Как быть и чем помочь? Этот вопрос я адресовала известному ученому в области биофизики и биохимии стресса у растений, заведующей лабораторией прикладной биофизики и биохимии Института биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, члену-корреспонденту, доктору биологических наук Людмиле Кабашниковой.
— Понятие «стресс», — разъясняет Людмила Федоровна, — изначально применявшееся в основном к животным, вполне относится и к растениям. Стресс — это неспецифическая реакция на раздражители, нарушающие гомеостаз. Говоря обычным языком, стресс — это напряженное состояние, в котором происходит перестройка физиологических процессов и их адаптация к новым условиям.
Надо сказать, что стресс — это комплексная реакция организма. И главная его роль — мобилизация защитных сил в критической ситуации.
Термин «стресс» (от англ. stress — «напряжение») был предложен выдающимся канадским ученым-физиологом Гансом Селье в 1936 году для описания реакции организма на любое сильное неблагоприятное воздействие.
— Какие факторы могут его вызвать?
— Их много. В природе к стрессовым факторам относятся резкие перепады ночной и дневной температур, засуха и затопление, заморозки и высокие температуры, недостаток и избыток элементов питания, нашествие вредителей, болезни, загрязнение воды, воздуха и грунта, пестицидная нагрузка, неподходящий тип почвы.
Некоторые из причин разовые и недолговременные (град, порывы ветра), другие же могут быть многодневными (нестерпимая жара, наводнение, излишняя кислотность почвы или ее засоленность и так далее).
Все это снижает продуктивный потенциал растений. Каждый день пребывания в состоянии сильного стресса — минус 1 процент урожая. Если же стресс слабее, то теряется 0,2 — 0,3 процента. И чем дольше действует негативный фактор, тем меньший урожай в итоге мы получаем.
Когда растение попадает в неблагоприятные для него условия, его внутренняя иммунная система пытается самостоятельно справиться со стрессом. Это сложный биохимический процесс, при котором химические изменения происходят в цитоплазме и клеточных мембранах. Но не всегда у растения хватает сил. И если повреждающее действие стрессора превосходит его защитные возможности, то оно погибает.
Наука интенсивно работает над вопросом уменьшения воздействия на растения различных негативных факторов. А также над тем, чтобы помочь им подготовиться к экстремальным ситуациям еще до момента столкновения с ними.
— Чем определяется устойчивость растений к неблагоприятным факторам среды?
— Способностью сохранять все свои физиологические процессы, не вызывая нарушений в их согласованной работе.
Способность к защите — обязательное свойство любого живого организма, включая высшие растения. Они так или иначе приспособлены к неблагоприятным условиям (низкая температура, засуха, засоление почвы и т. д.). И это в конечном счете и определяет их жизнедеятельность и выносливость, адаптацию к стрессовым факторам. При засухе, например, растение старается усилить поглощение воды и снизить ее испарение, ускорить рост корневой системы, увеличить водоудерживающие способности.
Но не все культуры в равной степени страдают от неблагоприятных условий среды. Поэтому одни оказываются более устойчивыми, а другие — менее устойчивыми к морозу, засухе, патогенам, избытку солей…
— Стресс — это некое одномоментное действие?
— Нет. Он развивается в три этапа: тревога, адаптация и истощение. Во время первой фазы на фоне стресса у растения увеличивается проницаемость мембран, активизируется синтез стрессовых белков. Дыхание и фотосинтез сначала усиливаются, а затем подавляются. Начинают накапливаться продукты распада.
В период второй фазы (адаптация) проницаемость мембран, физиологические и биохимические процессы стабилизируются. И растение начинает потихонечку заново формировать новые генеративные органы.
В третьей фазе (истощение) защитные силы исчерпываются, клеточные структуры (хлоропласты и митохондрии) разрушаются и энергетически истощаются. Как правило, это необратимый процесс, ведущий к гибели.
Растения наиболее устойчивы к стрессу в состоянии покоя (семена, луковицы, клубни) и очень чувствительны в период появления всходов, во время цветения и плодоношения.
— А когда они испытывают максимальный стресс?
— Любой длительный и сильный стрессор опасен для растений. Вот, например, засуха. Особенно страшны длительные периоды без дождей с высокими температурами. Они представляют серьезную угрозу для будущего урожая. К сожалению, такие явления в условиях нашего меняющегося климата становятся все более частыми.
