Дополнительная. Попкова К.В. Учение об иммунитете растений

Попкова К.В. Учение об иммунитете растений. – М.: Колос, 1979.

1.Иммунитет растений – это их невосприимчивость к возбудителям заболеваний или неповреждаемость вредителями. Он может быть выражен у растений по - разному – от слабой степени устойчивости до чрезвычайно высокой её выраженности. Иммунитет результат эволюции сложившихся взаимодействий растений и их потребителей. Иммунитет растений к вредителям от иммунитета к болезням отличается существенными различиями:

1) Автономный (свободный) образ жизни насекомых. Большинство насекомых ведут свободный образ жизни и вступает в контакт с растением лишь на отдельных этапах онтогенеза.

2) Многообразие морфологии и типов питания насекомых. Если гриб повреждает клетки и ткани растений, то вредитель способен в течение короткого времени повреждать или уничтожать целый орган растения.

3)Активность в выборе кормового растения. Хорошо развитые ноги и крылья позволяют насекомым выбирать и заселять сознательно кормовые растения.

В соответствии с той реакцией, которую вызывают растения у насекомых различают следующие факторы иммунитета:

1. отвергание (антиксеноз) и выбор растений насекомыми фитофагами;

2. антибиотическое воздействие растения- хозяина на фитофагов;

3. факторы выносливости (толерантности) повреждённых растений.

При выборе вредителем растений для питания первостепенную роль играют:

1. кормовая и питательная ценность культуры;

2. отсутствие или невысокий уровень механических барьеров;

3. наличие стимуляторов аппетита;

4. уровень содержания физиологически активных веществ;

5. молекулярная форма основных питательных веществ и степень их сбалансированности.

Эту информацию фитофаг получает с помощью обонятельных, осязательных и зрительных рецепторов. Для окончательного выбора места питания используются вкусовые рецепторы. Для этого насекомое делает пробные укусы растений. Итак, благодаря системе зрительных и обонятельных рецепторов, насекомые на большом расстоянии могут улавливать цвет, форму, запах и некоторые другие свойства растений. Это им помогает ориентироваться в выборе растительного сообщества. Выбор же места питания или откладки яиц осуществляется при помощи вкусовых и осязательных рецепторов.

Зрение позволяет насекомым оценить цвет и форму кормовых растений, а также контролировать направление полёта.

При изучении отношения насекомых к различным лучам спектра установлено, что капустную белянку привлекают зелёные и сине - зелёные субстраты, а на жёлтые бабочки не садятся. Многие виды тлей, наоборот скапливаются на предметах жёлтого цвета. И всё - таки, не столько окраска листьев и цветков привлекает насекомых, сколько лучи ультрафиолетовой части спектра. Возможность тонко анализировать характер излучения проявляется у насекомых в возможности различать плоскополяризованный свет. Насекомые обладают также широкими возможностями анализа характера различных электромагнитных излучений. Раздражители химической природы отличаются от зрительных большим радиусом действия. Растения выделяют в окружающую среду определённое количество различных веществ. Многие из них отличаются высокой степенью летучести, что помогает насекомому выбрать определённое растение. Выделяемый кормовым растением запах служит маркером для адаптированного к нему насекомого. Особенно важное значение имеет запах для летающих насекомых, способных на растении обследовать большие пространства. Таким образом, запах во многих случаях определяет привлекательность растений.

Итак, большой арсенал анализаторов позволяет насекомому избирать для питания оптимальные для него по возрасту и физиологическому состоянию растения, отдельные органы или ткани. Длительный поиск кормового растения требует от насекомого больших усилий. Это приводит:

1)к повышению энергетических затрат;

2)снижению плодовитости самок;

3)преждевременному изнашиванию всех систем организма насекомого;

4)может привести даже к гибели насекомого.

Антибиоз- это неблагоприятное воздействие растения на фитофага, проявляющееся при использовании его насекомым в пищу или для откладки яиц.

В отличие от рассматриваемого ранее фактора, антибиоз начинает действовать, когда фитофаг выбрал растение и приступил к питанию.

В качестве факторов антибиоза могут выступать:

1.вещества вторичного обмена, обладающие высокой физиологической активностью для насекомых.

2. Структурные особенности основных биополимеров, синтезируемых растением и степень их доступности для усвоения фитофагам.

3.Энергетическая ценность растения для вредителя.

4.Анатомо-морфологические особенности растений, затрудняющие доступ фитофагу к зонам оптимального питания.

5.Ростовые процессы растений, приводящие к самоочищению растения от вредителя или нарушающие условия нормального развития фитофага.

В общей степени защитных свойств растений факторам антибиоза отводится важное место. На сортах, обладающих антибиотическими свойствами, отмечается высокая смертность вредителя, а оставшиеся в живых особи обычно характеризуются пониженной жизнеспособностью (низкой плодовитостью, повышенной чувствительностью к экстремальным условиям, низкой выживаемостью в период зимовки).

