Utilizarea imunităŢii plantelor şI aGRICUlTURii ECOloGiCE

– cALE sigură de optimizare a funcţionării agroecosistemelor

L.T.Voloşciuc

Institutul de Protecţie a Plantelor şi Agricultură Ecologică al AŞM

str. Pădurii, 26/1, Chişinău 2028, Moldova
Тел. (+373 22) 770492; e-mail: l.volosciuc@gmail.com

Introducere

Una dintre problemele globale cu care se confruntă omenirea este cea legată de reducerea impactului negativ a organismelor dăunătoare asupra cantităţii şi calităţii producţiei agricole. Necesităţile combaterii organismelor dăunătoare sunt determinate de faptul că culturile agricole sunt atacate de circa 80-100 mii specii de organisme dăunătoare, inclusiv 30 mii specii de agenţi patogeni. Pierderile de recoltă cauzate de aceste constituie în mediu 33%, iar uneori ating 40-50% sau compromit complet potenţialul lor. Anual pe glob agenţii patogeni  şi organismele dăunătoare cauzează pierderi ce depăşesc 50 tril. USD. Întru reducerea impactului cauzat de organismele dăunătoare agricultura globală necesită utilizarea anuală a pesticidelor în valoare de 36 mlrd USD dintre care circa 21% sunt mutagene şi cancerigene. Aplicarea largă, uneori iraţională a lor cauzează probleme ecologice şi mai grave, care se manifestă nu numai în efectele negative directe, dar şi indirecte, care vor fi vizibile pe parcursul generaţiilor ulterioare.

Dintre diversitatea impunătoare de factori care agravează condiţiile de viaţă din Republica Moldova un rol aparte revine poluării din agricultură, dintre care cea mai importantă este poluarea cu pesticide. Fiind utilizate pentru stoparea răspândirii şi combaterea organismelor dăunătoare (agenţi patogeni ai bolilor, insecte dăunătoare şi buruieni), pesticidele, pe lângă capacitatea de nimicire a dăunătorilor, mai cauzează diverse dereglări grave în echilibrul dinamic din natură şi provoacă schimbări ireversibile în genotipul organismelor utile, inclusiv a omului şi plantelor de cultură.

Întru stoparea urmărilor negative a chimizării abuzive din agricultură şi în scopul ameliorării situaţiei mediului înconjurător în Republica Moldova permanent au fost elaborate şi implementate procedee tehnologice avansate, printre care un loc aparte revine utilizării umunităţii plantelor către boli şi dăunători, precum şi agriculturii ecologice.

Istoria ştiinţei moldave este o reflectare a realizărilor progresului tehnico-ştiinţific mondial. Un aport deosebit în aceasta a avut pământeanul nostru, vestitul biolog, botanist şi genetician cu renume mondial, Petru Minai Zhukovskii, care a fundamentat bazele mai multor domenii ştiinţifice şi a aprofundat teoria imunităţii şi concepţia evoluţiei conjugate a plantei-gazdă şi a paraziţilor. Acum, cu ocazia celor 120 de ani din ziua naşterii ilustrului savant, noi putem cu certitudine constata că prin activităţile sale fundamentale el a contribuit şi continuă să contribuie la relansarea agriculturii contemporane.

De pe poziţia realizărilor istorice a acdemicianului şi profesorului Petru Zhukovskii noi putem raporta că drept soluţie pentru aplanarea problemelor ecologice grave din agricultură şi modalitate de ameliorare a situaţiei economice generale, colaboratorii Institutului de Protecţie a Plantelor şi Agricultură Ecologică, vin cu conceptul de agricultură ecologică. Graţie cercetărilor fundamentale multianuale, a fost elaborat şi propus în repetate rânduri concepţia protecţiei integrate a plantelor, care permite controlul densităţii populaţiilor organismelor dăunătoare prin metode complexe, reducând considerabil utilizarea pesticidelor, iar apoi şi a agriculturii ecologice, demonstrând capacităţile acesteea de a ameliora starea mediului înconjurător.

Material şi Metodă

Fundamentarea sistemelor de protecţie integrată a plantelor şi a elementelor de agricultură ecologică a fost efectuată în conformitate cu metodele de izolare, identificare şi ameliorare a agenţilor utilizaţi pentru combaterea organismelor dăunătoare (Voloșciuc L., 2003).

