“Лего» для сигнальных белков

Созидание в растениеводстве, априори, как и всякое нормальное проявление добра, комплектуется в обязательном порядке здоровенными кулаками в виде средств защиты растений. А также некоторыми внутренними ресурсами выращиваемых культур, позволяющими растениям достаточно эффективно справляться с вредителями, болезнями, неблагоприятными условиями выращивания и, в некоторых случаях — конкурентами в виде других растений.

Римский историк Корнелий Непот сформулировал известное выражение, которое можно назвать не столько «крылатым», сколько «когтистым и зубатым». На латыни оно звучит как «Si vis pacem, para bellum», а на русском чаще всего переводится фразой «хочешь мира — готовься к войне». Но это не единственный вариант перевода. Есть еще один – «хочешь мира, готовь войну». Отличие небольшое, но существенное — в первом случае предполагается готовиться к обороне и ждать развертывания событий, а во втором — действовать активно и агрессивно, используя победу в войне для установления мира. Если кому-то захочется понять, какой вариант перевода многоопытный римский историк посчитал бы более верным, он может внимательно изучить особенности военно-политических событий последнего года как в в мире , так и внутри страны. Хотя (со стороны государства Украина), достойных иллюстраций ни для первого, ни для второго варианта перевода этой фразы до осени 2014 года вообще не существовало… «Видимость мира делает войну ещё опаснее”, не без основания считал другой римлянин, Клавдий Клавдиан.

Но тема этой статьи — не политика и война, а более интересная, мирная и созидательная — сельское хозяйство.  У культурных растений, равно как и у «культурных» граждан, привыкших к жизни в заведомо комфортных условиях, механизмы внутренней защиты значительно менее развиты, чем у более диких и менее прихотливых особей того же вида. Но все-таки они работают, причем их действие может быть достаточно эффективным. И во многих случаях растения, благодаря этим особенностям, могут самостоятельно решать возникшие проблемы, не надеясь на помощь извне от агронома в виде поставок «летального химического оружия».

В бывшем СССР начатые еще в середине 1970-х годов академиком Игорем Тарчевским исследования по этой теме продолжаются и по сей день в Институте биохимии и биофизики Казанского научного центра РАН. Всего же в мире исследования в подобном направлении проводят около 170 различных лабораторий и институтов США, Германии, Японии, Англии, Индии и других стран. Это говорит, с одной стороны, о сложности и недостаточной изученности проблемы, а с другой — о значительном практическом значении получаемых результатов. Ведь это только в анекдотах фигурируют «британские ученые», занятые исследованием чего-то заведомо ненужного с заведомо комичными «достижениями». На практике успешная научная работа — это работа с ощутимым коммерческим результатом применения полученных данных.

Итак, как же растения приспосабливаются к изменившимся условиям выращивания, как они преодолевают стресс и борются с агрессорами? На изменение внешних условий они реагируют внутренними изменениями, регулируя интенсивность дыхания, водопотребления, роста и развития. А при повреждении вредителями и болезнями меняют свой обмен веществ, синтезируя заведомо токсичные для вредного организма химические вещества. Их называют веществами вторичного метаболизма, в отличие от первичных метаболитов, которые необходимы самому растению в его «домашнем хозяйстве» и встречаются в клетках всех растений. Термин «вторичные метаболиты» ввел в 1891 году известный немецкий биохимик и физиолог Альбрехт Коссель. В основном это вещества, ответственные за контакты с внешним миром, – например, эфирное масло или горечь, отпугивающие травоядных животных, либо компоненты аромата цветка. Они нужны растению, но без них оно прожить может, а вот без глюкозы – никак. Биохимические пути синтеза вторичных метаболитов – как бы надстройка над системой жизненно необходимых реакций.

Коммивояжер заходит в квартиру и выливает банку краски на ковер. Хозяева остолбенели… – Теперь вам не придется волноваться по поводу ковра! – Вы продаете очиститель ковров? – Нет, это новое уникальное средство, снимающее стресс!

Причем вторичные метаболиты используются не только для решения проблем растения в масштабах одного организма, но и для «общения» растений друг с другом, а иногда даже с насекомыми.

