkov na súčasnom trhu už obsahuje zložky odvodené z GMO. Paradoxne nie je povolené pestovať geneticky modifikované rastliny v našej krajine.
V útechách hovoríme, že v USA, ktorá pestuje 2/3 svetovej úrody geneticky modifikovaných rastlín, až 80% výrobkov obsahuje GMO!
Odolnosť proti vírusom
Porážka rastlín s vírusmi znižuje úrody v priemere o 30% (obrázok 7). Pri niektorých plodinách sú údaje o stratách ešte vyššie. Takže pri rizonácii sa stratí 50-90% zberu cukrovej repy. Koreňová plodina sa stáva plytká, tvorí množstvo bočných koreňov, obsah cukru klesá. Táto choroba bola prvýkrát objavená v roku 1952 v severnom Taliansku a odtiaľ "víťazný pochod" v 70. rokoch minulého storočia. rozšíril sa na Francúzsko, na Balkánsky polostrov a v posledných rokoch na južné oblasti našej cukrovej repy. Ani chemická úprava ani rotácia plodín nepomáhajú proti rizínii (vírus pretrváva v pôdnych organizmoch aspoň 10 rokov!).
Rizománia je len jeden príklad. S rozvojom dopravy sa rastlinné vírusy spolu s plodinou rýchlo pohybujú po celej planéte, obchádzajú colné bariéry a štátne hranice.
Jediným efektívnym spôsobom boja proti mnohým vírusovým chorobám rastlín je získanie rezistentných geneticky modifikovaných rastlín. Na zvýšenie rezistencie sa gén kapsidového proteínu izoluje z genómu vírusu patogénu rhizomania. Ak je tento gén "vyrobený", aby pracoval v bunkách cukrovej repy, potom sa dramaticky zvyšuje odolnosť proti "rizománii".
Existujú aj ďalšie projekty súvisiace so zvyšovaním odolnosti proti vírusom. Napríklad uhorky, melóny, vodné melóny, cukety a tekvice sú ovplyvnené rovnakým vírusom mozaiky uhorky. Okrem toho hosť zahŕňa rajčiny, šalát, mrkvu, zeler, mnoho okrasných a burinu. Boj s vírusovou infekciou je veľmi ťažký. Vírus je uložený na viacročných hostiteľských rastlinách a na zvyškoch koreňového systému v pôde.
Rovnako ako v prípade rhizomanie, proti vírusu mozaiky uhorky, pomáha tvorba vlastného kapsidového proteínu v rastlinných bunkách. Doteraz boli získané transgénne rastliny uhoriek, cukety a melónov odolné voči vírusu.
Prebiehajú práce na zvýšenie odolnosti voči iným vírusom poľnohospodárskych rastlín. Ale doteraz, s výnimkou cukrovej repy, rezistentné geneticky modifikované rastliny nie sú veľmi časté.
Odolnosť voči herbicídu
V rozvinutých krajinách náklady na palivo a mazivá čoraz viac uprednostňujú "bankrot" na rôznych chemikáliách. Jednou z dôležitých položiek výdavkov - látok, ktoré ničia burinu ( herbicídy). Použitie herbicídov umožňuje opätovne nevedenie ťažkých strojov cez pole, štruktúra pôdy je menej narušená. Vrstva mŕtvych listov vytvára druh mulča, čo znižuje eróziu pôdy a šetrí vlhkosť. Dnes boli vyvinuté herbicídy, ktoré sa do 2-3 týždňov úplne rozpadajú v pôde mikroorganizmami a prakticky nepoškodzujú ani živočíchy žijúce v pôde, ani opeľovače hmyzu.
Avšak, kontinuálne herbicídy existuje značná nevýhoda: pôsobia nielen na burinu, ale aj na pestované rastliny. Niektoré úspechy pri vytváraní tzv selektívnych herbicídov (tak, že konať nie na všetkých rastlinách, ale na niektorých skupinách). Napríklad existujú herbicídy proti dvojklíčnolistovým burinám (pozri článok o auxínoch, "Potenciál" č. 7). Ale pomocou selektívnych herbicídov nie je možné ničiť všetky buriny. Napríklad zostane pšeničná tráva - zlomyslná burina z obilnín.
