Bakterie w ochronie roślin przed agrofagami

Progress in Plant Protection/Postępy w Ochronie Roślin 50 (3) 2010
BAKTERIE W OCHRONIE ROŚLIN PRZED AGROFAGAMI
ZNACZENIE GOSPODARCZE I BIOTECHNOLOGIA
PIOTR SOBICZEWSKI
Instytut Sadownictwa i Kwiaciarstwa im. Szczepana Pieniążka
Pomologiczna 18, 96-100 Skierniewice
Piotr.Sobiczewski@insad.pl
I. WSTP
Bakterie są jednym z najważniejszych składników zbiorowisk mikroorganizmów za-
siedlających środowisko naturalne. Większość bakterii kolonizujących ryzosferę i ryzo-
planę oraz fyloplanę, jest zaliczana do organizmów komensalnych. Wśród bakterii mu-
tualistycznych wyróżniają się mikrosymbionty roślin motylkowatych, jak również inne
bakterie stymulujące wzrost i plonowanie roślin. Działanie tych ostatnich polega na
zwiększaniu biodostępności składników pokarmowych, wytwarzaniu substancji polep-
szających wzrost roślin, czy też biologicznym ograniczaniu patogenów i innych szko-
dliwych dla roślin organizmów.
W ostatnich latach nastąpił wzrost zainteresowania alternatywnymi metodami och-
rony roślin w stosunku do metody chemicznej, przejawiający się szczególnie dążeniem
do eliminacji substancji nieprzyjaznych środowisku naturalnemu. W tym kontekście
szczególnego znaczenia nabiera metoda biologiczna. Wiele bakterii dysponuje mecha-
nizmami, które umożliwiają bezpośrednie i/lub pośrednie zwalczanie agrofagów,
a także stymulowanie wzrostu roślin. Bakterie używane w ochronie biologicznej mają
zdolność oddziaływania antagonistycznego na inne organizmy oraz indukowania sys-
temicznej odporności roślin. Antagonizm obejmuje trzy rodzaje interakcji między orga-
nizmami: antybiozę, współzawodnictwo o pokarm i miejsce oraz pasożytnictwo. Nato-
miast indukowana systemiczna odporność jest związana z takim współdziałaniem
między rośliną a bakterią, które prowadzi do stymulacji reakcji obronnych rośliny,
skutkujących ograniczeniem wzrostu i rozwoju agrofaga, a nawet jego eliminacją
(Sobiczewski 2009).
II. BAKTERIE JAKO CZYNNIKI BIOLOGICZNEJ OCHRONY ROŚLIN
PRZED CHOROBAMI
Ochrona roślin przed chorobami odglebowymi
Możliwości wykorzystania bakterii do poprawy jakości gleb są szczególnie duże
w odniesieniu do tzw. gleb zmęczonych (w sadownictwie synonim choroby replantacji).
Bakterie w ochronie roślin przed agrofagami 1065
Terminem tym określa się taki stan gleby, w którym nowo posadzone rośliny słabo
rosną, gorzej plonują, a nawet zamierają. Ma to miejsce zwłaszcza wtedy, gdy jakiś
gatunek roślin uprawia się na stanowisku po tym samym gatunku, np. jabłoń po jabłoni,
w wyniku czego następuje kumulacja różnych, szkodliwych dla roślin czynników natu-
ry biotycznej i abiotycznej (Catska 1993). Chorą glebę mogą leczyć bakterie poży-
teczne, spośród których na uwagę zasługuje Agrobacterium radiobacter, bakteria gle-
bowa o zdolnościach antagonistycznych wobec A. tumefaciens sprawcy guzowatości
korzeni drzew owocowych, a także ograniczająca inne czynniki związane z chorobą
replantacji, np. grzyby: Penicillium expansum, P. claviformae, P. griseofulvum, Alter-
naria alternata. Bakteria ta wytwarza agrocynę oraz specyficzne węglowodany (egzo-
polisacharydy), które mogą wywoływać w roślinach wytwarzanie fitoaleksyn, czyli
związków obronnych przed różnymi czynnikami stresowymi oraz indukować odpor-
ność roślin przeciwko nim. Najszersze zastosowanie w praktyce znalazł szczep K84
A. radiobacter będący składnikiem różnych preparatów do ochrony drzew owocowych
i krzewów róży przed guzowatością korzeni. Szczep ten, pierwotnie wyizolowany ze
środowiska glebowego w Australii, został rozpowszechniony na świecie. W Polsce
Pabianickie Zakłady Farmaceutyczne jeszcze do niedawna produkowały biopreparaty
Polagrocyna SL i Polagrocyna PC, których składnikiem aktywnym były bakterie tego
szczepu (Sobiczewski i wsp. 1995). Dużą zaletą A. radiobacter jest zdolność do sapro-
troficznego przeżywania w ryzosferze roślin, nawet przez kilka lat. Obecność tej bakte-
rii w sadzie jabłoniowym powodowała wzrost liczebności innych pożytecznych bakte-
rii, w tym niesymbiotycznie wiążących azot (Catska 1993).