В восьмидесятые годы прошлого века зоолог Дэвид Роудс из Вашингтонского университета обнаружил, что ива ситхинская, в ответ на елой бабочки, изменяла свой биохимический состав. Ее листья становились настолько менее вкусными и питательными, что пожирающие их агрессоры почти не росли. Когда биолог накормил личинок листьями соседней здоровой ивы, ничего не изменилось — насекомые росли аномально медленно. Ученый пришел к выводу, что у двух соседних ив проходили одинаковые биохимические процессы. Здоровое дерево получило предупреждающее сообщение от поврежденного вредителями об опасности, после чего изменило химический состав листьев для борьбы с насекомыми.

Открытием «говорящих растений» вдохновился молекулярный биолог Тед Фармер, изучавший фитогормоны. Он исследовал полынь, выделяющую метилжасмонат для отпугивания насекомых. В одном из экспериментов биолог просто положил полынь с надкусанными листьями в герметичную емкость с кустами томата. Овощ сразу начал выделять ингибиторы протеазы, отравляющие вредителей.

Ботаники уверены, что почти все растения выделяют летучие органические соединения в ответ на раздражающие факторы. Эти химические сообщения имеют универсальный характер для всего зеленого царства, поэтому их могут улавливать растения других видов — табак понимает предостережение полыни, а лимская фасоль реагирует на биохимическую эмиссию огурца. Растения умеют общаться и с другими организмами, например, призывая насекомых-хищников, питающихся определенными видами вредителей. Кукуруза, которую повреждают гусеницы совки, выделяет облако летучих соединений, привлекающее ос-паразитов, которые набрасываются на гусениц и откладывают яйца в их телах. Сигналы растений распознают муравьи, моль, колибри и даже черепахи.

Вернемся от теории к практике, от «аллелопатического интернета» растений к сути проблемы, то есть к механизмам адаптации. Успешность адаптации растений к условиям окружающей среды зависит от скорости реакции на внешние изменения и возможности оперативно синтезировать необходимые вещества. Для того, чтобы наглядно представить себе этот процесс, стоит снова перейти от мира к войне, и подняться от земли к небу.

Полковник ВВС США Джон Бойд, во время работы над созданием истребителей Ф-16 и Ф-18 создал простую модель, которая описывает работу пилота истребителя во время воздушного боя. С 1945 по 1951 год он служил летчиком ВВС США. Заслужил прозвище “Сорокасекундный Бойд”, потому как в воздушном бою мог победить любого пилота менее, чем за 40 секунд. Анализируя воздушные бои в Корее и Вьетнаме, он пришел к выводу, что не более быстрые и маневренные самолеты были критическим фактором успеха, а то – кто быстрее сможет получить ситуационную информацию, осмыслить ее, принять лучшее решение и эффективно его реализовать.

Эта модель ( известна как OODA (англ. )или цикл НОРД) состоит из 4х определенных состояний

1.Наблюдение (Observe): сбор исходных данных посредством;

2.Ориентация(Orient): анализ и синтез данных для формирования текущей перспективы (модели действий);

3.Решение (Decide): определение последовательности действий на основе текущей перспективы ;

4.Действие(Act): физическое исполнение принятых решений.

В своей работа Джон Бойд акцентировал внимание на “темпе” – быстром ритме прохождения через цикл. Он утверждал, что кто быстрее и лучше пройдет через состояния НОРД цикла – тот победит в войне. В советской военной теории известен похожий принцип “Трех У” – упредить в обнаружении, упредить в развертывании, упредить в огневом поражении.

Созданный цикл не ограничен только применением к действиям пилотов истребителей ,и может рассматриваться значительно масштабнее. Известно, что, разработки Бойда были основой операции США «Буря в пустыне». Возможно его применение и в мирных целях — как в системах АСУ на промышленных предприятиях, так и в сельском хозяйстве (защита растений), например. Так что можем смело спускаться с небес на землю.

Принцип НОРД показывает ключевые факторы адаптации растения, поэтому скорость прохождения цикла является необходимым условием не только успешного воздушного боя, но и формирования высокого урожая картошки, пшеницы или яблок.

Как это работает на уровне растительного организма? В клетке каждого организма есть свой генетический аппарат. Гены расположены в ДНК – это обширное хранилище информации, своего рода «Энциклопедия домашнего хозяйства» для растений. Что такое ген? Это матрица, своеобразный печатный станок для производства определенного белка. То есть что-то вроде рецепта или выкройки в нашем популярном обзоре. Понятно, что из массы рецептов и советов «сделай сам» растение использует только самые насущные, как и большинство домашних хозяек. Поэтому множество генов, как и рецептов, просто хранятся «на всякий случай». Но иногда требуется сотворить нечто сверхординарное, например, приготовить экзотическое блюдо для гостей или связать теплые носки в связи с наступлением холодной погоды. А растению, соответственно, найти правильный биохимический ответ на поставленный жизнью вопрос. Вот тогда и используются запасливо хранимые гены, т. е. происходит их экспрессия.