В чем опасность засухи? Вода — основа жизни на Земле. Поэтому ее недостаток приводит к серьезным нарушениям гомеостаза. При недостатке влаги снижается тургор растительных тканей, клетки теряют способность к поглощению питательных веществ. Кроме того, возрастает проницаемость клеточных мембран, нарушается фотосинтез и другие важные метаболические процессы, что (в конечном итоге) вызывает опадение цветков и завязей.
При повышенной температуре в клетках растений синтезируются белки теплового шока, или БТШ. У живой клетки это — последний «рубеж обороны», который запускается в ответ на повреждающее действие не только высоких температур, но и других стрессовых факторов. Эти белки были открыты в 1962 году сначала у мушки дрозофилы, потом у человека, затем (в 1980‑м) у растений и микроорганизмов. В настоящее время выделяют пять групп белков теплового шока. Любопытно то, что большинство из них удивительно консервативны. Например, БТШ кукурузы, дрозофилы и человека идентичны на 75 процентов.
Чтобы защитить растения от экстремальной засухи, одних регулярных поливов недостаточно. Ведь при высоких температурах влага очень быстро испаряется с поверхности листьев. Поэтому нелишними будут и препараты, активирующие собственные силы растения и усиливающие способность корней поглощать влагу.
Хорошо развитая корневая система — важнейшее условие выживаемости. Необходимо помнить и о том, что при засухе (особенно длительной) культуры практически лишены возможности поглощать из почвы питательные вещества. Поэтому посадки нужно регулярно подкармливать.
И ставка — на калий. Стойкость к засухе возрастает при достаточном обеспечении калием, который улучшает поглощение и использование воды, снижает транспирацию. Благодаря калийным обработкам лучше развиваются и глубже проникают в почву и корни. Также калий стимулирующе действует на основные физиологические процессы.
— А как быть с заморозками, особенно возвратными?
— Они первое серьезное испытание для растений в начале вегетационного сезона. А если еще совпадают с периодом цветения, то можно потерять практически весь урожай.
Опасность заморозков в том, что при переходе положительных температур к отрицательным внутриклеточная жидкость превращается в лед, что делает невозможным протекание всех необходимых физиолого-биохимических процессов.
Полноценное и сбалансированное питание, обогащенное микроэлементами, улучшает адаптацию растений к холодовому стрессу. Объясняется это тем, что все питательные вещества (органические, макро- и особенно микроэлементы) обеспечивают их необходимой энергией и тем самым усиливают рост и развитие.
Основное повреждение при заморозках — разрыв клеток кристаллами льда. Но чем больше вязкость цитоплазмы, чем больше в ней белков, сахаров, тем, соответственно, ниже температура замерзания. Значит, меньше и повреждений. Правда, даже когда в цитоплазме образуется лед, вся она полностью не замерзает.
Устойчивость к низким отрицательным температурам — один из показателей зимостойкости, то есть способности растений переносить неблагоприятные условия перезимовки (вымерзание, выпревание, ледяную корку, выпирание и другое).
— Не редкость сейчас и затяжные дожди.
— При большом количестве осадков из почвы быстро вымываются питательные вещества, особенно микроэлементы. Но удобрять растения под корень в такой ситуации невозможно. Нужно проводить листовые подкормки, которые не увеличивают и без того немалую водную нагрузку на корни.
При избытке влаги хлороз (пожелтение листьев) — явление нередкое. И все потому, что при большом количестве осадков железо быстро вымывается из почвы, что приводит к снижению синтеза хлорофилла и, как следствие, к замедлению фотосинтеза.
— А как быть с пестицидами, которые также могут быть опасными?
— Ни у кого не вызывает сомнений тот факт, что химические средства борьбы с вредителями и болезнями могут тормозить как рост и развитие растений, так и (особенно при передозировке) вызывать ожоги. Кроме того, остаточное количество пестицидов в плодах создает реальную угрозу и нашему здоровью. Однако в современных условиях без них уже порой просто не обойтись. Рекомендация одна: строго контролировать нормы и сроки их внесения.
— Вырабатывается ли у растений после перенесенных катаклизмов иммунитет?
— Да, точно так же, как у животных или человека. Благодаря иммунной памяти, которая проявляется в снижении, к примеру, вероятности повторного заражения этим же патогеном. Растениям (как и нам с вами) можно проводить иммунизацию, активизируя природные защитные системы. Прививка может быть как биологической (обработка ослабленными культурами патогенов, чтобы вызвать быструю иммунную реакцию на последующую атаку этих микроорганизмов), так и химической. Разнообразные вещества, в том числе природного происхождения, активируют защитные реакции растения и повышают его устойчивость к комплексу неблагоприятных факторов внешней среды, включая фитопатогены. Этот способ известен уже почти столетие, хотя впервые о нем заговорили лишь в начале 1970‑х годов.