Najważniejszymi czynnikami biologicznej ochrony roślin przed chorobami odgle-
bowymi powodowanymi przez grzyby są bakterie rodzaju Pseudomonas. Wiele z nich
wykazuje zdolność indukowania systemicznej odporności u roślin oraz wytwarza sub-
stancje antybiotyczne i enzymy lityczne (Weller 1988; 2007). Właściwości te są regu-
lowane mechanizmami autoindukcji i mogą występować w korzeniach po utworzeniu
mikrokolonii bakteryjnych. Produkcja antybiotyków (2,4 diacetylfloroglucinolu, piolu-
teoryny i fenazyn) jest regulowana przez sygnały związane z zagęszczeniem populacji,
działające na poziomach transkrypcyjnym i potranskrypcyjnym. Ta regulacja może
zarówno stymulować, jak i osłabiać różne sygnały chemiczne bakterii lub innych mi-
kroorganizmów czy wydzielin korzeniowych (Dubois i wsp. 2007).
Ważnymi związkami wydzielanymi przez Pseudomonas są siderofory wiążące jony
trójwartościowego żelaza ważnego składnika biogennego wielu mikroorganizmów.
Siderofory wytwarzane przez P. fluorescens były głównym czynnikiem ograniczającym
Fusarium culmorum oraz odpowiedzialnym za ochronę żyta przed fuzariozą i stymula-
cję wzrostu tej rośliny w różnych warunkach glebowych. Bakterie Pseudomonas od-
grywają również zasadniczą rolę w tzw. glebach opornych, skutecznie działając prze-
ciwko takim chorobom, jak: fuzaryjne więdnięcie lnu, rzodkiewki i ogórka, zgorzel
podstawy zdzbła pszenicy, czarna zgnilizna korzeni tytoniu. Polepszają także wzrost
różnych gatunków roślin poprzez zmianę składu populacji mikroorganizmów zasiedla-
jących ryzosferę, dzięki czemu ograniczane są patogeny i inne organizmy szkodliwe.
Pseudomonas przyczyniały się do zwiększenia plonu ziemniaka o 5 33%, buraka cu-
krowego o 4 8 ton na hektar, a rzodkiewki nawet o 144%. Szczep Pf5, wytwarzający
pyrrolnitrynę i pioluteorynę, okazał się antagonistą takich glebowych patogenów roślin,
jak: Rhizoctonia solani, Thielaviopsis basicola, Verticillium dahliae, Alternaria
spp. oraz Pythium ultimum i Pectobacterium carotovorum. Zastosowanie szczepu
1066 Progress in Plant Protection/Postępy w Ochronie Roślin 50 (3) 2010
2-79 P. fluorescens przeciwko zgorzeli podstawy zdzbła pszenicy powodowało wzrost
plonu o 11 17% (Weller 1988).
W rodzaju Bacillus największe znaczenie ma B. subtilis. Różne szczepy tego gatun-
ku (np. EBW4, BACT-1) eliminowały chorobę replantacji, zwiększały system korze-
niowy i plonowanie jabłoni. Szczep A13 (wyizolowany z grzybni Sclerotium rolfsii)
stymulował wzrost wielu gatunków roślin, na przykład zastosowany na nasiona zwięk-
szał plon marchwi o 48%, a owsa o 33%. Wysoka była także efektywność szczepu S13
B. polymyxa, który hamował wzrost grzybów patogenicznych dla roślin ozdobnych
i ograniczał występowanie niektórych chorób, np. czerwonej plamistości na Hippe-
astrum i fytoftorozy na gerberze (Saniewska i wsp. 1993). Z kolei szczep B8 Entero-
bacter aerogenes (wyizolowany w Kanadzie) ograniczał porażenie siewek jabłoni przez
Phythophtora cactorum (sprawcę zgnilizny pierścieniowej podstawy pnia) w warun-
kach szklarniowych, a w sadzie polepszał zdrowotność już porażonych drzew. Najlep-
szym rozwiązaniem w eliminacji chorób odglebowych, byłoby wykorzystanie bakterii
pożytecznych naturalnie zasiedlających zmęczoną glebę, poprzez taką modyfikację
środowiska, aby stymulowało ono ich rozmnażanie i aktywność (Mazzola 2004).
Ochrona nadziemnej części roślin przed chorobami infekcyjnymi
W ostatnich latach nastąpił ogromny postęp w zakresie opracowania biopreparatów
bakteryjnych przeciwko zarazie ogniowej (Erwinia amylovora), jednej z najgrozniej-
szych chorób jabłoni i gruszy, występującej na wszystkich organach nadziemnej części
roślin. Największą przydatność mają tu szczepy bakterii rodzajów Pseudomonas i Ba-
cillus oraz Pantoea agglomerans (dawniej Erwinia herbicola) (Sobiczewski i wsp.