Важно подчеркнуть, что популяция фитофагов, питавшихся на растениях устойчивых сортов с хорошо выраженными антибиотическими свойствами не в состоянии поддерживать высокую численность. Действие антибиоза на вредителей заключается в следующем:

а) гибелью имаго и личинок;

б) отставанием в росте и развитии;

в) снижением плодовитости и жизнеспособности потомства;

г) снижением устойчивости к неблагоприятным факторам среды.

Выносливость или толерантность, - это способность к сохранению жизнедеятельности и восстановлению нарушенных функций, обеспечивающих формирование урожая без заметных потерь.

На выносливых растениях сохраняются условия, благоприятные для развития вредителя. Существенное значение в повышении выносливости растений имеют факторы внешней среды и условия выращивания. Данный фактор устойчивости наиболее изменчив. Прежде чем мы приступим к изучению данного фактора, нам нужно уяснить понятие «вред» и «польза» от фитофага. Ведь не всякое повреждение приводит к снижению урожая. Во многих случаях у повреждённых растений стимулируется обмен веществ, что увеличивает их продуктивность. Эту особенность человек часто использует в целях повышения урожайности. Для этого проводят подкосы бобовых трав, удаление верхушек стеблей, пасынкование, черенкование и прочие методы отчуждения биомассы растений. Поэтому при определении значения нанесённых растениям повреждений необходим гибкий подход к оценке степени вреда.

Вредом мы будем считать лишь ту меру наносимых фитофагами повреждений растений, которая приводит к снижению количества и качества урожая.

Поэтому выносливость имеет место лишь в том случае, когда фитофаг наносит вред растению. Формы проявления выносливости растений следующие:

1) реакция сверхчувствительности в ответ на повреждение сосущими вредителями;

2) интенсификация обмена веществ;

3) структурная регенерация (увеличение количества хлоропластов);

4) появление новых органов взамен утраченных;

5) необычное разрастание отдельных тканей, органов растений;

6) преждевременное созревание семян.

Выносливость растений в онтогенезе существенно меняется. Это обусловлено различиями в обмене веществ и образованием органов.

Наиболее критическим периодом онтогенеза растения является начальный этап роста, когда корневая система слабая, фотосинтезирующие органы тоже незначительные. В этот период растения наименее выносливы к повреждениям наземных и подземных его частей. Выносливость всходов сельскохозяйственных культур к повреждению листовой поверхности существенно различается и зависит от биологии культуры. Те растения, у которых большой запас питательных веществ находится в почве (это однодольные луковичные, корнеплодные, клубнеплодные, двудольные с подземным типом семядолей), т.е. все те, у которых крупные семена и запасы питательных веществ недоступны для наземных вредителей, проявляют к ним высокую степень выносливости.

Всходы двудольных растений с наземным типом семядолей при их уничтожении лишаются ассимиляционной поверхности, резерва питательных веществ и источника ростовых веществ. Поэтому такие растения на первом этапе развития очень чувствительны к повреждению. К таким культурам, которые нуждаются в защите на ранних этапах онтогенеза, можно отнести лён, свёклу.

Степень выносливости на последующих этапах онтогенеза растений обусловлена их способностью к восстановлению нарушенного повреждением обмена веществ за счёт усиления фотосинтеза неповреждённых частей. При этом может происходить отрастание боковых побегов, нарастание новых листьев.

Выносливость растений будет определять орган, который повредили фитофаги:

При повреждении листовой поверхности происходят следующие нарушения жизнедеятельности растений:

1.уменьшение ассимиляционной поверхности;

2.нарушение транспортных связей в перемещении ассимилированных питательных веществ между органами;

3. недостаток углеводов вследствие снижения их синтеза и повышенного расходования на усиленное дыхание;

4. азотное голодание;

5. нарушение работы корневой системы.

У растений с хорошо развитым ассимиляционным аппаратом восстановительные процессы протекают быстрее. Это происходит за счёт повышения продуктивности фотосинтеза неповреждённых листьев и других зелёных органов растений. В них омолаживается структура хлоропластов, которые приобретают мелкозернистое строение, что увеличивает их поверхность и фотосинтез.

Повреждение корней ухудшает общее состояние растений. Наибольшее значение для выносливости растений имеют следующие особенности сорта:

1. скорость роста и характер формирования корневой системы;

2. скорость новообразования корней в ответ на повреждение;

3. темпы заживления ран и устойчивость растений к гниению.

2. У растений в процессе эволюции сложился целый комплекс приспособлений различной природы, обеспечивающий защиту различных органов от повреждений вредителями.