Реклама конструктора LEGO по ТВ.

Редакция первая:

“Собери полицейский участок и размести там грабителей”

Редакция вторая (через несколько дней):

“Собери полицейский участок и посади грабителей в тюремные камеры”

На первом этапе из внешней среды должен поступить сигнал, который и запускает весь последующий механизм. Например, звонок от предполагаемых гостей или сводка прогноза погоды (о похолодании, которое является поводом для вязания носков). Дальше происходит поиск модели (схема, рецепт, выкройка), решается вопрос с необходимыми материалами (продукты или нитки) и начинается процесс воплощения замысла в жизнь.

Для растений основными продуктами ответа на изменение условий являются белковые молекулы с специфическими функциями.

Понятно, что чем быстрее гипотетическая хозяйка среагирует на сигнал, тем больше шансов у нее справиться с задачей до наступления критического времени. То же самое можно сказать и о растении.

Учительница английского языка перебила ученика, вбежавшего в класс, словами «In English, please!» и все узнали об инфаркте трудовика только через полчаса.

Проблема только в том, что до растения информация доходит долго. И далеко не прямым путем. Некоторые общие факты я приведу, основываясь на монографии И.В. Косаковской по стрессовым белкам.

Выделяют несколько главных этапов в ответе клеток на стресс: образование сигналов, которые передаются в ядро и взаимодействуют с генами, изменяя их экспрессию (проявление определенных функций); индукция или репрессия синтеза специфических мРНК и их трансляции; образование стрессовых белков. Стрессовые белки синтезируются в количестве до 2 % от белков, образующихся в нормальных условиях, причем их синтез носит временный характер. Обычно он происходит в течение нескольких часов от момента стресса и чаще всего в две фазы: синтез так называемых “ранних” и “поздних” белков.

Хорошо изучена реакция растений на тепловой и холодовой стресс. Исследование характера ответа растений на температурные стрессы выявило, что реакция клеток является быстрой, а функция стрессовых белков реализуется в первые часы действия экстремальных факторов до момента включения системы специализированной адаптации. Так, среди стрессовых белков, синтезируемых в растительной клетке в ответ на температурный и водный шок, есть как общие, так и специфические («спецназ» растения). То есть именно стрессовые белки позволяют организму выиграть время в критической ситуации, так же, как вовремя высаженный десант позволяет крупным подразделениям скоординировать свои действия, пока относительно небольшие мобильные группы ведут бой. О скорости реакции растения на стресс свидетельствуют следующие факты. Образованию БТШ ( белков теплового шока) предшествует синтез de novo мРНК теплового шока, который наступает в первые 3–5 мин стрессового воздействия и продолжается от 1 до 4-х часов, после чего постепенно снижается. Синтез БТШ начинается уже через 15 мин после действия теплового шока и длится 6–8 часов. Максимальный синтез БТШ происходит в течение первых 2,5 часов.

Таким образом, оперативный синтез стрессовых белков является жизненно необходимым условием выживания растения при наступлении заморозков, засухи, затопления, нашествия вредителей или вспышки болезней.

И мы можем помочь растению в этом нелегком для него деле. Белки, как известно, состоят из аминокислот. Поэтому синтез белков, как обычных, так и стрессовых, можно ускорить и облегчить, обеспечив достаточное количество строительного материала, т. е. аминокислот.

Эту задачу можно решить двумя путями.

Первый путь — усилить синтез аминокислот самим растением. Для этих целей можно использовать минеральные удобрения для листовой подкормки.

Прежде всего, самый обыкновенный карбамид (мочевину) в низкой концентрации (не более 3%). Аммоний, являясь восстановленной формой азота, при поглощении растениями легко используется в синтезе аминокислот и белков. Синтез аминокислот и белков из восстановленных форм азота происходит быстрее и с меньшими затратами энергии, чем синтез из нитратов, для восстановления которых до аммиака растению необходимы затраты дополнительной энергии.