2007). Wiele wskazuje na to, że bakterie rodzaju Bacillus, a zwłaszcza B. subtilis mogą
mieć przewagę nad bakteriami z grupy gramujemnych, ze względu na zdolność tworze-
nia przetrwalników, dzięki czemu są one bardziej odporne na niekorzystne warunki
środowiska. Do produkcji biopreparatów wykorzystano trzy szczepy B. subtilis
(BD 170, QST 713, BSF 4). Mechanizm ich działania opiera się na wytwarzaniu meta-
bolitów lipopetydowych o działaniu antybiotycznym. Szczepu BD 170 użyto w Biopro�
(bardzo obiecujący w walce z zarazą ogniową), natomiast szczep 508 Pseudomonas
syringae hamował wzrost i rozwój Venturia inaequalis, ograniczając porażenie jabłoni
do poziomu porównywalnego z fungicydem zawierającym kaptan, rutynowo stosowa-
nym do zwalczania parcha jabłoni.
Wartościowe wydają się również bakterie zdolne do rozkładu chityny, antagoni-
styczne wobec grzyba Sphaerotheca pannosa (mączniak róży) i bardzo dobrze koloni-
zujące liście róży. Niektóre bakterie występujące na części nadziemnej roślin mogą
pasożytować na patogenach. Na przykład zarodniki Rhynchosporium secalis wytworzo-
ne na porażonych liściach jęczmienia były rozkładane przez bakterie epifityczne, głów-
nie fluoryzujące Pseudomonas zasiedlające powierzchnię liści. Z kolei sztuczna koloni-
zacja liści soi bakteriami Bdellovibrio bacteriovorus chroniła je przed porażeniem przez
P. syringae pv. glycinea sprawcą bakteryjnej plamistości soi.
Bakterie pożyteczne znalazły duże zastosowanie w ochronie owoców przed choro-
bami przechowalniczymi, zwłaszcza szarą pleśnią (Botrytis cinerea) i mokrą zgnilizną
(Penicillium expansum) (Sobiczewski i Bryk 1999; Janisiewicz i Korsten 2002; Bryk
i wsp. 2004). Najpierw użyto pyrrolnitrynę, metabolit wytwarzany przez Burkholderia
cepacia (dawniej Pseudomonas cepacia), który zadowalająco chronił jabłka i gruszki
Bakterie w ochronie roślin przed agrofagami 1067
przed tymi chorobami, a dodatkowo gruszki przed zgnilizną powodowaną przez Mu-
cor piriformis. Pseudomonas gladioli, całkowicie chroniła gruszki przed szarą pleśnią,
a Bacillus subtilis owoce niektórych gatunków drzew pestkowych przed brunatną
zgnilizną (Monilinia fructicola). Do bakterii efektywnie chroniących owoce przed cho-
robami przechowalniczymi należy także Enterobacter cloace, nie wytwarzająca sub-
stancji antybiotycznych, a wykazująca zdolność ograniczania zgnilizny powodowanej
przez Rhizopus stolonifer na owocach brzoskwini. Bakterie antagonistyczne mają dużą
szansę szerszego zastosowania w produkcji komercyjnej. O powodzeniu tej metody
decydują głównie dwa czynniki: pełna kontrola warunków przechowywania owoców
oraz wprowadzanie bakterii dokładnie na chronione miejsce. W USA zarejestrowano
już biopreparaty BioSave 10 i BioSave 11 do ochrony jabłek, gruszek i owoców cytru-
sowych, oparte na szczepach ESC10 i ESC11 bakterii Pseudomonas syringae (Janisie-
wicz i Korsten 2002).
III. BAKTERIE JAKO CZYNNIKI BIOLOGICZNEJ OCHRONY ROŚLIN
PRZED SZKODNIKAMI
Biologiczną aktywność przeciwko owadom stwierdzono dotychczas u ponad 90 ga-
tunków bakterii pochodzących głównie z rodzin Bacillaceae, Pseudomonadaceae, Ente-
robacteriaceae, Streptococcaceae i Micrococcaceae. Pierwszy insektycyd mikrobiolo-
giczny zawierający Bacillus thuringiensis wprowadzono na rynek we Francji w 1938 roku,
a 10 lat pózniej na bazie Paenibacillus (= Bacillus) popilliae zarejestrowano w USA
biopreparat przeciwko popili japońskiej (Popillia japonica).