A potom vznikla myšlienka: robiť kultivované rastliny odolné voči herbicídom s kontinuálnym pôsobením! Našťastie majú baktérie gény zodpovedné za ničenie mnohých herbicídov. Jednoducho ich premiestnite do kultivovaných rastlín. Potom namiesto neustáleho pletenia a uvoľňovania medzi radmi nad poľom môžete postriekať herbicíd. Kultivované rastliny prežijú a burina zomrie.
To sú technológie ponúkané spoločnosťami vyrábajúcimi herbicídy. Okrem toho výber transgénnych semien kultivovaných rastlín závisí od toho, ktorý herbicíd spoločnosť ponúka na trhu. Každá spoločnosť vyvíja GMO rastliny, ktoré sú odolné voči ich herbicídu (ale nie herbicídy konkurencie!). Každý rok na svete sa do pokusov v teréne prenesú 3-3,5 tisíc nových rastlinných vzoriek odolných voči herbicídu. Dokonca aj testy rastlín odolných proti hmyzu zaostávajú za týmto indikátorom!
Odolnosť proti herbicídu sa už široko využíva pri pestovaní lucerny (kŕmna plodina), repkového oleja, ľanu, bavlny, kukurice, ryže, pšenice, cukrovej repy, sóje.
Tradičná otázka: je nebezpečné alebo bezpečné pestovať takéto rastliny? Priemyselné plodiny (bavlna, ľan) sa spravidla nediskutujú: človek nepoužíva svoje produkty na výživu. Samozrejme, v geneticky modifikovaných rastlinách sa objavujú nové bielkoviny, ktoré predtým neboli v ľudskej potrave, so všetkými následnými následkami (pozri vyššie). Ale existuje ďalšie skryté nebezpečenstvo. Faktom je, že herbicíd používaný v poľnohospodárstve nie je chemicky čistá látka, ale určitá technická zmes. Do neho možno pridať čistiace prostriedky (na zlepšenie zmáčania listov), organické rozpúšťadlá, priemyselné farbivá a iné látky. Ak je obsah herbicídu v konečnom produkte prísne kontrolovaný, potom je obsah pomocných látok spravidla slabo monitorovaný. Ak je obsah herbicídu minimalizovaný, potom obsah excipientov môže byť len hádaný. Tieto látky sa tiež môžu dostať do rastlinného oleja, škrobu a iných produktov. V budúcnosti sa majú vyvíjať normy týkajúce sa obsahu týchto "neočakávaných" nečistôt vo finálnych výrobkoch.
Nadmerné tkanivá a únikové gény
Pokroky pri vytváraní geneticky modifikovaných rastlín, ktoré sú odolné proti škodcom a herbicídom, vyvolali ďalšiu pochybnosť: Čo ak buriny nejakým spôsobom "prevziať" gény, ktoré sú zakotvené v genóme pestovaných rastlín, a stať sa odolné voči všetkému? Potom sa objaví "superweed", ktorý nebude možné vyhubiť ani pomocou herbicídu, ani pomocou hmyzích škodcov!
Takýto názor je aspoň naivný. Ako sme už povedali, výrobcovia herbicídov vytvárajú rastliny, ktoré sú odolné voči produkovanému herbicídu, ale nie herbicídy konkurentov. Dokonca aj v prípade získania jedného z génov rezistencie sa môžu použiť iné herbicídy na boj proti "superweed". Odolnosť voči hmyzu ešte neurčuje odolnosť voči škodcom. Napríklad nematódy a roztoče budú stále schopné infikovať túto rastlinu.
Okrem toho zostáva nejasné, ako burinu získajú gény z pestovanej rastliny. Jedinou možnosťou je, ak je burina blízkym príbuzným pestovanej. Potom je možný opylovací peľ z geneticky modifikovanej rastliny a dôjde k "úniku génov". To platí najmä v oblastiach starodávneho poľnohospodárstva, kde rastlinné druhy, ktoré sú v blízkosti kultúrnych, stále žijú vo voľnej prírode. Napríklad z transgénneho repkového semena s peľom môžu byť nové gény prenesené do rakoviny alebo divokých druhov rodu Kapusta ( Brassica).
