Физиология действия на растения фунгицидов триазольной группы

Важнейшим сектором российской экономики, обеспечивающим продовольственную безопасность страны и в значительной степени определяющим социально-экономическое положение в стране, является сельское хозяйство, а растениеводство – одна из первых основополагающих его отраслей.

Эффективность и стабильность выращивания сельскохозяйственных растений определяется многими взаимосвязанными факторами:

• природно-климатические условия;
• степень плодородия почвы;
• соблюдение требований севооборота;
• внесение оптимальных доз минеральных и органических удобрений;
• сортовой состав семян; качество выполнения всех технологических операций;
• наличие профессиональных работников в отрасли, уровень организации и мотивации их труда.

В целях обеспечения более высокого выхода продукции с единицы площади, снижения затрат труда и себестоимости продукции необходимо применение интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур, внедрение высокоурожайных районированных сортов и качественного семенного материала, а также расширение посевных площадей за счет неиспользуемых земельных ресурсов и др.

А одной из приоритетных составляющих технологического процесса выращивания растений является их защита от различных заболеваний, что важно для получения высокопродуктивного доброкачественного урожая. Защита растений от заболеваний проводится начиная с этапа подготовки семенного материала к посеву и в дальнейшем на протяжении всей вегетации от 1 до 5–7 раз в зависимости от культуры и фитосанитарной ситуации.

Химическая защита растений – применение химических веществ – в настоящее время один из самых распространенных и эффективных методов, который используется при возделывании сельскохозяйственных культур во всем мире, а также при хранении, транспортировке готовой продукции и в других целях.

Особое внимание при выращивании сельскохозяйственных растений уделяется борьбе с многочисленными грибными заболеваниями, которые не только приводят к значительным потерям урожайности, но и опасны для человека и животных в связи их способностью развивать грибные заболевания (например, грибы Fusarium spp., продуцирующие микотоксины).

В технологии сельского хозяйства для подавления развития грибных заболеваний из группы пестицидов активно используются такие химические препараты, как фунгициды, которые по месту действия подразделяются на контактные и системные. Обычно их применяют во время вегетации растений.

Контактные фунгициды – это вещества, не проникающие в растения и препятствующие проникновению патогена.

Системные фунгициды – это мобильные вещества, хорошо проникающие через кутикулу листьев и стеблей растения и передвигающихся по ксилеме и/или флоэме. Системные фунгициды обладают защитным и лечебным действием, то есть могут лечить больные растения.

Ряд системных фунгицидов, применяемых для обработки растений в период вегетации, можно использовать и для обработки семян в качестве как простых (с одним действующим веществом), так и комбинированных (содержащих в препарате несколько действующих веществ) протравителей.

Сегодня в широком ассортименте фунгицидов, применяемых в сельскохозяйственном производстве, значительное место занимают препараты, содержащие азолы, в том числе и синтетические препараты, разработанные на основе производных 1,2,4-триазола.

Так, согласно приведенного в Государственном каталоге списка пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации фунгицидов, примерно пятая часть действующих веществ относится к группе азолов.

Системные фунгициды и протравители семян, как отмечено в ряде публикаций, кроме своего основного назначения – проявлять фунгицидную активность у растений, вызывают еще ряд сопутствующих эффектов, которые отражаются на их урожайности.

Среди этих эффектов можно выделить следующие:

• ретардантное действие, обусловленное подавлением биосинтеза гиббереллина;
• проявление эффекта зеленения растений вследствие увеличения содержания хлорофилла;
• повышение содержания белка в зерне;
• повышение устойчивости растений к различным стрессам (низким и высоким неблагоприятным температурам, водному дефициту и засухе, избыточному увлажнению, хлоридному засолению, УФ-В радиации, окислительному стрессу);
• влияние на другие физиологобиохимические процессы растений.

Внимание на физиологические эффекты, проявляемые некоторыми фунгицидными и инсектицидными препаратами, обратили и многие мировые производители средств защиты растений.

Так, у фирмы «BASF» появилась линейка препаратов «AgCelence®». Препараты, входящие в эту группу, защищают растения не только от заболеваний, но и повышают устойчивость к неблагоприятным факторам внешней среды, увеличивают активность нитратредуктазы, повышают содержание фотосинтетических пигментов.

