Использование грибов рода Trichoderma в растениеводстве

Одним из возможных механизмов, привлекающих особое внимание, является устойчивость биоконтрольного агента к стрессам благодаря улучшению корневой системы и повышению жизнеспособности растений. Толерантность к высушиванию и повышенная усвояемость азота являются примерами этого механизма. Улучшение состояния корневой системы благодаря Trichoderma, возможно, приводит к появлению устойчивости к патогенам, которые непосредственно не контролируются.

В почве многие ионы постоянно переходят  из нерастворимой в растворимую форму, что в значительной степени влияет на усвоение этих элементов корнями. Виды Trichoderma способны в значительной степени положительно влиять на переход многих ионов (фосфаты, цинк, Mn4+, Fe3+, Cu2+) из нерастворимых в растворимую форму, и показано влияние этого процесса на развитие болезни растений.

Некоторые штаммы Trichoderma являются мощными индукторами системной резистентности растений (SAR). Штамм T. harzianum, инокулированный на корни или листья, защищает растения от B. cinerea, независимо от места введения. Анализ листьев, устойчивых к фитопатогенам, показывает, что на них нет Trichoderma. Установлено, что способность к контролю мучнистой росы связана с индукцией резистентности растений. В растениях огурца, выращенного с использованием биопрепаратов, отмечено увеличение размеров растения и урожайности. Мицелий гриба проникает в кортекс корней. В растениях, обработанных спорами Trichoderma, увеличена активность хитиназы и пероксидазы и обнаруживаются фитоалексины, что является показателем SAR.

Инфекционность и способность поражать растения у многих фитопатогенов зависит от продукции пектинолитических, хитинолитических и целлюлолитических ферментов, сериновых протеаз, деградирующих клеточные стенки растительных клеток. Механизм биоконтроля, который могут реализовать виды Trichoderma - разрушение ферментов фитопатогенов, что приводит к снижению их инфекционности [9].

В последнее время появилось  множество новых разработок, касающихся использования Trichoderma в качестве агентов биоконтроля для болезнетворных микроорганизмов и растений, стимуляторов роста. Было предложено несколько механизмов для объяснения положительного воздействия этих микроорганизмов на растение-хозяин. Один из факторов, который способствует их полезной биологической деятельность, связан с широким разнообразием метаболитов, которые они производят. Эти метаболиты не только непосредственно подавляют рост и деятельность патогенных паразитов, но и повышают устойчивость к болезням, запуская систему обороны в растении-хозяина. Кроме того, эти метаболиты также способны к усилению роста растений. Вторичные метаболиты Trichoderma, которые влияют на метаболизм растений, могут играть важную роль в сложных взаимодействиях этого агента биоконтроля с растениями и микроорганизмами [10].

Недавняя смена тенденции  сельскохозяйственной практики применения синтетических удобрений и пестицидов в сельском хозяйстве фокусируется на использовании микроорганизмов, которые выполняют аналогичную функцию. Trichoderma является одним из самых популярных видов грибов коммерчески доступных, способствующих росту грибков (PGPF) и как агент биологического контроля. Эксплуатация разнообразных вторичных метаболитов, производимых различными видами Trichoderma, расширяет свои программы в сельском хозяйстве и смежных отраслях. Как результат, Trichoderma добилась значительного успеха в качестве мощного агента биологического контроля на глобальном уровне. Одобрение Trichoderma в научном сообществе основано на понимании механизмов ее действия против большого набора грибковых, бактериальных и в некоторых случаях вирусных инфекций. Применение конкретных целевых вторичных метаболитов имеет потенциальные возможности использования Trichoderma как фитопатогенов в качестве замены имеющихся в продаже [11, 12].

Исследования по эффективности  биоудобрений  на основе Azotobacter chroococcum, Pseudomonas striata  и Trichoderma viride дали положительные результаты на примере роста рассады яблони.  Azotobacter chroococcum и Trichoderma viride увеличили всхожесть семян до максимального уровня. При этом наблюдалось ускорение роста рассады за счет увеличения длины и диаметра растения. Trichoderma viride также оказалась эффективной против вредителей и болезней при условии достаточного количество влаги в сухой период . Самый высокий темп роста длины и диаметра рассады и хорошее развитие корневой системы наблюдалось при совместном использовании трех микроорганизмов: Azotobacter chroococcum + Pseudomonas striata + Trichoderma viride . Таким образом, «микробное трехстороннее действие» или комбинация из трех микроорганизмов дали лучшие результаты в производстве посадочного материала [13].