Ešte dôležitejšie je, že výsadba transgénnych rastlín spôsobuje "kontamináciu" lokálneho genetického materiálu. Takže kukurica sa vzťahuje na veterné opeľované rastliny. Ak jeden z poľnohospodárov vysadil transgénny kultivar a jeho sused je normálny, je možné opelenie. Gény z geneticky modifikovanej rastliny môžu "uniknúť" do blízkeho poľa.
Opačný je tiež pravda: rastliny GMO sa môžu opeľovať peľom z bežných odrôd a potom sa podiel geneticky modifikovaných rastlín v budúcich generáciách zníži. Stalo sa to napríklad v Austrálii počas prvých pokusov o zavedenie geneticky modifikovanej bavlny: označenie odolnosti proti hmyzu "zmizlo" z dôvodu "riedenia" bežných odrôd peľu zo susedných polí. Museli sme sa bližšie zaoberať produkciou bavlníkových semien a znova zaviesť rezistentné odrody.
V jednom pycnidus na rezistentných odrodách sú 2 až 5 krát menej spór. Čím je odroda stabilnejšia, tým menej sa vytvárajú kolónie prašného múčnatka, pomalší proces sporulácie a dynamika epifitotického procesu.
Rôzne odrody bavlny pre odolnosť proti vädnutiu tvoria odlišný počet mikrosklerotícií na listoch, čo spôsobuje odlišný potenciál patogénov v pôde:
Vnímavá odroda sa v pôde zhromažďuje 4-6 krát viac sklerotia ako rezistentné odrody.
Vo svetovej praxi existujú príklady, keď sa pestovanie rezistentných odrôd stalo rozhodujúcim faktorom nielen pre zachovanie kvality plodín a výrobkov, ale aj pre samotnú plodinu. Tak odolný voči vírusovým chorobám odrôd rastlín povolených produkcie cukru problém v západnej pologuli, pretože bez nich na začiatku XX storočia z mozaiky je takmer úplne stratil populáciu cukrovej trstiny, a v 20. vráska vrcholov spôsobených masívne straty plantážach cukrovej repy. V USA boli vytvorené odrody pšenice, ktoré sú odolné voči hejskej múke, zrná píl; kukuricu - na kukuricu mol, bavlníkový mol; zemiaky - na saniacich sa škodcov - nosičov vírusov; lucerna - škvrnitá škvrnitka a hrachová lupienka, lucernovitá húsenica. Až 10% ziskov z rastlinnej výroby v Spojených štátoch amerických je spôsobené pokrokom v chove. Podľa oddelenia poľnohospodárstva USA je návratnosť vývoja nových odrôd so zložitou odolnosťou voči chorobám 1: 300 a návratnosť pri tvorbe nových pesticídov (bez zohľadnenia eliminácie dlhodobých účinkov ich použitia) je približne 1:10 alebo je 25 až 30 krát nižšia ,
V Nemecku sa vytvorili odrody zemiakov, ktoré sú odolné voči zemiakovým nematódam. Zároveň sa počet živých cystov v pôde počas jednej vegetačnej sezóny zníži o 40-60%. V krajinách SNŠ sa pestovali odrody ozimnej pšenice so zvýšenou odolnosťou voči škodlivým korytnačkám (Odesskaya 51, Orbita, Dnepropetrovská), odrody jarnej pšenice so zvýšenou odolnosťou voči hesenským a jarným múcham, zrná pšenice. Chov zimných odrôd pšenice odolných voči hejskemu lietaniu počas posledných 35 rokov odstráni problém ochrany tejto plodiny v zóne Čiernej zeme.
Označenie odrôd udržateľnosti trvá päť rokov alebo viac. Nové odrody sú stredné formovače, urobiť niekoľko zmien v agroecosystémoch:
- ako potraviny pre škodcov;
- v dočasnom spojení škodcov s rastlinami;
- v ekologických výklenkoch;
- v mikroklimatických podmienkach;
- v súvislosti s škodcami v spoločenstve biologických druhov (entomofágov, antagonistov, epifytov atď.).