Крупнейшая в мире компания по производству средств защиты растений «Сингента» также обращает внимание аграриев на дополнительные положительные стороны некоторых своих фунгицидов, называя эти физиологические эффекты воздействия на растения «эффект жизненной силы – Vigor™ Effect». Указывается, что препарат «СЕЛЕКТ МАКС» фирмы «Сингента» увеличивает синтез белков-антистрессантов, способствующих усилению иммунитета растений и соответственно повышению устойчивости к различным стресс-факторам. Об имеющемся физиологическом действии указано также и для препарата «АМИСТАР ТРИО» этой фирмы.

Российские производители средств защиты растений также указывают на положительные физиологические воздействия своих препаратов. Так, фирма «Август» указывает на выраженные физиологические воздействия на растения фунгицида «Спирит».

Изучение силы и характера проявления дополнительных физиологических эффектов препаратов для защиты растений, раскрытие механизмов их воздействия на растения, является важным направлением в построении систем защиты и управления посевами сельскохозяйственных культур. Подобный подход позволяет оптимально применять существующие и разрабатывать новые препараты с необходимым комплексным воздействием на растения.

В настоящее время накоплен достаточно большой фактический материал, требующий отдельного внимания и систематизации. В связи с этим учеными Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН и Иркутского государственного университета был подготовлен обзор, целью которого стало обобщение имеющихся на сегодняшний день отечественных и зарубежных данных по изучению физиологических эффектов влияния на растения фунгицидов – производных азола, в том числе и триазолов, как химических средств защиты растений, наиболее активно используемых в сельском хозяйстве.

Как уже говорилось, системные фунгициды – это большая группа химических средств защиты растений. Их применение во всем мире началось с конца 1960-х гг. Единой классификации системных фунгицидов нет, для лучшего понимания действия и особенностей применения их чаще всего объединяют в группы по химическому строению или по механизму действия. По химическому составу можно выделить следующие:

• фениламиды, производные бензимидазола, азолы, содержащие в своей молекуле имидазольную (производные имидазола) и триазольную группы (производные триазола);
• производные пиримидина, производные пиперазина, производные морфолина.

Среди групп по механизму действия выделяют фунгициды, подавляющие процессы деления ядра в клетках грибов (производные бензимидазола и тиофанаты), ингибиторы синтеза стеринов, являющихся основой внутриклеточных мембран.

Последнюю группу фунгицидов условно делят на две подгруппы:

• ингибиторы С14-деметилирования (узкоспециализированные ингибиторы, нарушающие биосинтез стеринов в организме грибов, в частности эргостерина, через блокирование реакции отщепления метильной группы от ланостерина в 14-м положении);
• ингибиторы нескольких реакций процесса синтеза стеринов.

Ингибиторы С14-деметилирования представлены азолами, пиперазинами, пиридинами и пиримидинами, а ингибиторы второй подгруппы представлены морфолинами.

В России зарегистрированы препараты на основе следующих действующих веществ:

• имидазолы – имазалил, прохлораз и ипродион;
• триазолы – бромуконазол, диниконазол, дифеноконазол, ипконазол, метконазол, пенконазол, пропиконазол, протиоконазол, тебуконазол, тетраконазол, триадименол, триадимефон, тритиконазол, флутриафол, ципроконазол, эпоксиконазол.

Они эффективны против плесневения семян, гельминтоспориозной и фузариозной корневых гнилей, ржавчины, мучнистой росы, пыльной и твёрдой головни, септориоза, сетчатой пятнистости, снежной плесени, красно-бурой пятнистости на зерновых культурах, фузариозного увядания, аскохитоза, церкоспороза и плесневения семян на сое, церкоспороза, мучнистой росы и фомоза на сахарной свёкле, альтернариоза, белой и серой гнили, сухой ризопусной гнили корзинки и фомоза подсолнечника и многих других заболеваний.

Фунгициды из группы азолов применяются на таких культурах, как озимая и яровая пшеница, озимая рожь, яровой ячмень, овёс, рис, сахарная свёкла, соя, подсолнечник, горох, озимый и яровой рапс, виноград, лён, картофель, яблоня, груша, томат и других.

Триазолы и имидазолы входят в состав однокомпонентных и многокомпонентных препаратов для фунгицидной обработки, сочетаются с другими фунгицидами и инсектицидами. Препараты с действующим веществом из группы азолов используются как для протравливания семенного материала при предпосевной обработке семян, так и для обработки вегетирующих растений.