Все иммуногенетические барьеры подразделяются на:

- конституционные присутствуют в растении независимо от наличия фактора;

- индуцированные проявляются в результате взаимодействия растений с вредителями.

Рассмотрим подробнее эти барьеры. Группа конституционных барьеров:

1) анатомо- морфологический барьер представляет особенности строения органов и тканей растений. Он наиболее изучен и наиболее доступен для использования в практике. То есть, зная особенности биологии фитофага, на основании визуальной оценки сорта можем сделать заключение, как скажется его возделывание на повреждаемость данным вредителем. Например, сильно опушённые листья пшеницы будут препятствовать повреждению пьявицей, но способствовать повреждению гессенкой.

Опушённость листьев огурца препятствует повреждению паутинным клещом. Опушённость колосков пшеницы в колосе пшеницы создаёт барьер для проникновения гусениц зерновой совки. Итак, назовём основные морфологические особенности растений, обеспечивающие устойчивость к фитофагам.

1.Опушённость листьев, стеблей;

2. Наличие кремнистых отложений в эпидермисе листьев (это затрудняет питание насекомых);

3.наличие воскового налёта, не всегда повышает иммунитет растений к вредителям. Например, наличие воскового налёта привлекает капустную тлю. Это связано с тем, что данному вредителю воск необходим для построения своего тела. В данном случае отсутствие воска на листьях капусты может служить фактором устойчивости:

4. С троение мезофилла листа. Для некоторых насекомых важным фактором нормального питания является определённое соотношение губчатой паренхимы. Так, для получения питательных веществ паутинному клещу необходим тонкий слой губчатой паренхимы. Если же эта ткань превышает длину стилета клеща, он не может питаться, растение можно считать устойчивым.

Сорта капусты с компактным расположением клеток являются более устойчивыми к проникновению гусениц капустной моли, и наоборот, рыхлое расположение клеток в мезофилле, большое количество межклеточников снижает устойчивость капусты к вредителю.

5. Онатомическое строение стебля.

Например, фактором устойчивости клевера к стеблевым долгоносикам является особое расположение сосудисто-волокнистых пучков. Чтобы самка могла создать камеру для откладки яиц, расстояние между проводящими пучками должно превышать диаметр головотрубки долгоносика. На устойчивых сортах клевера сосудисто-волокнистые пучки расположены очень плотно, что создаёт кольцевой механический барьер для вредителя.

Для самок стеблевого пилильщика скорость откладки яиц, а значит и вредоносность, зависит от строения соломины. В растениях, у которых стебель в верхнем междоузлии отличается высокой механической прочностью и заполненностью паренхимой, вредитель затрачивает намного больше времени и энергии на откладку яиц.

6.Строение генеративных органов растений. Строение семенных камер яблок может представлять непреодолимый барьер для гусениц яблонной плодожорки. Вредитель проникает в плоды через чашечку, а у устойчивых сортов плоды имеют очень мелкую подчашечную трубку, у них отсутствует центральная полость, семенные камеры плотные, замкнутые. Это препятствует проникновению гусениц в плод и семенную камеру. На таких плодах гусеницы не получают оптимального питания и их физиологическое состояние подавлено.

7. Пергаментный слой. Он имеется в створках боба у гороха. Если он образуется быстро, то личинки гороховой зерновки не могут проникнуть внутрь боба.

2). Ростовый барьер. Он связан с характером роста различных органов растений и отдельных их частей. Во многих случаях рост растений выступает в качестве барьера при выборе насекомым растения в целом или отдельных его органов. Для откладки яиц (т.е. фактор антиксеноза) или же обуславливает самоочищение от вредителей, или оказывает антибиотическое влияние на вредителя. Например, быстрота проникновения личинок шведской мухи к конусу наростания злаков зависит от характера и темпов роста, а также внутреннего строения побегов, их мощности, количества листьев, окружающих конус нарастания. На устойчивом сорте количество слоев больше, по мере роста и разворачивания они вытесняют личинку, не пропускают её к конусу нарастания, и личинка гибнет.

3. Физиологический барьер - обусловлен содержанием в растении физиологически активных веществ, которые отрицательно влияют на жизнедеятельность насекомого. Чаще всего это вещества вторичного обмена растений.

4. Органогенетический барьер связан со степенью дифференциации растительных тканей. Например, устойчивость гороха к повреждению клубеньковыми долгоносиками обусловливается наличием пазушных почек, из которых при повреждении точки роста развиваются боковые побеги.