Zónovanie každej odrody je preto sprevádzané jej komplexným hodnotením v súťažných a štátnych odrodách. V USA sa napríklad hodnotenie odrôd zemiakov uskutočňuje v štyroch rôznych klimatických podmienkach podľa 15 ukazovateľov, vrátane odolnosti voči vírusom, bakterióze, mykózam a fytofágom - hmyzu a roztočom.
Pri pestovaní rezistentných odrôd existuje (podobne ako u pesticídov) problém vzniku výskytu rezistentných foriem škodlivých organizmov. Krehkosť odrôd pozostávajúca z jednej alebo niekoľkých línií s homogénnym genetickým základom naznačuje, že rezistencia odrôd škodlivým organizmom musí byť nielen vytvorená, ale aj zachovaná agrotechnickými metódami v procese ich kultivácie.
Existuje niekoľko techník na zachovanie odolnosti odrôd škodcom:
- pestovanie odrôd, ktoré sa líšia v systémoch genetickej imunity, vytváranie mozaiky alebo mriežky rezistentných odrôd v oblastiach pestovania plodín, ich pravidelná náhrada (striedanie). Tento trend v oblasti ochrany rastlín sa v západnej Európe čoraz viac rozširuje. V Spojenom kráľovstve sa od roku 1976 používajú vzorky striedajúcich sa odrôd jarného jačmeňa odolných voči múčnatke a odrody pšenice ozimej, odolnej voči hrdzi. V Bavorsku je 14 odrôd pšenice ozimej, ktoré sú relatívne odolné voči múčnatke;
- pestovanie viacrokových odrôd. Tento trend v integrovanej ochrane rastlín sa rozšíril aj v Spojených štátoch av Európe. V Európe sa napríklad rozširujú odrody zimného a jarného jačmeňa proti múčnatke. K tomu použite 17 odrôd so siedmimi rôznych faktorov špecifický odpor. Z tohto dôvodu sa výskyt plodín s múčnatkou znížil o 40 až 60% a znížili sa aj náklady na používanie fungicídov. Účinok zmesí odrôd je spôsobený znížením priestorovej citlivosti rastlín, indukciou rezistencie, čo sťažuje škodcov, aby sa prispôsobili hostiteľskej populácii. Varikolabov umožňujú realizovať princíp samoregulácie agroekosystémov, ktorý spĺňa požiadavky ekologického smeru ochrany rastlín;
- pestovanie odrôd s čiastočným odporom. Takéto odrody spomaľujú mieru EF, intenzitu reprodukcie škodlivých organizmov a všeobecnú porážku rastlín. Z tohto dôvodu sa znižuje priemerná úroveň počtu škodcov a frekvencia používania pesticídov, najmä proti r-stratégov. Odolnosť proti škodcom sa kombinuje v najlepších odrodách s odolnosťou voči stresovým faktorom vonkajšieho prostredia.
Na Sibíri sa miestne odrody vyznačujú zvýšenou odolnosťou voči nepriaznivým environmentálnym faktorom, vyššou klíčivosťou v poli a prežitím počas vegetačného obdobia. Sibírske odrody musia mať známky odolnosti proti suchu, odolnosti voči chladu a dostatočnej prekrvovosti. Tieto vlastnosti sú dôležité kombinovať odrody s prispôsobivosťou: schopnosť "prečkať stresové faktory", rýchlo obnoviť metabolizmus po ich absolvovaní rast ako integrovaný proces je jedným z najdôležitejších v reakcii genotype komplexných biotických faktorov (škodcov) a abiotické (nedostatok vody. , nízke teploty, nedostatok alebo nadbytok minerálnych látok).