Благодаря своему системному действию и высокой эффективности против многих заболеваний сельскохозяйственных культур эти препараты имеют очень широкое применение. В отличие от других доступных фунгицидов они применяются не только для предотвращения заражения растений, но и для лечения. Прохлораз используют как контактный и системный фунгицид для борьбы с болезнями зерновых культур – фузариоза колоса, он перспективен для подавления болезней при промышленном выращивании грибов. Следует заметить, что имидазолы, используемые в производстве химических средств защиты растений, например, имазалил, наряду с исключительно высокой активностью против фузариозной и гельминтоспорозной гнилей зерновых культур, высоко опасны для водного биоценоза, токсичны для млекопитающих.

В настоящее время эти препараты среди синтетических фунгицидов занимают лидирующую позицию и активно используются в сельском хозяйстве против болезней растений, вызываемых базидиомицетами (ржавчинные и головнёвые грибы), аскомицетами (парша, мучнистая роса, склеротиния, септориоз) и некоторыми дейтеромицетами.

В некоторых публикациях отмечено, что для более эффективного фунгицидного действия тебуконазола и снижения его ретардантного эффекта проводят микрокапсулирование. Так, обработка семян кукурузы микрокапсулированным тебуконазолом, по сравнению с обычным тебуконазолом, приводила к некоторому увеличению гиббереллинов и не способствовала накоплению АБК, при этом возрастала сырая масса побегов и корней и увеличивалось содержание хлорофиллов и каротиноидов.

Однако следует учитывать, что высокие концентрации триазолов могут вызывать генотоксичные, цитотоксичные и фитотоксичные эффекты, степень воздействия которых у разных фунгицидов различна.

Триазолы обладают низкой способностью к биоаккумуляции, являются термически и гидролитически стабильными веществами, незначительно растворимыми в воде, вследствие чего долго сохраняются в воде (4 класс опасности) и почве (2 класс опасности). Тем не менее, они считаются экологически безопасными благодаря высокой биологической активности, эффективности в малых дозах и, следовательно, низким нормам расхода (30–250 г д.в./га).

Триазолы используют для обработки как семян, так и надземных органов растений. Ввиду своей химической стабильности они оказывают длительное защитное действие, а растворимость в воде обеспечивает их передвижение из корней в надземную часть растений:

• передвигаются по апопласту;
• в основном преобладает восходящий транспорт;
• передвижение из обработанных листьев к корням и даже стеблям для большинства представителей класса ограничено.

Однако выращивание томатов и сладкого перца на почвах, загрязненных тебуконазолом совместно с флуопирамом, не сопровождалось накоплением этих химических соединений в плодах изученных растений.

Фунгицидная активность всех азолов, независимо от особенностей их химической структуры, определяется их способностью нарушать биосинтез стеринов у грибов. Противогрибковое действие основано на нарушении активности грибковой ланостерол-14α-деметилазы, члена семейства цитохрома P450.

Дефицит эргостерола, включение предшественников эргостерола и продуктов их ферментативных превращений в клеточную мембрану грибов вызывают значительные нарушения структуры, устойчивости, плотности, проницаемости и функций мембраны, влияют на активность связанных с ней ферментов, приводят к дезорганизации грибковых клеточных стенок и к остановке роста грибков.

Способ воздействия азолов на грибки скорее фунгистатический, чем фунгицидный.

Помимо этого, в грибных клетках прекращается синтез ненасыщенных жирных кислот (ННЖК), которые частично заменяются пальмитиновой кислотой.

Механизмы действия триазолов на растительные организмы не ограничиваются их основной фунгицидной активностью, они способны ингибировать синтез стеринов, терпеноидов и у растений, вследствие чего уменьшается транспирация растений.

Показано, что фунгициды являются сильными, но неспецифическими ингибиторами дыхания. Так, было показано, что системные фунгициды (витавакс, плантвакс и байлетон – производное 1,2,4-триазола) оказывают ингибирующий эффект на дыхание корней, связанный с их влиянием на электронтранспортную цепь (ЭТЦ) митохондрий, при этом не затрагивается гликолиз и цикл Кребса.

Действие триазолов на дыхание изучалось и для животных клеток, у которых под действием фунгицидов (тебуконазол, эконазол и ципроконазол) наблюдали развитие митохондриального стресса и апоптоз.