Bacillus thuringiensis występuje w przyrodzie, m.in. w glebie, w żywych i mar-
twych owadach, na roślinach. Stwierdzono, że bakteria ta może stanowić od 0,005 do
0,5% liczebności populacji rodzaju Bacillus występujących w glebach USA. Znanych
jest co najmniej 60 podgatunków B. thuringiensis (nazywanych także serotypami lub
odmianami), a światowa kolekcja liczy około 3 500 szczepów pochodzących z 22 kra-
jów (Nester i wsp. 2002; Lonc i Andrzejak 2005). W warunkach nie sprzyjających roz-
wojowi bakteria ta tworzy przetrwalniki, które są formą spoczynku podczas oczekiwa-
nia na lepsze warunki bytowania i wzrostu. W przeciwieństwie do innych bakterii,
w trakcie tworzenia przetrwalników, B. thuringensis wytwarza także owadobójcze biał-
kowe parasporalne kryształy. Ich biosyntezę kodują wysoce zróżnicowane geny cry
(crystals) i cyt (cytolitic) zlokalizowane głównie w plazmidach. Po spożyciu przez owa-
da kryształy rozpuszczają się i następuje ich modyfikacja do delta-endotoksyn. Toksyna
powoduje powstawanie porów w błonie nabłonka jelita środkowego i dezorganizację
równowagi jonowej w komórkach, czego efektem jest paraliż, a następnie zamieranie
owada. Jedną z najbardziej pożądanych cech B. thuringensis jest selektywność działania
tylko niektóre owady są wrażliwe na delta-endotoksynę. Obecnie dostępne produkty
handlowe zawierają jedną lub więcej odmian tej bakterii i charakteryzują się zróżnico-
wanym spektrum aktywności wobec owadów docelowych. Dla B. thuringiensis var.
kurstaki i B. thuringiensis var. morrisoni organizmami takimi są gąsienice motyli, dla
B. thuringiensis var. israelensis larwy komarów i meszek, B. thuringiensis var. aizawai
gąsienice barciaka większego, a dla B. thuringiensis var. tenebrioni (zwana także var.
san diego) larwy chrząszczy. Znane są takie szczepy bakterii zwalczające nicienie,
mszyce, płazińce i pierwotniaki. Biopreparaty oparte na B. thuringiensis są używane do
1068 Progress in Plant Protection/Postępy w Ochronie Roślin 50 (3) 2010
zwalczania owadów w sadownictwie, warzywnictwie i leśnictwie. Spośród preparatów
handlowych znane są: Able, Bactospeine, Costar, Dipel, Foray, Futura, Thuricide (na
bazie odmiany kurstaki), Vectobac, Mosquito Attack (zawierają odmianę israelensis)
i Novodor, Trident (odmiana tenebrionis), Xentari, Florbac (odmiana aizawai). Wymie-
nione preparaty są w zasadzie bezpieczne dla środowiska i mogą być stosowane przy
użyciu standardowych opryskiwaczy nawet na kilka dni przed zbiorami. Z powodze-
niem mogą być użyte tam, gdzie jest to możliwe, jako element zrównoważonego syste-
mu produkcji. W ostatnich latach, z powodu coraz powszechniej stosowanej metody
integrowanej, a także rozwoju tzw. produkcji ekologicznej, znacznie wzrosło zaintere-
sowanie biopreparatami do zwalczania owadów szkodliwych. Szacuje się, że stanowią
one około 2% wartości światowego rynku insektycydów. Ich roczna wartość handlowa
w USA wynosi około 40 milionów dolarów, z czego połowę stanowią preparaty używa-
ne w lasach kanadyjskich do zwalczania motyli brudnicy nieparki, zwójki na świerku
oraz innych szkodliwych motyli (Nester i wsp. 2002).
Dla Paenibacillus popilliae organizmami docelowymi są chrząszcze z rodziny Sca-
rabaeidae, u których wywołuje chorobę milky disease . Bakteria jest patogenem obli-
gatoryjnym towarzyszącym larwom z podrodzin Melolonthinae, Rutleinae i Dynastinae
(Boucias i Pendland 1998). W sprzedaży są dwie formy użytkowe o nazwach Doom
i Japademic. Produkty te są wytwarzane przez macerację porażonych pędraków umiesz-
czonych w talku, jako podłożu nośnikowym. Zawierają one 108 przetrwalników/gram
proszku. Obecnie na bazie P. popilliae w USA produkuje się także preparat Milky Spore.
Serratia entomophilia jest sprawcą tzw. choroby bursztynowej chrząszcza Costely-
tra zealandica (szkodnika m.in. drzew leśnych). Bakteria kolonizuje powierzchnię całe-
go przewodu pokarmowego, ale jej komórki wegetatywne są szczególnie liczne wokół
zastawki sercowej. W ciągu kilku dni zakażone owady przestają żerować. Porażone
pędraki przechodzą okres zagłodzenia, trwający od 1 do 3 miesięcy, w którym owady
przybierają charakterystyczny bursztynowy wygląd. W Nowej Zelandii zarejestrowano
formę użytkową preparatu o nazwie Invade� zawierającego S. enthomophila. Bakteria ta
nie wytwarza przetrwalników i produkt ten musi być przechowywany w lodówce. Jego
trwałość wynosi około 3 miesiące.
Na świecie zarejestrowanych jest 67 produktów zawierających B. thuringiensis
w postaci ponad 450 form użytkowych. Obecnie Amerykańska Agencja Ochrony Śro-
dowiska (USEPA) ma zarejestrowanych 361 form handlowych zawierających prze-
trwalniki i toksyny lub same toksyny B. thuringiensis i tylko jedną na bazie P. popilliae
(Garczynski i Siegel 2007).