V súčasnej dobe v Sibíri široko kultivovaný odrody jarnej pšenice do dvoch typov: 1) plastu ku klimatickým podmienkam, najmä sucha s miernym potenciálny produktivity - Tselinnaya 20 Tselinnaya 60, Saratov 29, Vega, botanickej 2 a 2) odrody, ktoré majú intenzívny typ vysoká potenciálová produktivita, ktorá sa realizuje za priaznivých klimatických a agrotechnických podmienok (dobrá dodávka vlhkosti, dostupnosť požadovaného množstva živín a ochrana pred škodcami). Patria medzi ne: Omskaya 9, Novosibirskaya 67, Rus, Altai 81, Kantegirskaya 89. Napríklad pomer týchto dvoch druhov odrôd v štruktúre osiatej plochy Altai sa pohybuje od 40 do 60%. V suchších klimatických ľavom brehu rieky Ob Altai okraji väčšiu odolnosť voči stresové faktory a poskytujú vyšší výťažok odrody prvej skupiny - Saratov 29 Tselinnaya 20. 60. Tselinnaya Altayka, a vo viac vlhkých podmienkach pravom brehu a na úpätí - druhej skupiny - Ruská žena, Altai 81, čiastočne Novosibirsk 67, Vega. V rokoch s dobrou jarnou rezervou vlhkosti rozširujú siatie odrôd intenzívnych druhov, ktoré ich zasielajú podľa najlepších predchodcov - pár, v prípade potreby s použitím prípravkov na ochranu rastlín. V suchých prameňoch po malej snehu v zime, nedostatok vlhkosti v pôde rozširuje výsevy odrôd prvej skupiny, najmä pre non-pary predchodcovia. Za týchto podmienok majú odrody s prispôsobivou odolnosťou voči stresu vyššiu odolnosť proti škodcom, najmä koreňovým hnilobám, čím sa zvyšuje výnos zrna v porovnaní s odrodami intenzívneho typu. Implementácia vlastných odrôd odolnosti a prispôsobivosti do veľkej miery závisí od agrotechnických metód ich kultivácie.
Pri vývoji opatrení na zachovanie odrôd odolnosti voči škodcom pomocou agrotechnických techník je potrebné brať do úvahy rasové zloženie škodcov. Je to dôsledkom skutočnosti, že pri zónovaní dokonca odolných odrôd so zvislým odporom dochádza k miernemu poškodeniu ich jednotlivých agresívnych pretekov. Napríklad pri kultivácii odrody odolnej voči vädzeniu v Taškente v oblastiach silného vývoja ochorenia (70-80%) v prvom roku existovali kmene húb, ktoré by mohli vo veľkej miere ovplyvniť jednotlivé rastliny. Je známe, že prírodné populácie fytopatogénnych húb a iných škodlivých organizmov sú heterogénne a pozostávajú z mnohých ras, biotypov, ktoré sa líšia virulenciou, čo koreluje so schopnosťou patogénov prežiť a reprodukovať za priaznivých podmienok.
Pre racionálny vývoj súboru opatrení na zachovanie odrôd inherentnej rezistencie by ste mali poznať reakciu odrôd na rasové zloženie populácie škodcov v regióne a zaradiť ich do štyroch skupín:
- imúnny (úplne imúnne);
- utrpel (Rezistentné);
- tolerantné (Hardy);
- citlivý.
Obmedzujúce a potláčajúce ochorenia sa dosahujú kultiváciou aspoň dvoch imunogeneticky odlišných odrôd. Je nepraktické urobiť ostrou zmenu z jednej odrody na druhú, ktorá má imunitné rozdiely kvôli riziku vzniku odolných patogénov. Súčasne by mala byť stabilita odrody kombinovaná s agrotechnickými metódami, ktoré potláčajú vývoj chorôb. Napríklad, pre udržiavanie odrôd odolných vädnúť, sú zahrnuté vo fytosanitárne striedanie plodín s lucerny v rámci schémy: fytosanitárne predchodca dva roky (lucerna) - rezistentné odrody - vytrvalý kultivar - fytosanitárne plodiny (obilniny) - vytrvalý kultivar - rezistentné odrody *. Fytosanitárne plodiny zahrnuté do rotácie znížia celkový infekčný potenciál? patogény v pôde a výsadba odolných, odolných odrôd stimuluje výber menej agresívnych a virulentných rasových ochorení a škodcov, čo zabraňuje epifitotikám chorôb.
