Principy biologické ochrany proti houbovým chorobám rostlin

04. 03. 2022 Mgr. Dominik Bleša, Mgr. Pavel Matušinský, Ph.D., Dr. Ing. Ludvík Tvarůžek, Bc. Kateřina Blažková; Agrotest fyto, s. r. o., Kroměříž Choroby Zobrazeno 1428x

Houby a houbám podobné organizmy jsou nejvýznamnějšími patogeny rostlin způsobující každoročně velké ztráty na zemědělských produktech. Pro zajištění kvalitní produkce nezávadných potravin je vhodné houbové patogeny, ale i jiné škůdce redukovat, a to pomocí správných agronomických a dalších pěstebních postupů s využitím pesticidů. Účinnou alternativní metodou k chemickým přístupům nejen proti houbovým chorobám je využití prostředků biologické ochrany.

V současné době existují přísné předpisy týkající se používání chemických pesticidů a v řadě států je patrný politický tlak na stažení nejnebezpečnějších chemických látek z trhu. Biologická ochrana je bezpečná pro životní prostředí a v některých případech je jedinou dostupnou možností ochrany rostlin proti patogenům. Kromě výše uvedených problémů může být aplikace chemických látek znehodnocena i šířením patogenů rostlin v přírodních ekosystémech.

V průběhu svých životních cyklů rostliny i patogeny interagují s celou řadou dalších organizmů. Tyto interakce mohou nejrůznějšími způsoby významně ovlivňovat zdravotní stav rostlin. Úspěšná implementace biologických přístupů do podmínek kultivace vyžaduje znalost životních strategií patogenů, antagonistů i rostlin, včetně jejich vzájemného působení. Z důvodu proměnlivé účinnosti biologických metod v podmínkách prostředí, převážně v polních ekosystémech, a ceny, je komerční využití aplikace spíše využíváno v kontrolovaných systémech a do polních podmínek se dostává velmi pomalu, zpravidla jen v ekologickém zemědělství na menších územních celcích. Pro efektivní využití je tedy důležité vyvinout takové přípravky, které budou zajišťovat vyšší stupeň stability a schopnost přežití po aplikaci do polních systémů.

Většina biologických přípravků proti houbovým patogenům se používá proti těm, které jsou přenášeny osivem a půdou. V menší míře jsou využívány pro eliminaci výskytu listových chorob, redukci patogenů v posklizňových zbytcích nebo uskladněných plodin. Využívá se introdukce nepůvodních druhů nebo jakékoliv techniky podpory nativní populace biokontrolního agens na stanovišti. Další formou může být i vyvolávání, resp. indukce rezistence hostitelských rostlin pomocí nepatogenních nebo imkompatibilních kmenů mikroorganizmů.

Terminologie

Jak je běžné u biologických systémů, není jednoduché vytvořit přesné definice a sjednotit významově terminologií se zahraničími přístupy. V rámci tohoto textu se biologická agens, prostředky biologické ochrany, případně kontroly, vztahují k vědeckým směrům fytopatologii nebo entomologii. V těchto směrech se vztahuje použití mikrobiálních antagonistů k potlačení chorob, a také na použití hostitelsky specifických patogenů k regulaci populací plevelů.

Další formou přístupu je zahrnutí všech složek přírodních produktů, které se používají ve formách extraktů nebo produktů jejich fermentace. Tyto přípravky mohou být jednoduché směsi přírodních složek se specifickou aktivitou nebo komplexní směsi se širší škálou účinků na hostitele i patogen, případně další škůdce.

Další definice tuto problematiku rozšiřují na použití přírodních organizmů, genů nebo genových produktů ke snížení účinků nežádoucích organizmů a ke zvýhodnění žádoucích organizmů, jako jsou plodiny, užitečný hmyz a mikroorganizmy.

Nejobecněji je také biologická ochrana definována jako potlačení škodlivé činnosti jednoho organizmu jedním nebo více jinými organizmy, často označovanými jako přirození antagonisté.

Tuto oblast však lze kategorizovat podle celé řady přístupů, účelu použití, typu působení, dle použitých organizmů, jako preventivní nebo cílený zásah atd. Kategorie se však na různých úrovních pohledu překrývají, proto je vhodnější vycházet z obecných principů vztahů v přírodě.

Interakce mezi rostlinami a prospěšnými mikroorganizmy

V průběhu svého životního cyklu na přirozeném stanovišti jsou rostliny vystaveny celé řadě působení dalších organizmů. Tyto interakce mohou různými způsoby významně ovlivňovat zdravotní stav rostlin (obr. 1). Pro pochopení mechanizmů biologické ochrany je vhodné zmínit různé způsoby interakce organizmů.

Typy interakcí mezi rostlinami a mikroorganizmy jsou označovány jako mutualismus, protokooperace, komensalismus, neutralismus, konkurence, amensalismus, parazitismus a predace. Přestože byla terminologie vyvinuta pro makroekologii, příklady všech těchto typů interakcí lze v přírodě nalézt jak na makroskopické, tak na mikroskopické úrovni, a protože se na průběhu chorob rostlin podílejí jak rostliny, tak mikroorganizmy, interakce poskytující biologickou ochranu probíhají ve více měřítcích specificky i nespecificky.