IV. BAKTERIE W BIOLOGICZNEJ OCHRONIE ROŚLIN
PRZED CHWASTAMI
W ostatnich 10 latach coraz więcej uwagi zwraca się na bakterie, które są szkodliwe
dla chwastów. Mogą one stanowić alternatywę lub uzupełnienie dla obecnie dominują-
cej metody chemicznej stosowanej do regulacji zbędnego zachwaszczenia. Największe
zainteresowanie wzbudzają tzw. glebowe bakterie szkodliwe (ang. deleterious rhiozbac-
teria = DRB) charakteryzujące się zdolnością selektywnego ograniczania chwastów bez
uszkadzania roślin uprawnych. Nie są one patogenami, a ich działanie polega na koloni-
zowaniu korzeni i/lub rizosfery, wskutek czego następuje ograniczanie wzrostu roślin.
Bakterie w ochronie roślin przed agrofagami 1069
Bakterie takie występują powszechnie w przyrodzie i są reprezentowane przez następu-
jące rodzaje taksonomiczne: Agrobacterium, Alcaligenes, Bacillus, Desulfovibrio, Ente-
robacter, Erwinia, Flavobacterium, Pseudomonas, Ralstonia i Xanthomonas (De Luna
i wsp. 2005). Dotychczas udowodniono, że rizobakterie szkodliwe ograniczają około
20 gatunków chwastów i około 30 gatunków roślin uprawnych. Ich zdolności do kolo-
nizacji i ograniczania wzrostu roślin są często związane z konkretnym gatunkiem lub
odmianą, co ma ogromne znaczenie zarówno z ekologicznego, jak i agrotechnicznego
punktu widzenia. Bakterie te są najczęściej organizmami saprotroficznymi, ale mogą
także żyć w tkankach korzeni i/lub na korzeniach, odżywiając się wydzielanymi przez
nie substancjami. Wydzielają związki chemiczne o działaniu allelopatycznym hamujące
wzrost chwastów. Działanie to jest związane z zakłócaniem różnych fizjologicznych
procesów roślin. Często bakterie szkodliwe i bakterie stymulujące wzrost roślin wytwa-
rzają substancje podobne, które mogą oddziaływać odmiennie na różne rośliny i/lub
mikroorganizmy. Efekt ich działania zależy od ilości wytwarzanej substancji oraz wraż-
liwości danego gatunku rośliny na tę substancję.
Głównym celem prac nad bakteriami, które można by wykorzystać do eliminacji
zbędnej roślinności, jest ich selekcja z punktu widzenia specyficzności oraz efektywno-
ści oddziaływania na konkretne gatunki. Przed opracowaniem biopreparatu wyselekcjo-
nowane izolaty bakterii muszą być wszechstronnie przebadane, zarówno w zakresie
wpływu na dany gatunek chwastu, jak i roślinę uprawną. I tak na przykład szczep D7
P. fluorescens (Pf D7), zwalczający stokłosę dachową, testowano pod kątem wpływu na
42 gatunki jedno- i dwuliściennych chwastów oraz roślin uprawnych, wykazując jego
specyfikę w odniesieniu do hamowania wzrostu korzeni stokłosy.
Bardzo ważna jest także efektywność działania danego szczepu czy izolatu bakterii,
w aspekcie możliwości jego integracji z konwencjonalnym systemem eliminacji chwa-
stów. Z komercyjnego punktu widzenia bardziej przydatny byłby izolat działający na
więcej gatunków chwastów, ale z drugiej strony może to stanowić zagrożenie dla roślin
uprawnych. Bakterie są głównie stosowane doglebowo, ale mogą być także użyte bez-
pośrednio na nadziemną część chwastów (Kremer 2006). Zawiesiny bakterii szkodli-
wych i ich płyny pohodowlane (supernatanty), naniesione w formie oprysku na rośliny
gwiazdnicy pospolitej, komosy białej czy tobołków polnych, zarówno w warunkach
szklarniowych, jak i w polu, istotnie ograniczały biomasę tych roślin i ich przeżywal-
ność. W badaniach nad wykorzystaniem szczepu A153 Serratia plymuthica jako orga-
nizmu modelowego, stwierdzono, że opryskiwanie różnych roślin liściastych jego za-
wiesiną wodną, negatywnie wpływało na wzrost roślin przez co najmniej miesiąc.
W przypadku preparatów zawierających patogeniczną bakterię P. syringae, dodatek
organosilikonowych surfaktantów Silwet L-77 lub Silwet 408 ułatwiał nawiązanie pa-
sożytniczego stosunku tej bakterii z chwastami przez szparki lub inne naturalne otwory
(Weissmann i wsp. 2003). Aplikacja bakterii szkodliwych może polegać na sztucznej
kolonizacji tymi bakteriami nasion i korzeni roślin uprawnych przed wysiewem czy
sadzeniem. Wówczas korzenie rośliny uprawnej dostarczają nie tylko bakterii do sąsia-
dujących korzeni chwastów, ale także mogą być zródłem tych bakterii przeciwko chwa-
stom kiełkującym pózniej. Szczep BRD100 P. fluorescens stanowiący składnik produk-
tu Pesta ograniczał kiełkowanie wyczyńca o 90%. Bakterie najlepiej przeżywały
w mące owsianej, a dodatek maltozy wydłużał ich żywotność w produkcie handlowym
do 32 tygodni.