Ряд авторов, изучая влияние триазолов на физиологические процессы растений, выращенных с использованием фунгицидов этой химической природы (обработка растений во время вегетации, либо протравливание семян перед посевом), рассматривают эти препараты как регуляторы роста и стресс-протекторы.

Так, униконазол, относящийся к азолам, используется в основном как регулятор роста на широком спектре сельскохозяйственных и декоративных культур, выступая в качестве ингибитора синтеза гиббереллинов.

Показано, что азолы, в том числе производные триазола, оказывают ретардантное действие на осевые органы (укорачивают длину и увеличивают диаметр побегов, стеблей) плодовых, зерновых (предотвращают полегание), овощных, бобовых, крупяных и декоративных культур; оказывают ростостимулирующее действие на корневую систему многих растений; усиливают образование плодовых почек, ускоряют цветение, улучшают качество плодов, вызывают торможение роста проростков, увеличивают энергию прорастания и всхожести семян яровой пшеницы, улучшают показатели продуктивности яровой и озимой пшеницы.

Производные триазолов увеличивают содержание хлорофилла и других пигментов, оказывают влияние на метаболизм углеводов, подавляя активность α-амилазы, фруктанэкзогидролазы, способствуют накоплению крахмала.

Ретардантное действие триазолов и их производных обусловлено подавлением биосинтеза гиббереллина (гибберелловой кислоты – ГК3) в трех его звеньях уже на ранних стадиях развития растений. Кроме того, некоторые производные триазолов способны подавлять действие экзогенного гиббереллина.

Но это не единственное назначение таких веществ. Ретарданты оказывают влияние на ветвление растений, фотосинтетическую активность листьев, повышают устойчивость растений к неблагоприятным факторам внешней среды. Так, применение тебуконазола в чистом виде и в смеси с хлорхолинхлоридом в период весенней вегетации озимого рапса кроме уменьшения высоты растений увеличивало содержание фотосинтетических пигментов в листьях и количество стручков на растении.

Обработка растений картофеля в фазу бутонизации 0,025%-ным раствором тебуконазола приводила к изменениям мезоструктуры листьев и увеличению содержания фотосинтетических пигментов. Однако ретардантное действие имидазолов (прохлораз) и триазолов (пропиконазол) отмечается не всегда.

Так, обработка вегетирующих растений златоцвета килеватого (Ismelia carinata (Schousb.) Sch. Bip.) этими веществами не приводила к проявлению ретардантного эффекта, что может быть связано как с фазой развития растений, в которую проводили обработку, так и с используемыми концентрациями веществ.

Производные триазола не только подавляют биосинтез гиббереллина, оказывая таким образом ингибирующее влияние на рост осевых органов растений, но и увеличивают содержание эндогенной АБК, при этом обработка растений арабидопсиса способствовала сохранению высокого уровня АБК и увеличивала устойчивость растений к засухе в сравнении с необработанными.

Имеются сведения, что некоторые соединения триазолов (например, паклобутразол, униконазол, тетраконазол, пропиконазол) повышают устойчивость растений к температурным стрессам (низким/высоким температурам), водному дефициту и засухе (снижают транспирацию и увеличивают водоудерживающую активность листьев), хлоридному засолению, окислительному стрессу (активируют антиоксидантные ферментативные и неферментативные системы).

При сравнении эффектов от обработок проростков пшеницы паклобутразолом, тетраконазолом и пропиконазолом было выявлено, что наибольшее повышение устойчивости растений к температурным стрессам, водному дефициту и засухе происходит при их обработке паклобутразолом.

Вероятно, производные триазола, подавляя биосинтез гиббереллина и увеличивая содержание эндогенной АБК, основного полифункционального стрессового гормона растений, способны повышать уровень устойчивости растений к различным стрессам.

Также показано, что обработка семян пшеницы паклобутразолом приводила у выращенных из них растений к более высокому содержанию фотосинтетических пигментов в листьях. Отмечено, что посевы растений яровой пшеницы, выращенные из семян, обработанных протравителями, содержащими производные триазола (диведенд, раксил, раксил ультра, премис 200), имели большую густоту продуктивного стеблестоя и более высокую озерненность, чем в контроле.