Elaborarea tehnologiilor de producere şi aplicare a mijloacelor biologice de protecţie a plantelor s-a efectuat cu respectarea cerinţelor încadrate în documentaţia tehnologică (Regulamentele de producere, Condiţiile tehnice asupra mijloacelor de protecţie şi Indicaţiile metodice de aplicare a lor), iar testarea sistemelor de protecţie integrată a plantelor şi prelucrarea statistică a datelor experimentale – după Доспехов Б. (1985).

       Determinarea efectului de protecţie a culturilor de fagi a fost efectuată pe calea tratării plantelor-indicatori cu suspensia bacteriană şi cea a fagului. Inocularea plantelor indicatori ţinute în prealabil în camere unde se face cu ajutorul stropitorii. După inoculare plantele se menţin timp de 2-3 zile în condiţii cu umiditatea ridicată (80-95%).

       Acumularea masei biologice de bacteriofagi necesită prezenţa suspensiei virotice, titrul căreia să depăşească 10⁸. Pentru aceasta în colbe microbiologice cu mediu de cultură lichid în prealabil  sterilizate se însămânţează test-bacteriene care se cresc în condiţiile amestecării permanente, iar apoi se trec pe mediul solid pentru determinarea titrului. Determinând timpul fazei logaritmice de multiplicare a bacteriilor, se însămânţează virusul, iar apoi prin metoda cutiilor Petri se determină titrul bacteriofagului (Voloşciuc L., 2003).

Rezultate şi Discuţii

Rolul imunităţii plantelor faţă de organismele dăunătoare în soluţionarea problemelor de optimizare a funcţionării agroecosistemelor. Particularitatea principială a conceptului contemporan privind protecţia plantelor, ca parte componentă a fitotehniei adaptive, constă în abordarea biocenotică de reducere a impactului cauzat de organismele dăunătoare. Fundamentul acestor sisteme sunt este constituit din aplicarea chibzuită a mijloacelor şi metodelor, care permit reglarea relaţiilor dintre culturile agricole şi organismele dăunătoare şi utile orientate la controlul densităţii populaţiilor şi reacţiile adaptive din componenţa agrosistemelor.

Deschiderea posibilităţilor de utilizare a capacităţilor de autoreglare a sistemelor agricole reprezintă o continuare logică a postulatelor înaintate de vestitul savant P.Zhukovschii în concepţia sa privind imunitatea. Conform acesteea imunitatea este o proprietate dinamică a orga­nismelor, care constă în procesul de adaptare reciprocă conjugată a plantei-gazdă şi a agentului patogen. Pe parcursul luptei pentru existenţă în populaţia plantei-gazdă din generaţie în generaţie supravieţuiesc doar indivizii, care rezistă la atacul parazitului, iar din populaţia parazitului supravieţuiesc numai acei indivizi, care au reuşit să se adapteze la planta-gazdă. Astfel a fost descoperit mecanismul evoluţiei conjugate al imunităţii plantelor. Ulterior aceste mecanisme au fost aprofundate şi s-au stabilit teoriile principale care explică evoluţia organismelor patogene şi plantele-gazdă, cum ar fi bunăoară, teoria “genă la genă” fundamentată de Van der Plank, şi teoria “proteină la proteină”, elaborată de W.Flawr.

În lumină principiilor teoretice elaborate de profesorul P.Zhukovschii şi ţinând cont de legităţile ecologice de evoluţie conjugată a plantei-gazdă şi a organismelor dăunătoare actualmente a devenit posibilă dirijarea cu prosesele de creare a soiurilor de plante, care posedă plasticitate ecologică înaltă şi manifestă capacităţi de ameliorare a condiţiilor de creştere şi dezvoltare. Rolul determinant în această selecţie revine sporirii rezistenţei soiurilor la condiţiile stresogene biotice şi abiotice în componenţa agroecosistemelor. Anume această direcţie prioritară a selecţiei adaptive contemporane soluţionează mai complet scopul şi obiectivele planurile strategice de dezvoltare economică şi ecologică (Жуковский П., 1982).