1070 Progress in Plant Protection/Postępy w Ochronie Roślin 50 (3) 2010
V. PODSUMOWANIE
Wartość światowego rynku pestycydów jest szacowana obecnie na ponad 30 miliar-
dów dolarów amerykańskich z czego poniżej 1% przypada na biopreparaty (Ruseel
2006). Wśród biopreparatów 90% to środki oparte na jednym gatunku bakterii, a mia-
nowicie B. thuringiensis. W Europie, w roku 2000, sprzedaż biologicznych środków
ochrony roślin osiągnęła wartość około 100 milionów dolarów, w tym 25% to wartość
preparatów mikrobiologicznych. Większość biopreparatów jest używana przez produ-
centów warzyw, owoców i roślin ozdobnych. Spodziewany jest wzrost zainteresowania
ich wykorzystaniem w produkcji roślin rolniczych. Obecnie 35 przedsiębiorstw w Eu-
ropie zajmuje się produkcją i sprzedażą pestycydów mikrobiologicznych. Wiele z nich
to zakłady bardzo małe, pracujące na potrzeby rynku lokalnego.
Największe perspektywy zastosowania bakterii w ochronie roślin przed chorobami
i szkodnikami na skalę produkcyjną upatruje się zwłaszcza w uprawach pod osłonami
i w kontenerach, a także w przechowalniach, a więc wszędzie tam, gdzie możliwe jest
kontrolowanie parametrów warunków środowiska. Wynika to z faktu, że większość
pożytecznych i perspektywicznych bakterii należy do grupy bakterii gramujemnych, nie
tworzących form przetrwalnych, a przez to wrażliwych na zmieniające się warunki
otoczenia. Dlatego wyzwaniem dla biotechnologów jest konstrukcja szczepów bakterii,
nie wykazujących tych ułomności w biopreparacie.
Opracowanie technologii produkcji takich biopreparatów obejmuje kilka etapów, od
selekcji efektywnego szczepu przeprowadzonej w warunkach laboratoryjnych i produk-
cyjnych, do masowej hodowli i opracowania formy użytkowej produktu handlowego.
W zależności od rodzaju bakterii i jej przeznaczenia, biotechnologia preparatu obejmuje
zawsze etap hodowli masowej, najczęściej w pożywkach płynnych, a następnie zagęsz-
czanie płynu pohodowlanego poprzez filtracje lub odwirowanie. Bardzo ważne jest
określenie warunków zapewniających zadowalającą żywotność i aktywność bakterii po
hodowli i w opracowanym biopreparacie. Konieczna jest stabilizacja metabolizmu bak-
terii, którą można osiągnąć przez przechowywanie w niskiej temperaturze, zamrażanie
z użyciem krioprotektantów lub liofilizację (Boyetchko i wsp. 1998). Nie ma uniwer-
salnej procedury produkcji dla wszystkich biopreparatów bakteryjnych, ale z praktycz-
nego punktu widzenia liofilizacja jest najlepsza, ponieważ zapewnia optymalne warunki
przechowywania, transportu i dystrybucji. Mankamentem liofilizacji są jednak koszty.
Dlatego jako alternatywę proponuje się otoczkowanie bakterii, polegające na ich mie-
szaniu z materiałem tworzącym matrycę, którą może być żelujący polisacharyd lub
materiał tłuszczowy, powodujący emulsję. Emulsja jest następnie rozcieńczana i ter-
micznie suszona. Jednak w procesie suszenia następuje gwałtowny spadek żywotności
bakterii, zwłaszcza gramujemnych. Wśród dodatków do biopreparatów, zwiększających
kondycję bakterii należy wymienić substancje zwilżające i rozdzielające, a także zabez-
pieczające je przez światłem UV i wahaniami ciśnienia osmotycznego. Niektóre z za-
stosowanych substancji pomagają bakteriom przetrwać trudny okres adaptacji po
wprowadzeniu na rośliny, gdzie mogą wystąpić różne czynniki stresowe: brak wilgoci,
niedostatek składników pokarmowych, czy zabójcze promieniowanie słoneczne (Mon-
tesinos 2003).
Znajomość mechanizmów działania bakteryjnych czynników ochrony biologicznej
jest bardzo pomocna w dopracowaniu technologii produkcji biopreparatu i systemu jego
Bakterie w ochronie roślin przed agrofagami 1071
aplikacji, którym najczęściej jest opryskiwanie. Generalną zasadą jest, aby sposób
wprowadzenia czynnika biologicznego sprzyjał utrzymaniu jego zadowalającej żywot-
ności i aktywności. Potrzebny jest także monitoring jakości biopreparatów oraz zacho-
wania się bakterii na chronionej powierzchni rośliny i jej środowisku.