Mutualismus je symbiotický vztah mezi dvěma a více druhy, ve kterém z tohoto spojení profitují všechny druhy. Někdy může jít o vztah obligátní, kdy jsou na sobě organizmy biochemicky závislé včetně anatomických a morfologických změn, jako je tomu u mykorhizních hub vůči rostlinám, kterým poskytují hůře dostupné živiny nebo ovlivňují jejich metabolizmus, na oplátku vyžadují část asimilátů rostlin. Ve větší míře jsou však mutualitické vztahy fakultativní nebo oportunistické, tedy jejich životní cyklus není přímo navázán na přítomnost hostitele.

Neutralismus je definován jako biologická interakce, ve které populační hustota jednoho druhu nemá žádný vliv na populační dynamiku, případně hustotu druhu jiného. Vztah, kdy k tomuto potlačení dochází je nazýván jako antagonismus, případně konkurence. Kýženého stavu lze dosáhnout přítomností nepatogenních kmenů nebo druhů, které s patogeny soutěží - kompetitují o živiny a místo v rostlině nebo v jejím nejbližším okolí. Případně lze pomocí avirulentních kmenů indukovat obranné mechanizmy rostlin.

Parazitismus je také symbiotický vztah, při kterém dva organizmy koexistují po delší dobu. V tomto typu interakce jeden organizmus profituje, obvykle fyzicky menší (parazit), zatímco druhý (hostitel) je poškozován. Těchto vztahů se využívá i v rámci biologické ochrany, tedy podporou nebo vnášením tzv. hyperparazitů, kteří parazitují na původcích chorob rostlin (obr. 2). Další symbiózu využívající vztah na bázi konzumace a výživy jednoho z účastníků je predace. V tomto případě dochází přímo k usmrcení daného organizmu. Termín predátor je převážně spjatý s živočichy, kteří se živí na vyšších trofických úrovních v makroskopickém světě, ale lze jej pozorovat i na úrovni protist a půdní mezofauny, například pro omezení počtu hlístic.

Obr. 1: Detail bází rostlin pšenice a myceliem patogenní houby porostlého substrátu; zahnědnutí báze je vizuálním potvrzením napadení rostlinných pletiv patogenem

Obr. 2: Využití schopnosti produktů s přídavkem mykoparazitické houby Trichoderma viridis na ochranu klíčících rostlin pšenice seté po umělé inokulaci konidiemi patogenní houby Fusarium culmorum; přítomnost mykoparazita lze pozorovat i vizuálně, a to díky zelenému pokryvu na povrchu substrátu

Biologická ochrana v systémech ochrany rostlin

Obecně lze tedy říci, že biologická ochrana využívá vztahů mutualismu mezi plodinou a mikroorganizmy nebo podporu antagonistického působení biologických agens na patogeny. Vzhledem k environmentálním a zdravotním problémům používání chemických pesticidů, roste poptávka po biologicky založených postupech ochrany proti patogenům mezi ekologickými i konvenčními pěstiteli. Trh s produkty biologické ochrany se významně rozšiřuje, přesto zbývá ještě plně zodpovědět řadu výzkumných otázek týkajících se podstaty biologické ochrany a využití prostředků pro její co nejefektivnější použití v produkčních podmínkách. Pro to je třeba pochopit základní mechanizmy působení biologických agens v kontrolovaných a polních podmínkách. Včetně dalších ekologických vztahů.

Úplný zákaz chemických pesticidů pro regulaci škůdců a chorob rostlin v moderním zemědělství není reálný, avšak pro udržitelnost zemědělských systémů by se k řešení problémů se škůdci mělo využívat všech dostupných metod, v rámci integrované ochrany rostlin (IOR). Zavedení strategií IOR může být nejbezpečnější volbou pro řešení problémů se škůdci včetně houbových patogenů v každém systému pěstování plodin i s využitím biologické ochrany.

Příklady testovaní a praktických aplikací

Biologická ochrana proti patogenům rostlin byla v posledních letech předmětem mnoha výzkumných projektů i v Zemědělském výzkumném ústavu v Kroměříži. Mimo molekulární techniky charakterizace rozmanitosti, množství a aktivity mikroorganizmů ovlivňujících zdraví rostlin jsou testovány i jejich praktické aplikace. Testují se formy přípravků, způsoby aplikace, odezvy rostlin po inokulaci a další (obr. 3).

V článku na téma biologické ochrany (Agromanuál 2/2020) je zmíněno studium a praktické využití kmene QST 713 bakterie Bacilus subtillis ve formě přípravku Serenade ASO, jakožto komplexního přírodního fungicidu, rovněž s insekticidním účinkem. Nejedná se však pouze o působení vůči patogenům, ale i o indukci obranných reakcí a zlepšení fyziologického stavu hostitelů. Vzhledem k povaze přípravku jej lze využít i pro kombinaci s dalšími fungicidy a jsou testovány způsoby jeho aplikace například v různých povětrnostních podmínkách.