Штамм

Trichoderma hamatum GD12 уникален тем, что он может способствовать росту растений, осуществлять биоконтроль над болезнетворными микроорганизмами, находящимися в почве, также может вызывать системное сопротивление прикорневым патогенным микроорганизмам [31].

Таким образом, Trichoderma представляет собой эффективный биоконтрольный агент, который улучшает рост растений.

3. Механизм действия на фитопатогенные грибы

При исследовании биологии микромицета в первую очередь акцентируют внимание на его ингибирующую активность в отношении фитопатогенных грибов, таких как Fusarium  oxysporum, Phytophthora parasitica и др. Поэтому грибы рода Trichoderma используются в мировой практике для создания и разработки биологических препаратов, исходя из высокого антагонистического потенциала, скорости роста и возможности культивирования в производственных условиях [4].

Биологическое регулирование численности фитопатогенов с помощью Trichoderma может происходить косвенно: а) в результате конкуренции за питательные вещества и пространство; б) в результате способности агентов биоконтроля  синтезировать или сопротивляться метаболитам, которые препятствуют прорастанию спор фитопатогена (фунгистазис); г) способности к уничтожению клетки фитопатогена (антибиоз); д) способности модифицировать ризосферу – закисляя почву так, что болезнетворные микроорганизмы не могут расти. 

Механизм отрицательного типа взаимодействия Trichoderma с фитопатогенными микроорганизмами недостаточно изучен на генетическом уровне. В последнее время появилось много свидетельств в пользу того, что биоконтроль является результатом различных клеточных процессов, а не только ферментативного гидролиза, как предполагалось ранее. Исследования подтверждают, что, по крайней мере, один комплекс ферментов – хитиназ – играет одну из главных ролей в отрицательных взаимодействиях  Trichoderma с фитопатогенами [6]. 

Виды рода Trichoderma способны защищать растения от действия патогенов с помощью подавления фитопатогенных микроорганизмов, а также путем индуцирования системной и локальной резистентности растений. Такие прямые эффекты Trichoderma на рост и развитие растений очень важны для применения в сельском хозяйстве и для понимания роли грибов Trichoderma в природных и искусственных экосистемах. 

Грибы Trichoderma проявляют видо- и штаммоспецифичность к разным видам фитопатогенов. Все виды Bipolaris и Alternaria в той или иной степени чувствительны к антагонистически активным микромицетам рода Trichoderma [14].

При оценке перспективного продуцента биологического контроля большое значение играет паразитизм на других грибах. Паразитизм представителей рода Trichoderma в большинстве случаев охарактеризован как некротрофный, а микофилия видов этого рода служит самостоятельным предметом изучения.

Активные в отношении фитопатогенов штаммы могут оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на растения, что необходимо учитывать при использовании их в практике сельского хозяйства. В случае рекомедации продуцента для создания биопрепарата возникает необходимость отбора штаммов и их оценки конкретно для каждого спектра фитопатогенов и классов растений.

Существует множество механизмов, посредством которых грибы Trichoderma осуществляют контроль фитопатогенов. Неудивительно, что разные штаммы обладают различными биоконтрольными способностями. Даже мутанты этих штаммов реализуют различные механизмы контроля фитопатогенов. Кроме того, что эти грибы вооружены самым разным «биологическим оружием», они относятся к высокоадаптивным к различным стрессовым факторам организмам и не специфичным по отношению к контролируемым ими фитопатогенам. Штаммы, лишенные одного механизма, быстро адаптируются и используют другой механизм.

Микопаразитизм считают самым важным механизмом действия биоконтрольных грибов рода Trichoderma. Показано, что регуляция микопаразитизма осуществляется многими генами и генными продуктами. Каждая функциональная ферментная группа представлена несколькими ферментами, различающимися по своим свойствам. Описано более 10 отдельных хитинолитических ферментов, установлена дивергентность и для b-1,3-глюканаз и протеаз. Регуляция каждой ферментной системы осуществляется по-разному, что делает регуляцию микопаразитизма чрезвычайно сложным процессом. Первый этап микопаразитизма обеспечивается более чем 20 генами и генными продуктами и регулируется сложными механизмами. Большинство генов синергичны друг другу. Сложный синергичный регуляторный механизм необходим только для осуществления атаки видов Trichoderma против других фитопатогенов. Неудивительно, что этот род объединяет много грибов, способных контролировать фитопатогенные грибы.

Конкуренция за местообитание и  питательные вещества с фитопатогенами - один из «классических» механизмов биоконтроля у видов рода Trichoderma. Во многих случаях, когда очевидный микопаразитизм или антибиоз отсутствует, предполагается механизм конкуренции [9].