Также свою позитивную роль может сыграть обработка препаратами калия для листовых подкормок. Калий не входит в состав органических соединений растений. Однако он играет важную физиологическую роль в углеводном и белковом обмене растений, активизирует использование азота в аммиачной форме, влияет на физическое состояние коллоидов клетки, повышает водоудерживающую способность протоплазмы, устойчивость растений к увяданию и преждевременному обезвоживанию и тем самым увеличивает сопротивляемость растений кратковременным засухам. Но, в отличие от карбамида, соединения калия всасываются через листовую поверхность значительно дольше, поэтому целесообразно проводить обработку калийными удобрениями превентивно, то есть конкретно «до», а не «во время» стресса.

Ползет мужик по пустыне. Жарко, вода кончилась, еды нет, смерть близко .

Ползет он и хрипит:

– Конец мне, конец.

Внезапно появляется улыбающаяся добрая фея и спрашивает ласково:

– А тебе какой??

Существенно повлиять на синтез аминокислот может и использование стимуляторов роста. Когда росток начинает ассимилировать углекислый газ, главными местами новообразования белков становятся лист и корень. По мере развития растения начинается перетекание аминокислот и белков из листьев к соцветиям и плодам, а, следовательно, к семенам. Поэтому стимуляция корня (на этапах вегетативного роста) и листового аппарата «мягкими» стимуляторами на основе солей гуминовых и фульвовых кислот, а также препаратами фитогормонов (ауксина и цитокинина) могут дать вполне ощутимый антистрессовый эффект.

Сидит на скамеечке в парке пожилой лорд. Мимо проходит шикарная девушка в мини-юбке.. Лорд говорит слуге:

– Джеймс, подайте мне быстрее мою вставную челюсть, я хочу ей свистнуть.

А что делать, когда сами стрессовые условия или их проявления налицо? Можно пойти другим путем. Вспомним еще раз ВВС США. Для ремонта и техобслуживания самолета его двигатель и прочие важные элементы можно было снять целиком или поблочно. То есть монтаж и демонтаж проблемного узла занимал считанные минуты. Можно было оперативно провести замену — и в полете. А ВВС СССР полагались на гибкость и изворотливость технического состава, причем во всех смыслах этих слов. Поэтому тот, кто утверждал, что в СССР не было секса, просто не видел авиационного механика в процессе работы. Позиции «Камасутры» просто блекнут перед удивительными конфигурациями единения советского человека и советской техники…

Я немного отвлекся от темы, но общая идея, которую я так красочно обрисовывал, сводится к следующему: хотим сделать быстрый монтаж — собираем крупными готовыми блоками. В данном случае блоки — это аминокислоты, а препараты для листовой подкормки, которые содержат аминокислоты растительного происхождения в достаточно высокой концентрации, достаточно широко представлены на рынке. Компания «Агросфера», в частности, успешно применяет препарат «Фреш Амино», содержащий 15% свободных аминокислот растительного происхождения в комбинации с амидным азотом. Разница в скорости и трудоемкости синтеза белка у растения без вмешательства человека и при обработке посевов препаратами аминокислот такая же, как при строительстве кирпичного и панельного дома соответственно. А как утверждали древние римляне, «Вдвойне даёт тот, кто даёт быстро». Причем аминокислоты растительного происхождения из применяемых препаратов способны оказаться внутри растения быстро и беспрепятственно даже если растение «прибито» стрессом и не может похвастаться высокой скоростью обменных процессов.

На первое апреля из кабинета товарища Сталина выходило много внезапно поседевших, но очень радостных людей.

Аминокислоты также могут выполнять роль хелатирующих агентов металлов, что позволило компании «Агросфера» создать препарат, объединяющий аминокислоты с микроэлементами. Преимущества препарата «Фреш Микс» очевидны – аминокислотные комплексы металлов менее токсичны , чем соединения на основе ЕДТА, DTPA, EDDHA, и предотвращают не только дефицит микроэлементов, но и являются дополнительным источником незаменимых аминокислот.

Функции аминоксилот не заканчиваются ролями «кирпичиков» для белков и хелатирующим элементом для микроудобрений. Способность аминокислот обеспечивать лучшее удержание капель рабочего раствора пестицида на обработанных растениях и стимулировать транспортировку д.в. пестицидов и препаратов для листовой подкормки внутри организма позволяют сочетать «полезное с полезным» в одной баковой смеси. То есть использовать препараты аминокислот в качестве «прилипателя» с пестицидами в форме в.д.г. (преимущественно сульфонилмочевинами) и к.с. или с.п. (преимущественно фунгицидами), а также с препаратами микроэлементов для листовой подкормки.