Jedným z najdôležitejších opatrení na zachovanie odrôd odolnosti proti škodcom je aj vedecky založený systém aplikácie hnojív, dátumy výsadby, produkcia osiva. Sejacie parcely by mali byť umiestnené na zdravých pôdach, ak je to možné, v oblastiach s chudobným vývojom škodcov pri zachovaní optimálnych technologických parametrov. To vytvára základný predpoklad pre komplexnú odolnosť a vytrvalosť rastlín voči škodlivým organizmom - základ zdravých semien, ako aj inherentnú stabilitu a vytrvalosť odrody pre celý komplex biotických a abiotických stresorov.
Rastová imunita voči infekčným chorobám je dedičným znakom a je geneticky kontrolovaná.
Rastlinný odpor môže byť spôsobený jedným alebo viacerými pármi génov. Najmä zemiak zistil prítomnosť deviatich génov rezistencie voči neskorému hnilobe, označených písmenom R (R1, R2 ... atď.). V rôznych druhoch pšenice sa našlo približne 20 génov rezistentných proti rezu, ktoré sú tiež očíslované (Sr 1, Sr 2 ... atď.). Gény rezistencie voči kmeňovej hnilobe ovsa sú označené písmenami A, B, D, E, F ...
Gény kontrolujúce rezistenciu sú rozdelené na oligogény, t.j. gény vykazujúce silný fenotypový účinok a polygény, t.j. gény, ktoré majú slabý fenotypový účinok. Niektorí autori používajú termíny "hlavné gény" a "menej významné" gény, ktoré sa vzťahujú na tieto skupiny génov.
Existuje monogénna a polygónová odolnosť rastlín. Monotónna rezistencia, tiež nazývaná vertikálna, znamená odolnosť voči jednému rastu patogénu a náchylnosť voči iným. Je riadený hlavnými génmi alebo oligonukleotidmi. Táto rezistencia spôsobuje najmä reakciu "precitlivenosti". Ďalší dobre skúmaný typ rezistencie - polygénna, alebo horizontálna, alebo poľná rezistencia - je riadený polymérnymi génmi. Určuje tento stupeň rezistencie a spomaľuje progresiu ochorenia po jeho vzniku. Okrem toho, zníženie stupňa infekcie rastliny, horizontálna (sexuálna) rezistencia môže znížiť počet infekčných (infekčných) návykov, zimovanie v chorých častiach rastliny a tým oneskoriť nástup masového vývoja ochorenia v budúcom roku.
Tento typ rezistencie silne závisí od vonkajších podmienok, ktoré určujú vývoj patogénu a fenotypu hostiteľskej rastliny. Medzi nimi významnú úlohu zohráva úľava z oblasti pestovania rastlín, zloženie pôdy, druhy a množstvo hnojív, hustota a čas výsadby, teplota atď.
Je poľutovaniahodné, že štúdium biochemickej stránky genetiky rastlinnej imunity je v súčasnosti v úplnom počiatočnom štádiu. Dostupné údaje o tejto problematike sa týkajú iba prípadov oligogénnej rezistencie kontrolovanej malým počtom génov. Pokiaľ ide o polygénnu rezistenciu, pre jej štúdium na fyziologickej a biochemickej úrovni stále nie sú dostatočne testované metodologické prístupy.
V súčasnosti sa začala genetická štúdia o formách oxidačných enzýmov, ktoré sa podieľajú na imunitných reakciách a skúmajú sa gény rezistentné voči teplote. Tieto štúdie sú však stále málo.
Z vyššie uvedeného vyplýva, že štúdia genetického základu rastlinnej imunity by mala prilákať širšiu pozornosť výskumníkov, čo im umožní, aby sa aktívne podieľali na vývoji biologicky založeného chovu rastlín na rezistenciu voči chorobám.
Ak nájdete chybu, zvýraznite text a kliknite na tlačidlo Ctrl + Enter.
Súvisiace články