       Cea mai eficace cale de protecţie a plantelor împotriva paraziţilor criptogamici care o îmbolnăvesc este imunitatea, adică rezistenţa naturală sau dobândită a organismului la atacul microorganismelor. Fitoncidele, concentraţia sucului celular, aciditatea, chinonele, enzimele selective asigura rezistenţa naturală a organismului vegetal. Deşi imunitatea plantelor se deosebeşte în mare măsură de imunitatea organismelor animale, totuşi la plante au fost descoperite substanţe specifice de apărare similare anticorpilor din organismul animal care neutralizează antigenii parazitului. Aceste substanţe proteice se formeaza înainte şi nu după infecţie şi deaceea au fost numiţi pseudoanticorpi. Imunitatea la plante se manifesta mai local, răspândindu-se doar în zona infectată. Sub influenţa antigenului, celulele devin hipersensibile, îşi sporesc reacţiile de apărare si mor rapid. În jurul bacteriilor pătrunse se produce o zonă necrozată, care constituie un obstacol puternic în înaintarea parazitului.

Actualmente s-a demonstrat că alături de pseudoanticorpii interni planta este indirect ajutată de anticorpii externi. In tesuturile vegetale afectate de diferite organisme patogene (tumori, zone necrozate, etc.) pătrund virusuri specifice pentru fiecare bacterie, numite bacteriofagi. Bacteriofagii, agentii litici, topesc microorganismele pentru a-si crea un mediu nutritiv. Pornind de la aceste constatări, colaboratorii Institutului de Protecţie a Plantelor şi Agricultură Ecologică al AŞM au izolat, identificat, determinat particularităţile, elaborat procedee tehnologice de producere şi încearcă sa aplice la plante procedee de imunizare artificială sub formă de preparate bacteriofagice (Voloşciuc L., 2003, Andrieş S. şi al., 2007).

Deşi în diferite centre ştiinţifice sunt întreprinse ample cercetări ştiinţifice în domeniul elaborării şi aplicării metodelor biologice de protecţie a plantelor, totuşi deocamdată rămân foarte reduse listele de produse destinate luptei biologice cu patogenii. Aceste metode, datorita avantajelor mari pe care le prezinta, si anume: lipsa de toxicitate fata de animale si oameni, a fitotoxicitatii reduse si a caracterului nepoluant, urmeaza sa ocupe un loc mai important în viitor în combaterea bolilor plantelor.

Combaterea biologica se poate realiza prin diferite căi, dintre care cele mai aproape de tema discutată sunt bacteriofagii, hiperparaziţii, antagonismul dintre microorganisme, prin dezvoltarea mai bună a plantelor şi prin folosirea unor insecte  entomofage.

Utilizarea paraziţilor naturali ai organismelor fitopatogene. Unele ciuperci care produc boli la plante sunt atacate de paraziti care le împiedica dezvoltarea sau îi distrug. Hiperparazitismul este un fenomen întîlnit destul de frecvent în natură. Hiperparazitii, având o virulenţă pronunţată, inhibă considerabil dezvoltarea, reproducerea şi răspândirea patogenilor. Ciupercile care produc făinari sunt parazitate de ciuperca din genul Ampelomyces. Cu această ciupercă se fabrică produsul Ampelomicin destinat combaterii făinării.

Cercetările ştiinţifice profunde au permis izolarea şi identificarea multor paraziţi ai agenţilor patogeni de natură micotică, cum ar fi ciupercile ruginii, putregaiurilor, tăciunilor, ofilirilor ş.a.  În practică, modul de aplicare al hiperparaziţilor este diferit după caz: prin stropire cu suspensii de spori sau miceliu, prafuiri uscate, inoculare, tratarea semintelor ş.a.

Utilizarea microorganismelor antagoniste.  Folosirea microorganismelor antagoniste are perspective mari de aplicare în practica. Există numeroase microorganisme care sunt antagoniste faţă de ciupercile fitopatogene şi, cea mai mare parte a lor, populează solul. Unii antagonişti sunt greu de separat de hiperparaziţii lor, acţionând pe ambele cai, ca de exemplu Trichoderma sp. Antagoniştii potenţiali cunoscuţi sunt: Agrobacterium tumefaciens, A. vitis, Bacillus subtilis, Pseudomonas cepacia, P. putida, P. fluorescens, Trichoderma viride, T. harzianum, T. hamatum, Pythium oligandrum, Fusarium lateritium, Sporotrichum vile, Coniothyrium minitans, Trichothecium roseum, Myrothecium verrucaria, Gliocladium penicilloides, Verticillium biguttatum, Chaetomium globosum, Penicillium oxalicum, P. cyano-fulvum, Sporotrichum mycothyllum. Cu unele dintre microorganisme s-au realizat produse fitofarmaceutice.  Dintre produsele biologice obtinute din ciuperci antagoniste fac parte: Contans si KONI cu Coniothyrium minitans; Polygandron cu Pythium oligandrum; Bio Fungus, Binab T. cu Trichoderma harzianum; Trichodermin, Binap, Trichodex 25WP, Trichosemin 25 PTS cu Trichoderma viride (Directiva UE, 1991).