Микопаразит Trichoderma atroviride коммерчески применяется в качестве агента биологического контроля в отношении ряда фитопатогенных грибов. Микопаразитизм  Trichoderma обусловлен разрушением клеточной стенки фитопатогенного гриба, повлекший за собой его уничтожение и гибель. Из этого следует  вывод, что ферменты клеточной стенки (вместе с антибиотиками) являются основными факторами биоконтроля Trichoderma atroviride. Среди них гидролазы и хитиназы играют важную роль. Кроме того, атака Trichoderma  на хост гифы сопровождается значительными морфологическими изменениями [15].

Взаимодействие между  различными штаммами Trichoderma pseudokoningii  и грибами арбускулярной микоризы Glomus mosseae  и Gigaspora rosea изучено как в лабораторных условиях, так и в теплице. Все штаммы Т. pseudokoningii  ингибируют прорастание G. mosseae и G. rosea [32].

1.4 Лигнолитическое действие грибов рода Trichoderma                            

При культивировании Trichoderma viride на жидкой питательной среде с добавлением твердого остатка соломы гречихи, культуральная жидкость исследуемого штамма проявляет высокую целлюлазную активность и не обладает фитотоксичностью. Данный субстрат рекомендован к использованию его для биоконверсии грибами рода Trichoderma viride.

Благоприятный состав твердого остатка соломы гречихи позволяет использовать его в качестве экологически чистого сырья для биоконверсии грибами рода Trichoderma viride, проявляющие высокую биологическую активность в отношении Fusarium oxysporum, а высокий титр спор в полученной культуральной жидкости (110⁸ спор/гр.) дают основание рекомендовать этот субстрат для промышленного получения жидкого биопрепарата «Триходермин» [4].

Гидролиз ксиланаз и целлюлозы, это необходимый шаг в направлении эффективного использования лигноцеллюлозных материалов в природе. Лигноцеллюлозные отходы это большая часть твердых бытовых отходов в городах, тем самым представляя собой экологическую проблему. Исследования показали, что с помощью традиционных стратегий обращения с отходами не удалось снизить остроту этой проблемы. Использование микробных ферментов для переработки лигноцеллюлозных отходов, как было показано, может быть альтернативой, которая является эффективным и экономичным способом. Поэтому, учитывая промышленный потенциал ксиланаз и целлюлаз, и их потенциального использования в лигноцеллюлитическом обращении с отходами, становится перспективой для получения новых ферментов и микробных штаммов, продуцентов ферментов, которые смогут производить большое количество ксиланаз и целлюлаз по низкой стоимости. Химический гидролиз лигноцеллюлозы в настоящее время сопровождается образованием токсичных компонентов, которые оказывают токсическое воздействие на окружающую среду, следовательно, необходимо рассмотреть возможность использования микроорганизмов и их ферменты, которые обладают высокой специфичностью, незначительными потерями субстрата, и также чтобы побочные продукты являлись экологически чистыми [33].

 Ксиланазы и целлюлазы находятся в широком изобилии в природе, они вырабатываются бактериями, грибками, простейшими, водорослями и т.д. Мицелиальные грибы, как сообщается, являются хорошими производителями лигнолитических  ферментов с промышленной точки зрения из-за внеклеточного высвобождение ферментов, представлют высокую доходность в сравнении с дрожжами и бактериями, а также производство и несколько вспомогательных ферментов, необходимых для замещенных полисахаридов. Применение ксиланаз и целлюлаз в основном рассматривается для биоконверсии лигноцеллюлозных материалов, особенно остатков и отходов сельского и лесного хозяйства по производству продукции с высокой добавленной стоимостью, таких, как этанол топливо и другие химикаты [16].

Биоконверсия лигноцеллюлозной биомассы в топливо требует стадии гидролиза для получения брожения сахара, как правило, которое осуществляется с помощью грибковых ферментов. Масштабный скринниг различных штаммов микроорганизмов позволит получить оптимальные ферменты для любого целевой сырья. Различные штаммы Trichoderma исследовали для гидролизного потенциала на таком травянистом лигноцеллюлозном субстрате как просо. Штаммы культивировали на микропластинах для ксиланазной и целлюлазной деятельности. Таким образом, было выявлено, что рост на просо способствует выработке ксиланаз. Штамм IK4 обладает самый высокий ксиланазной производительностью после роста на таком лигноцеллюлозном субстрате как просо [17].