Významnou skupinou produktů na biologickou ochranu jsou extrakty rostlinných metabolitů nebo látek z nich odvozených. Jedná se o sekundární metabolity rostlin, které jsou syntetizovány jako ochrana proti patogenům nebo proti okusu zvěří. Tyto metabolity jsou často specifické pro daný rostlinný druh a liší se strukturou i chemickým působením. Směsi pesticidních látek obecně zvané saponiny, esenciální oleje a další, lze charakterizovat chemicky jako látky terpenoidní povahy, fenoly (polyfenoly) a alkaloidy. Pro posouzení vlivu na hostitele a patogen využíváme speciálních metodik, tzv. „roládových“ testů ve směsi vybraných esenciálních olejů, případně saponinů a jejich působení vzhledem k rozvoji patogenů na kontaminovaném zrnu.

Neopomenutelnou skupinou, jenž je v ZVÚ Kroměříž zkoumána, jsou mykorhizní a endofytické houby, u nichž lze rovněž testovat přímý vliv na hostitelské rostliny. Pro omezení dopadu biotického nebo abiotického stresu jsou využívány prostory s regulovanými podmínkami (obr. 3), laboratorní experimenty na Petriho miskách (obr. 4) a standardní polní podmínky. Lze pozorovat, že aplikace endofytických preparátů má v laboratorních podmínkách výrazný účinek na výskyt patogenů (graf 1). Z celé řady experimentů testujících interakce endofytických hub s rostlinami je patrná schopnost vybraných izolátů působit proti patogenům přímo i nepřímo. Na Petriho miskách jsou zkoumána přímá působení a inhibiční efekty izolátů, případně další alelopatické parametry, jakými jsou například rudnutí mycelia u rodu Fusarium nebo senescence mycelia houby rodu Pyrenophora. V nádobových pokusech může být toto působení podpořeno i obrannou reakcí rostlin, a tedy významným snížením množství napadených rostlin. Experimenty se ovšem zaměřují i na další působení mutualistických interakcí, a to vzhledem k výnosovým parametrům.

Další částí výzkumu je posouzení přítomnosti vybraných mykoparazitických hub v substrátu a testování jejich supresivních schopností proti rozvoji symptomů způsobených patogenní houbou Fusarium culmorum (obr. 2). Schopnosti potlačení infekce jsou dané kombinací faktorů množství infekčních částic patogenu, rychlostí růstu biokontrolního agens a podmínek prostředí.

Pro studium funkcí jednotlivých přípravků jsou vhodné kombinace měřených parametrů. Cílem však je udržení kvalitní produkce a výnosu, jakožto integrálního parametru zdravotního stavu plodin.

Graf 1: Procentuální hodnocení přítomnosti symptomů na rostlinách ječmene jarního po napadení patogenní houbou rodu Fusarium; rostliny inokulované mutualistickou endofytickou houbou Serendipita indica, nepatogenním endofytem Microdochium bolleyi a neošetřená varianta - aplikace endofytických organizmů měla statisticky průkazný účinek v potlačení symptomů napadení LSD_0,05; N = 12

Obr. 3: Využití kultivačních boxů pro udržení kontrolovaných podmínek při testování biologických preparátů je klíčové z důvodu omezení dalších vlivů; patrné jsou varianty v pěstebních nádobách s rozdílnou expresí přítomnosti patogenu

Obr. 4: In vitro testování alelopatického působení vybraných izolátů endofytických hub a patogenů: F - Fusarium culmorum, M - Microdochium bolleyi, Cc - Ceratobasidium cereale, P - Pyrenophora teres, Cs - Ceratobasidium sp.; upraveno z Bleša a kol. 2021

Shrnutí

V řadě aspektů a přístupů k problematice biologické ochrany rostlin došlo k výraznému posunu, tato oblast však stále potřebuje větší rozvoj a měla by být nedílnou součástí výzkumu v zemědělství. Aby byly do budoucna k dispozici účinné strategie biologické ochrany, je třeba se zaměřit na vývoj nových produktů ve vztahu k proměnlivým podmínkám prostředí, snadnější výrobě, využití bio a nanotechnologií pro lepší působení mechanizmů ochrany. Díky rostoucí poptávce mezi pěstiteli má vývoj takových přípravků slibnou budoucnost.

Ucelené systémy a strategie pěstování pak mohou sloužit pro regulaci chorob, zvyšování výnosů, ochranu životního prostředí, biologických zdrojů, rozmanitosti a k podpoře udržitelného zemědělství.

Doporučená literatura: pouze na web
Bleša, Dominik; Matušinský, Pavel; Tvarůžek, Ludvík; Svačinová, Ivana; Růžková, Simona; Hambálková, Markéta. Využití biologické ochrany v produkci rostlin. 2020, Agromanuál 2, str. 78–81.
Bleša, Dominik; Matušinský, Pavel; Sedmíková, Romana; Baláž, Milan. The Potential of Rhizoctonia-Like Fungi for the Biological Protection of Cereals against Fungal Pathogens. 2021, Plants 10, 349.
Heydari, Asghar; Mohammad, Pessarakli. A review on biological control of fungal plant pathogens using microbial antagonists. 2010, Journal of biological sciences 10.4, str. 273–290.