— Стресс — один из способов защиты?
— Да, последние исследования физиологии растений подтвердили тот факт, что их защитные механизмы — своего рода химическое оружие против стресса. И действует этот «внутренний защитник» по следующей схеме. Вначале он распознает стресс и ищет в «информационной базе» ДНК растения самые лучшие средства для выживания. Затем активизирует синтез специфических и неспецифических элементов стрессовой защиты, которые и перемещает в проблемные зоны для борьбы со стрессом.
— От чего зависит устойчивость к стрессу?
— Устойчивость — это способность растения к саморегуляции, оптимизации протекающих в нем процессов и приспособлению к стрессовым условиям среды. Эти процессы контролируются генетическими, поскольку являются наследственными факторами.
Зависит устойчивость от силы и продолжительности воздействия стрессора, а также от способности растения к восстановлению.
Но если сила воздействия стрессового фактора велика и продолжительна, то, чтобы преодолеть его, у растения может просто не хватить природного запаса прочности.
— Чем и как тогда ему можно помочь?
— Мировая наука ищет принципиально новые подходы к защите растений от стресса. Один из перспективных методов основан на повышении их иммунного потенциала, способного за счет собственных возможностей справиться со стрессовой ситуацией.
Над созданием препарата, обладающего мощными антистрессовым и иммуномодулирующим действиями, работают ведущие фирмы мира.
На протяжении десятка лет и мы занимаемся изучением мембранно-клеточных механизмов действия индукторов иммунитета растений.
В рамках госпрограммы «Наукоемкие технологии и техника» поставлена задача по повышению устойчивости культур с помощью комплексных препаратов на основе иммуномодуляторов. Мы подбираем наилучшие составы, используя салициловую кислоту и бета-глюканы. Также (впервые) экспериментируем, сочетая их с микробиологическим препаратом на основе грибов рода триходерма. Иммунитет — основное оружие растений в борьбе со всеми негативными факторами окружающей среды. Мы же своими разработками (образно выражаясь) приводим его в готовность.
Создание препаратов на основе биогенных стимуляторов иммунитета растений — направление наукоемкое. И очень перспективное, особенно сейчас, в связи с изменением климата в Беларуси.
Приятно, что на европейском пространстве мы в этом направлении бесспорные лидеры. По некоторым параметрам наши препараты даже опережают фунгициды. При этом они срабатывают комплексно, в том числе и как регуляторы роста.
Нашим институтом разработана целая линейка новых иммуномодулирующих препаратов серии «Иммунакт», которые различаются между собой по действующему веществу.
Результаты производственных испытаний защиты зерновых, овощных и технических культур показали их высокую эффективность, превышающую химические фунгициды.
Препараты серии «Иммунакт», созданные на основе метаболитов иммунного ответа, — своего рода прививка (причем одноразовая) от заболеваний, позволяющая избежать применения дорогостоящих системных фунгицидов, разрушающих иммунитет растений. Препараты нового поколения повышают устойчивость культур к неблагоприятным факторам различной природы. При этом они натуральные и экологически безопасные, что делает их широко востребованными даже в органическом земледелии.
Успешное использование таких сложных композиций в практике сельского хозяйства помогает добиваться максимально возможной урожайности.
— Если растения уже в стрессе, помогут ли в таком случае им антистрессанты или момент упущен?
— Если стресс начался, то индукторы иммунитета использовать не только можно, но и нужно. Почему? В состоянии стресса растение находится в угнетенном состоянии, и все процессы жизнедеятельности (обмен веществ, синтез аминокислот, фотосинтез) в них замедлены. И вопрос в том, как быстро растение вернется к прежнему ритму, восстановив все нарушенные процессы жизнедеятельности: за пять — семь дней или две — три недели? Уменьшив период стресса, мы сможем сберечь тот урожай, который потенциально заложен в растении.
ФАКТ
Потери от стрессовых факторов на таких культурах, как пшеница, ячмень, кукуруза, соя, сорго, овес, картофель и сахарная свекла, оцениваются в 51 — 82 процента, что значительно превосходит те, что вызваны болезнями и вредителями.
КСТАТИ
Стрессовый фактор, или стрессор, — сильнодействующий фактор внешней среды, способный вызвать в организме повреждение или даже привести к его гибели.
sad@sb.by