Przed komercyjnym zastosowaniem biopreparatu uzasadnione jest prawne zabezpie-
czenie jego biotechnologii w formie patentu lub wzoru użytkowego. Patentowanie bio-
preparatów mikrobiologicznych jest regulowane Traktatem Budapesztańskim podpisa-
nym przez wszystkie kraje należące do Światowej Organizacji Własności Intelektualnej
(WIPO), która określa wymogi dla czystej kultury szczepu danego mikroorganizmu,
w tym konieczność zdeponowania w międzynarodowo uznanej kolekcji kultur mikroor-
ganizmów. Jednak wyprodukowanie preparatu i jego opatentowanie nie daje autoryzacji
do stosowania w praktyce, konieczne jest spełnienie procedury rejestracyjnej. W Unii
Europejskiej rejestrację preparatów prowadzi Dyrektoriat Ochrony Zdrowia Konsumen-
ta. Zasady i podstawy prawne rejestracji są sformułowane w Dyrektywie 91/414/EWG,
którą w odniesieniu do biopreparatów uzupełnia Dyrektywa 2001/36/WE. Do 2003 roku
do rejestracji zostało przedstawionych tylko 9 biopreparatów. W latach 1986 2000
liczba patentów preparatów mikrobiologicznych na świecie wzrastała średnio o 5 w każ-
dym roku, przy czym w latach 1998 2000 opatentowano 80 preparatów (Montesinos
2003). Większość patentów na biopreparaty jest zdeponowana w Stanach Zjednoczo-
nych (141), następnie w Wielkiej Brytanii (18) i Australii (14). Ostatnio obserwuje się
tendencję spadkową w tym zakresie. Zdecydowana większość biopreparatów jest oparta
na bakteriach. Najwięcej zgłoszeń pochodzi z jednostek naukowych i administracji
publicznej. Ostatnio odnotowano wzrost liczby prywatnych, drobnych zakładów zainte-
resowanych rejestracją nowych biopreparatów, zwłaszcza w USA.
Pomimo, że na świecie pozyskano z różnych środowisk dużą liczbę obiecujących
izolatów i szczepów bakterii oraz uzyskano stosunkowo dużo patentów na biopreparaty,
to ich szersze wprowadzenie do praktyki jest dalekie od zadowalającego. W Europie
ważnym czynnikiem ograniczającym jest spełnienie wymogów procedury rejestracyj-
nej. Najważniejsze problemy z tym związane, to: ocena możliwości rozprzestrzeniania
się pożytecznych bakterii poza miejsce ich aplikacji, alergenności, toksyczności (meta-
bolity wtórne mogą być toksyczne nie tylko dla roślin, ale także dla zwierząt i ludzi)
i patogeniczności (dla roślin i zwierząt) samego czynnika biologicznej ochrony lub
dodatków czy zanieczyszczeń. Wszystkie te niezamierzone efekty nie powinny być
jednak traktowane w sposób bezwzględny i jednoznaczny; trzeba je widzieć w kontek-
ście potencjalnych zagrożeń pochodzących od metody chemicznej, a także zagrożeń
związanych z niestosowaniem ochrony roślin w ogóle. Nie należy też lekceważyć za-
niepokojenia konsumenta, któremu często towarzyszy ograniczona informacja o bezpie-
czeństwie i zagrożeniach ze strony żywych mikroorganizmów.
VI. LITERATURA
Boucias D., Pendland J.C. 1998. Bacillus thuringiensis. p. 178 216, 217 257. In: Principles of
Insect Pathology (D. Boucias, J.C. Pendland, eds.). Kluwer Academic Publishers, Boston,
MA.
1072 Progress in Plant Protection/Postępy w Ochronie Roślin 50 (3) 2010
Boyetchko S., Pedersen E., Punja Z., Reddy M. 1998. Formulations of biopesticides. p. 487 508.
In: Biopesticides: Use and Delivery (Methods in Biotechnology, 5) (F.R. Hall, J.W. Barry,
eds.). Humana Press, Totowa N.J.
Bryk H., Dyki B., Sobiczewski P. 2004. Inhibitory effect of Pseudomonas spp. on the develop-
ment of Botrytis cinerea and Penicillium expansum. Plant Protection Sci. 40 (4): 128 134.
Catska V. 1993. Fruit tree replant problem and microbial antagonism in soil. Acta Hort. 324:
23 33.
Dubois C., Keel C., Hass D. 2007. Dialogues of root-colonizing biocontrol pseudomonads. Eur.
J. Plant Pathol. 119: 311 328.
De Luna L., Stubbs T.L., Kennedy A.C., Kremer R.J. 2005. Deleterious bacteria in the
rhizosphere. p. 233 261. In: Roots and Soil Management: Interactions between Roots and
the Soil (R.W. Zobel, S.F. Wright, eds.). Agronomy Monograph No. 48. ASA. Madison, WI.
Garczynski S.F., Siegel J.P. 2007. Bacteria. p. 175 197. W: Field Manual of Technigues in
Invertebrate Pathology (L.A. Lacey, H.K. Kaya, eds.). Springer Dortrecht, The Netherlands.
Janisiewicz W.J., Korsten L. 2002. Biological control of postharvest disease of fruits. Annu. Rev.