                Antibioticele. Altă grupă de mijloace biologice o constituie antibioticele. Acestea sunt produse ale activităţii metabolice a diferitelor vieţuitoare, în special microorganisme. În terapeutica umană şi animală, există multe antibiotice, care deşi ar avea o eficacitate bună în combaterea multor patogeni ai plantelor, la noi în tara folosirea lor ca produs fitosanitar este interzisă. Sunt omologate însă alte antibiotice care nu se folosesc în medicina umana, cum sunt bunăoară Kasumin faţă de multe bacterii şi ciuperci, Validacin faţă de ciuperci din sol ş.a.

Fitoncidele. Fitoncidele sunt substanţe volatile cu acţiune antibiotică, produse de către unele plante superioare. Experimental s-au obţinut rezultate bune în combaterea unor fitopatogeni, ca de exemplu extractele din ceapa, usturoi, hrean, mac, nuc, pin. Datorită însă dificultăţilor de extragere, până în prezent, nu sunt introduse în practică.

Preimunizarea. Preimunizarea plantelor cu ajutorul unor tulpini de virusuri hipovirulente sau bacterii avirulente contribuie la sporirea rezistenţei plantelor. De exemplu, tulpina de Virusul Mozaicului Tutunului atenuată, aplicată la tomatele din sere şi solarii, conferă o protecţie bună fată de tulpinile virulente ale aceluiasi virus. Plantele de fasole preimunizate cu bacterii avirulente sau omorâte termic au conferit protecţie faţă de bacteriile patogene. Preinocularea unei plante cu anumite microorganisme contribuie la inducerea rezistenţei sistemice.

Utilizarea Solurilor Represive. Unele soluri posedă proprietăţi fungistatice, inhibând dezvoltarea ciupercilor fitopatogene din sol. Natura represivităţii depinde de proprietăţile fizico-chimice ale solului şi de activitatea microbiană a acestuia. Represivitatea, rareori, este datorată unui singur factor, fiind, în general, rezultatul interacţiunii populaţiei microbiene cu calităţile fizico-chimice ale solului, aceasta fiind dependentă de sistemul de cultivare, inclusiv rotaţia culturilor şi modificările legate de arat. În unele ţări, astfel de soluri sunt realizate printr-o compostare specială şi apoi sunt folosite în sere si solarii, contribuind la îmbogăţirea populaţiei existente cu noi microorganisme antagoniste. Bacteriile din specia Pseudomonas fluorescens se numară printre microorganismele implicate în regresivitatea solurilor. Ele actionează prin mai multe mecanisme: producerea de siderofori, de antibiotice toxice pentru patogenii din sol, cresterea preluării fosforului de către plante, favorizează nodularea la plantele leguminoase s.a. Sideroforii sunt agenţi de transport cu mare afinitate pentru fier. Ei chelatează fierul din rizosferă inhibând astfel alte microorganisme, inclusiv patogenii plantelor (Andrieş S. şi al., 2007).

Mecanisme de apărare specifice plantelor. Plantele au dezvoltat mecanisme naturale de apărare pentru asigurarea protecţiei împotriva invaziei patogenilor. Mecanismele naturale de bază impotriva fungilor, deseori nu există sau frecvent sunt insuficiente, iar introducerea genelor străine provenite de la alte plante, animale sau din surse microbiene, poate creşte apărarea lor. Mecanismele naturale de apărare includ, bariere fizice şi răspunsuri induse la atacul patogenilor şi implică molecule de semnalizare sistemice, ce mobilizează mecanisme endogene de apărare ale plantelor. La speciile de plante oxigen active (AOS), semnalele in formă de explozie oxidativă au capacitatea să acţioneze ca evenimente de semnalizare, conducând la raspunsuri specifice, cum ar fi, pierderile de oxigen, inducerea inchiderii celulelor de protecţie şi creşterea perilor radiculari. Una dintre genele ce induc semnalul oxidativ şi care acţionează la plantele AOS, în sensul medierii acestor răspunsuri. Semnalizarea in plante AOS poate avea loc printre altele, ca răspuns la atacul patogenilor (Ehler L., Bottrell D., 2000).