Принимая во внимание тот факт, что аминокислоты обладают свойствами антидотов гербицидов группы ингибиторов АЛС-синтазы (сульфонилмочевин и имидозалинонов), их совместное применение не только способствует лучшему контролю сорняков и меньшему загрязнению почвы (свойства прилипателя), но и уменьшают негативное фитотоксическое действие гербицидов на культурные растения.

О наглядных результатах совместного применения препарата «Фреш Амино» с нормой расхода 0,5 кг/га с препаратом «Меркурий»(трибенурон-метил, 750 г/кг) в норме 30 г/га на посевах подсолнечника, стойкого к трибенуронметилу (технология «Сумо» или «Экспресс») можно судить по фото 1 и 2.Несмотря на экстремальные погодные условия, растения подсолнечника не имеют каких-либо признаков угнетения на фоне отличного контроля двудольных сорняков. О развитии подсолнечника через месяц после обработки можно судить по фото 3.

Фото 1

Подсолнечник 2Подсолнечник итог 3

 

Применение препарата Фреш Амино» с нормой расхода 0,5 кг/га с препаратом «Юпитер» (имазетапир, 100 г/л) в норме 0,8 л/га и последующей обработкой «Фреш микс» с нормой расхода 0,3 кг/га совместно с инсектицидом «Дестрой» в норме 150 г/га на посевах сои также показало высокую эффективность. Отличие по урожайности между контрольным и опытным вариантом было более 2,5 ц/га на посевах раннеспелой сои, и от 4,2 до 4,8 — на посевах среднеспелых сортов. О лучшей адаптации к условиям водного стресса (были перебои с водой для орошения) растений с опытных участков поля можно судить по их размеру, цвету листьев и, самое важное, продуктивности растений.Фото 4,5,6.

Соя ранняя (поле 1) сравнениеСоя ранняя (поле 1)Соя среднеспелая (поле 2)

Есть такой популярный некогда детский стишок С.Я. Маршака «Оттого, что в кузнице не было гвоздя» — интерпретация английского стихотворения семнадцатого века. Это история о проигранном сражении и уничтожении города из-за мелочи — отсутствующего гвоздя в подкове. В реальной взрослой жизни тоже достаточно примеров того как, казалось бы, ничтожная деталь способна радикально изменить ситуацию. В 1982 году была даже создана вполне работоспособная «Теория разбитых окон”. Согласно данной теории, если кто-то разбил стекло в доме и никто не вставил новое, то вскоре в этом доме не останется ни одного целого окна, а потом начнется мародёрство. Иными словами, явные признаки беспорядка и безнаказанного несоблюдения принятых норм поведения провоцируют окружающих тоже забыть о правилах. В результате возникающей цепной реакции «приличный» городской район может быстро превратиться настоящий «заповедник гоблинов» (не сказочных, а «реальных и конкретных»), где нормальным людям лучше вообще не выходить улицу. Теория нашла широкое применение на практике — сначала в Нью-Йорке, а затем и во многих других городах США, Европы, Южной Африки, Индонезии и т. д. Не у нас, к сожалению (вспомним прошедший год!).Тщательно следя за чистотой улиц и смывая граффити со стен, нью-йоркские власти реально добились значительного снижения преступности в городе.

Подобная закономерность проявляется не только на уровне человеческого общества, но и на уровне безмолвного и безмозглого растительного организма. Развивающаяся стрессовая ситуация, не позволяющая растению своевременно «застеклить разбитое окошко», может привести к лавинообразной разрушительной реакции. Возможность быстро навести порядок внутри растительного организма появляется лишь тогда, когда растение может быстро использовать свои аварийные ремонтные бригады в виде стрессовых белков.

Небольшая помощь извне в виде своевременной обработки посевов препаратами с антистрессовыми свойствами (прежде всего — препаратами на основе аминокислот), позволяет растению не скатиться в то, что в двадцатые годы прошлого века называли емким словом «разруха». Ведь, как считали не без основания древние римляне, «с устранением причины устраняется болезнь». И в этом деле препараты аминокислот — это именно то средство, которое позволяет с минимальными усилиями и затратами получить максимальный результат.

Александр Гончаров

Инфоиндустрия

Читайте нас у Telegram

Пов’язані теми:

Популярні Новини

Підпишись на Infoindustry