Phytopathol. 40: 411 441.
Kremer R.J. 2006. Applications of soil and rhizosphere microorganisms in sustaiable weed man-
agement. p. 533 547. In: Hanbook of Sustainable Weed Management (H.P. Singh, D.R.
Batish, R.K. Kohli, eds.). The Haworth Press, Binghamton, NY.
Lonc E., Andrzejak S. 2005. Bioróżnorodność toksyn Bacillus thuringiensis i ich zastosowanie.
Postępy Mikrobiologii 44 (3): 253 263.
Mazzola M. 2004. Assessment and management of soil microbial community structure for disease
suppression. Annu. Rev. Phytopathol. 42: 35 59.
Montesinos E. 2003. Development, registration and commercialization of microbial pesticides for
plant protection. International Microbiology 6: 245 252.
Nester E., Thomashow L., Metz M., Gordon M. 2002. 100 Years of Bacillus thuringiensis,
a Paradigm for Producing Transgenic Organisms: A critical assessment. wwwasmusa.org.
Russell P.E. 2006. The development of commercial disease control. Plant Pathol. 55 (5):
585 594.
Saniewska A., Sobiczewski P., Orlikowski L.B. 1993. Antagonism of Bacillus sp. S13 against
Stagonospora curtissi and other fungi pathogens of ornamental plants. Phytopath. Pol.
6 (17): 31 38.
Sobiczewski P., Berczyński S., Ciechanowska M., Karczewski J., Aubisz K., Majdziak K., Szcze-
paniak J., Filip A., Sedlaczek L. 1995. Sposób wytwarzania biopreparatu do ochrony korzeni
podkładek drzew owocowych i róży przed guzowatością korzeni. PAT. 167547.
Sobiczewski P., Bryk H. 1999. Możliwości i ograniczenia biologicznej ochrony jabłek bakteriami
Pantoea agglomerans i Pseudomonas sp. przed szarą pleśnią i mokrą zgnilizną. Prog. Plant
Protection/Post. Ochr. Roślin 39 (1): 139 147.
Sobiczewski P., Mikiciński A., Berczyński S. 2007. Biologiczna ochrona jabłoni i grusz przed
zarazą ogniową Erwinia amylovora szanse i ograniczenia. Prog. Plant Protection/Post.
Ochr. Roślin 47 (2): 330 337.
Sobiczewski P. 2009. Bakterie wykorzystywane w produkcji roślinnej. s. 172 213.
W: Biotechnologia Roślin . Podręcznik akademicki pod redakcją S. Malepszego. PWN,
Warszawa.
Weissmann R., Uggla C., Gerhardson B. 2003. Field performance of weed-suppressing Serratia
plymuthica strain applied with conventional spraying equipment. Biocontrol 48: 725 742.
Weller D.M. 1988. Biological control of soilborne plant pathogens. Annu. Rev. Phytopathol. 26:
379 407.
Weller D.M. 2007. Pseudomonas biocontrol agents of soilborne pathogens: looking back over
30 years. Phytopathology 97: 250 256.
Bakterie w ochronie roślin przed agrofagami 1073
PIOTR SOBICZEWSKI
BACTERIA IN PLANT PROTECTION AGAINST AGROPHAGES
ECONOMIC IMPORTANCE AND BIOTECHNOLOGY
SUMMARY
Bacteria are one of the most important components of plant environment. Most of bacteria
colonizing rhizosphere, rhizoplane and phylloplane are the commensals. Among mutualistic
bacteria the microsymbionts of leguminous plant and other bacteria promoting plant growth and
development are distinguished. Their activity leads to an increase in bioavailability of nutrients,
production of substances improving plant growth (e.g. phytohormones) and/or control of patho-
gens and other deleterious organisms. Strains representing various genera are utilized as active
compounds in biopreparations against diseases, pests and weeds. Their commercial application is
very perspective especially in greenhouses and storages. The development of technology produc-
tion of biopreparations consists of several stages including selection of effective strain performed
in laboratory and field conditions, mass cultivation and formulation of final product.
Key words: bacteria, biological control, diseases, pests, weeds, biopreparations

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
ochrona roślin przed przymrozkami
Ochrona dłoni przed ostrzami
Tabela ochrony roślin www agrolim pl
Eksploatacja maszyn i urządzeń do nawożenia i ochrony roślin
Stopien ip ochrona urzadzen przed szkodliwymi wplywami srodowska
instrukcja bhp dla punktow sprzedazy srodkow ochrony roslin
Zatrzymano pięciu pracowników amerykańskiej firmy ochroniarskiej (Amerykanie przed irackim sądem, 07
Eksploatowanie narzędzi, maszyn i urządzeń do nawożenia i ochrony roślin
instrukcja bhp przy obsludze opryskiwacza chemicznych srodkow ochrony roslin
Przemysłowe hełmy ochronne a zabezpieczenie przed uderzeniem bocznym
Agrotechniczne metody ochrony roślin
Biologiczne metody ochrony roslin

więcej podobnych podstron