Авторами проводились исследования по влиянию тебуконазол-содержащего протравителя для семян (содержание тебуконазола 60 г/л) – системного фунгицида профилактического и лечебного действия – на рост и некоторые физиолого-биохимические параметры проростков злаков (содержание водорастворимых углеводов, жирнокислотный состав, содержание дегидринов, дыхание тканей и изолированных митохондрий) и их холодо- и морозоустойчивость.

В отличие от других препаратов, содержащих несколько действующих веществ одного или разных классов пестицидов, протравитель содержит только одно действующее вещество – тебуконазол. На этиолированных проростках яровой пшеницы, озимой пшеницы и ржи были выявлены ретардантный эффект препарата, его влияние на углеводный, белковый, жирнокислотный и дыхательный метаболизмы, а также способность повышать устойчивость к низким температурам.

Обработка семян тебуконазол-содержащим протравителем в концентрации 1,5 мкл/г приводила к повышению выживаемости холодозакаленных (при 2 °C, 7 сут.) проростков озимой пшеницы после их промораживания (от -6 до -10 °C, 24 ч) и раззакаленных (при 4 °C, 12 ч) проростков после промораживания (-6 °C, 24 ч), что было сопряжено с более высоким содержанием водорастворимых углеводов в тканях побегов и менее интенсивным их расходованием при раззакаливании.

Следует отметить, что действие протравителя при раззакаливании растений было более выражено у менее устойчивой к холоду озимой пшеницы, чем озимой ржи. Повышенное содержание сахаров наблюдали и в тканях побегов яровой пшеницы как при нормальных температурных условиях, так и при низкотемпературном воздействии. Более высокое содержание сахаров в побегах злаков, возможно, было связано как с торможением ростовых процессов проростков, так и с поддержанием интенсивности дыхания тканей побегов при раззакаливании на сходном уровне с закаленными растениями.

Действительно, анализ дыхательной активности проростков озимой пшеницы выявил, что дыхание побегов проростков озимой пшеницы из обработанных семян при закаливании и последующем раззакаливании сохранялось на уровне дыхания закаленных растений, тогда как у растений из необработанных семян при раззакаливании оно резко возрастало. Предполагается, что активация дыхания при раззакаливании растений является одной из причин снижения морозоустойчивости. В механизмах адаптации растительных клеток к низким температурам важную роль играют митохондрии.

Вероятно, при холодовом закаливании реализуется защитный механизм, направленный на поддержание скоростей дыхания митохондрий и активацию альтернативной оксидазы. Другим возможным механизмом повышения холодо- и морозоустойчивости злаков при действии тебуконазол-содержащего протравителя являются синтез дегидринов и повышение ненасыщенности жирных кислот.

Интересно, что увеличение ненасыщенности жирных кислот под действием препарата у озимых злаков усиливалось при последующем действии закаливающей к холоду температуры (2 °С, 7 сут.), в то время как у яровой пшеницы такого не наблюдалось. Как известно, повышенное содержание α-линоленовой кислоты является маркером криорезистентности растительных клеток, поэтому наблюдаемые изменения жирнокислотного состава у проростков злаков под действием препарата, вероятно, являются одной из составляющих механизма эффективного повышения их холодои морозоустойчивости. Исходя из имеющихся в литературе данных и собственных результатов авторов, предполагается следующая цепь событий, происходящих в клетках злаков при обработке тебуконазолом.

По результатам исследований ученые Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН и Иркутского государственного университета сделали следующие выводы: широко используемые в сельскохозяйственной практике пестициды с действующими веществами из класса триазолов помимо основного фунгицидного действия оказывают многостороннее влияние на растения, что выражается в физиологических и биохимических изменениях, происходящих в растениях после обработки данными препаратами.

На биохимическом уровне влияние триазолов отмечается в подавлении синтеза гиббереллинов, увеличении содержания АБК, синтезе дегидринов и увеличении содержания в клеточных мембранах полиненасыщенных жирных кислот, ингибировании дыхания митохондрий и других процессах.

К наиболее заметным физиологическим проявлениям относятся торможение роста, повышение устойчивости растения к неблагоприятным факторам среды, увеличение продуктивности. Знание об особенностях влияния триазолов на растения позволяет использовать эти препараты не только как средства защиты от грибковых заболеваний, но и как вещества, оказывающие комплексное влияние на рост и развитие растений, повышение их устойчивости и увеличение продуктивности.

Подготовлено по материалам журнала «Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология», 2019 г., том 9.