Metode de combatere a patogenilor prin tratamente cu fungicide. Interacţiunea dintre fungi şi plante constă în mecanisme foarte complexe iar managementul bolilor fungice este deosebit de costisitor. Existî variate metode de combatere a fungilor, dar tipică este folosirea fungicidelor, molecule organice care se pulverizeaza pe cultura, se aplica odata cu udarea plantelor sau se incorporează în sol. Aceasta este cea mai practicată metodă de reducere a pagubelor prin folosirea unor agenţi chimici variaţi, care distrug sau atenueazî acţiunea respectivilor patogeni. Cu regret, mulţi agenţi patogeni dezvoltă rezistenţa la asemenea chimicale iar mulţi dintre ei nu sunt susceptibili la control prin mijloace chimice. Spre exemplu, mana cartofului este cel mai mult controlată prin aplicarea frecventa a fungicidelor care şi-au pierdut insă eficienţa, prin selecţia de izolate rezistente la fungicide. În plus, mulţi dintre agenţii chimici folosiţi sunt toxine cu spectru larg care pot cauza mediului distrugeri serioase şi au efect toxic pentru oameni si animale.

Crearea unor genotipuri noi de plante, tolerante sau rezistente la fungi, prin ameliorarea şi transformarea genetică. Reprezintă cea mai eficientă cale de protecţie a plantelor impotriva atacului fungilor, prin aceea că plantele au rezistenţa endogenă. O plantă gazdă este rezistentă dacă are capacitatea de a inhiba sau întârzia creşterea ciupercii şi apariţia simptomelor infecţiei fungice sau inhiba parcurgerea ciclului de viaţă al patogenului incluzând şi diseminarea acestuia. Pentru amelioratorii plantelor sunt totuşi limitate sursele privind genele de rezistenţă împotriva ciupercilor patogene. De aceea, mai recent, pentru combaterea patogenilor plantelor au fost folosite tehnicile de inginerie genetică. În anumite circumstanţe, amelioratorii şi biologii din domeniul molecular au realizat cu succes inducerea rezistenţei plantelor faţă de anumiţi fungi, existând probleme determinate numai de un patogen ţintă sau de un numar mic de patogeni, relativ apropiaţi. Au fost descoperite un număr mare de polipeptide naturale cu vaste activităţi antimicrobiene. Bineînţeles, a apărut necesitatea continuării investigaţiilor privind identificarea de agenţi antimicrobieni naturali, cum sunt proteinele, care pot fi formate de către celulele plantelor direct prin translaţia unei singure gene.

Folosirea strategiilor ”in vitro” privind manipularea toleranţei sau rezistenţei plantelor la patogeni. Tehnologiile ingineriei genetice deţin un mare potenţial în scopul creşterii recoltelor, odata cu reducerea inputurilor chimice şi sunt folosite pentru a intensifica abilitatea naturală a plantelor de a tolera sau a rezista la atacul patogenilor. Manipularea “in vitro” şi atingerea acestui caracter valoros al toleranţei sau rezistenţei se face prin: a) modificarea expresiei unor molecule regulatoare, critice, adesea conservate printre diverse specii de plante. Moleculele regulatoare sunt proteine-factori de transcriptie, care induc creşterea sau descreşterea ratei de transcripţie a unei gene particulare sau a unor seturi de gene. Proteinele modulează procesele celulare, care în timpul ciclului de viaţă al organismulu, in diferite stadii de dezvoltare, în diferite tesuturi şi tipuri de celule, determină nivele diferenţiate de expresie a genei, ca reacţie la diferiţi stimuli exogeni si endogeni. Utilizând diferiţi factori de transcripţie şi genele care codifică informaţia genetică despre rezistenţa plantelor la patogeni au fost obţinute diverse plante transgenice. Plantele transgenice prin transformare cuprind calităţi noi si sau proprietati valoroase comercial, incluzând şi un spectru larg de rezistenţă la microorganismele patogene.