5. Атрептический барьер обусловлен специфическими особенностями молекулярного строения биополимеров растений, используемых фитофагами для питания. В процессе эволюции фитофаги приспособились к использованию определённых форм биополимеров. Для этого у насекомого имеются ферменты, способные разлагать, т.е. гидролизировать, определённые биохимические структуры. Естественно, что фитофаг должен получить наиболее легкоусвояемые биополимеры, чтобы реакции их гидролиза происходили как можно скорее. Поэтому сорта с легкоусвояемыми формами биополимеров будут сильнее повреждаться фитофагами и повышать их жизнеспособность, а сорта у которых более сложные биополимеры или такие, для размножения которых у фитофагов нет ферментов, будут сильно ослаблять вредителей, т.е. вызывать антибиоз.

В процессе сопряжённой эволюции растений с фитофагами выработалась система индуцированных барьеров, возникающих в ответ на заселение вредными организмами и повреждение ими. Иммунологические реакции растений зависят от характера и степени повреждения, от фазы онтогенеза, условий внешней среды.

Разберём подробнее, какие же индуцированные барьеры возникают у растений в ответ на повреждение вредителем.

1. Выделительный барьер. В процессе эволюции растение приспособилось синтезировать вещества, которые им не используются, а находятся в изолированном месте, например, в особых выростах эпидермиса. При повреждении растений вредителями или же вследствие их контакта с железистыми выростами происходит выделение этих веществ, что и приводит к гибели вредителей. У диких видов картофеля на листовых пластинках содержится значительное количество таких веществ. При соприкосновении с ними происходит гибель мелких насекомых (тли, листоблошки, цикадки) личинок колорадского жука 1 возраста.

Аналогично происходит гибель многих вредителей хвойных пород в результате смоловыделительной реакции растений на повреждение.

2). Некротический барьер. Аналогичен реакции сверхчувствительности при проникновении возбудителей заболевания. Для вредителей этот барьер имеет меньшее значение, поскольку характер взаимоотношений фитофага и кормового растения иной. Ведь в процессе питания вредитель не ограничивается повреждением одной клетки, а захватывает сразу значительную часть тканей, особенно листогрызущие вредители. Но даже трипсы, которые прокалывают лишь 1 клетку, завершив питание на 1, повреждает 2, 3 и т.д. И всё же для некоторых сосущих вредителей некротический барьер представляет препятствие. Например, устойчивые сорта винограда формируют раневую перидерму, что обособляет филлоксеру от здоровых тканей, тем самым лишает её питания и приводит к гибели.

3).Репарационный барьер – или восстановление утраченных органов. Репарационные процессы в зависимости от характера нанесённого вреда и возраста растений могут проявляться в различной форме в виде отрастания листовой поверхности или формирования новых органов взамен утраченным. В основе этих процессов лежит усиление обмена веществ и повышение активности фотосинтеза в уцелевших органах растений и усилении притока ассимилянтов в зоны формирования новых органов за счёт резервных меристемных тканей. Регулирующая роль в этом принадлежит фитогормонам. Например, при повреждении конуса нарастания шведской мухой к месту повреждения поступает кинетин. Это задерживает рост главного стебля, но пробуждается боковая почка. Под воздействием гиббереллина, который усиливает поступление питательных веществ, происходит рост боковых стеблей.

4).Галлогенетический и тератогенетический барьеры рассматриваем вместе, поскольку они оба возникают в тех случаях, когда вредитель при питании выделяет в растительную ткань наряду с гидролитическими ферментами некоторые физиологически активные вещества (триптофан, индомелуксусную кислоту и некоторые др). Растения отвечают своеобразной реакцией: происходит усиление разрастания повреждённых тканей, что и приводит к образованию галл и терат. Таким образом, растение изолирует вредителя, но одновременно создаёт им благоприятные условия для питания и существования.

5).Оксидативный барьер. Сущность его в следующем. В ответ на повреждение фитофагами, в растениях повышается активность окислительно- восстановительных реакций:

а) повышается интенсивность дыхания;

б) образуются АТФ;

в) инактивизируются ферменты сосущих насекомых;

г) в результате окисления образуются высокотоксичные для насекомых вещества.

д) синтезируются фитоалексины.

6. Ингибиторный барьер обусловлен тем, что в ответ на повреждение вредителем растение вырабатывает ингибиторы пищеварительных ферментов фитофагов. Этот барьер важен для защиты растений от сосущих насекомых, которые отличаются внекишечным пищеварением и выделяют большое количество ферментов в ткани повреждаемого растения.

Вопросы для самоконтроля

1. Основные факторы иммунитета?

2. Чем отличается иммунитет растений от иммунитета к вредителям?

3. От чего зависит выносливость растений?

4. На какие две группы делятся иммуногенетические барьеры?

5. Какими мероприятиями можно воздействовать на выносливость растений?

6. Назовите факторы антибиоза?

7. Какие барьеры относятся к конституционным?

8. Что включают индуцированные барьеры?

9. Назовите формы проявления выносливости?

10. Какое влияние оказывает антибиоз на вредителя?