Українські вчені по захисту рослин і біоінженери створюють багатокомпонентні засоби проти бактерій- знищувачів рослин

Рис. Схема дії інноваційних мультикомпонентних препаратів від бактеріозів: блокування взаємодії між бактерією та рослиною.

Коли рубіконом стала не просто боротьба з бактеріями, а справжня битва за майбутнє агроінновацій — команда українських дослідників (С. Хаблак, Л. Бондарева, M. Доля, В. Шпичак, Т. Лихолат, Т. Скляр, Ю. Лихолат) вирушила на штурм: розробити препарати нового покоління проти бактеріозів, які поєднують дві стихії — інгібування механізмів патогенності бактерій та стимуляцію імунної системи рослини.

Проблема з глобальним масштабом. Бактеріози — це не лише локальна біда: вони щорічно завдають агросектору втрат на сотні мільярдів доларів. За оцінками FAO, щороку втрачається до 40 % світового врожаю через хвороби рослин; економічні втрати становлять понад 220 млрд USD. Серед них — грампозитивні бактерії, які зазвичай викликають локальні некрози, та більш небезпечні грамнегативні патогени, які уражують судини рослини і призводять до системних хвороб і навіть загибелі культури.

Бактеріальні патогени рослин є одним із ключових факторів зниження врожайності та якості сільськогосподарської продукції у світі. Вони викликають локальні та системні бактеріози, що уражають як овочеві, так і плодово-ягідні культури та польові дводольні рослини (соя, ріпак, соняшник).

Грампозитивні бактерії, як правило, спричиняють локальні бактеріози, які проявляються у вигляді обмежених некрозів або плямистостей, тоді як грамнегативні бактерії здатні викликати системні судинні бактеріози, що призводять до загибелі рослин. Саме системні форми захворювань становлять найбільшу загрозу для врожаю, адже пошкодження судинної системи порушує водний та поживний баланс рослини.

Грамнегативні бактерії, такі як Xanthomonas spp., Pseudomonas syringae, Erwinia amylovora, мають низку структурних та функціональних особливостей, що забезпечують їхню високу вірулентність. Серед них – зовнішня мембрана, збагачена ліпополісахаридами, що створює додатковий бар’єр для проникнення антимікробних речовин; наявність спеціалізованих білкових комплексів, таких як система секреції III типу (T3SS), яка транспортує ефекторні білки безпосередньо в клітини рослини для придушення імунних реакцій; здатність до утворення біоплівок, що підвищує стійкість до стресових факторів і хімічних засобів захисту.

Сучасні методи боротьби з бактеріальними захворюваннями мають суттєві обмеження. Мідьвмісні препарати, що традиційно застосовуються проти локальних бактеріозів, діють за механізмом інактивації ферментних систем бактерій через утворення комплексів іонів міді з білками та нуклеїновими кислотами. Проте їх ефективність проти системних грамнегативних патогенів низька через погану проникність у бактеріальні клітини, а накопичення міді у ґрунті призводить до забруднення довкілля. Антибіотики в овочівництві та плодівництві, попри певну ефективність, не можуть широко застосовуватися через ризик накопичення у плодах і овочах, що сприяє виникненню резистентності до клінічно важливих антибіотиків у людей.

Відомо, що актиноміцети (тип Actinobacteria) є продуцентами понад 80% людських антибіотиків, які використовуються в медицині, зокрема неоміцину, стрептоміцину, канаміцину, ванкоміцину, еритроміцину. Проте «золота ера» відкриття нових антибіотиків (1940–1962 рр.) змінилася періодом зростання резистентності патогенів, а створення нових сполук займає десятиліття. Сьогодні на ринку з’явилися рослинні антибіотики (продукт ферментації Streptomyces kasugaensis), які ефективні проти грампозитивних бактерій, але не діють на грамнегативні системні патогени. Їх застосування на томатах, овочах і плодах призводить до потрапляння антибіотика в харчовий ланцюг людини та потенційного формування резистентності до медичних антибіотиків, що є надзвичайно небезпечним для громадського здоров’я.

Рослинні антибіотики (фітонциди, алкалоїди, ефірні олії, фенольні сполуки) у плодівництві та овочівництві діють шляхом руйнування клітинної мембрани, пригнічення синтезу нуклеїнових кислот або блокування ферментних систем бактерій. Вони мають перспективу як екологічно безпечна альтернатива, однак потребують оптимізації стабільності та форми внесення.

Системні бактеріози, що спричиняються грамнегативними патогенами, залишаються практично нелікованими існуючими препаратами через особливості клітинної стінки, що перешкоджає проникненню більшості відомих антибактеріальних агентів. У цих умовах розробка інноваційних засобів захисту, спрямованих не на знищення бактерії, а на пригнічення її вірулентності та активацію захисних реакцій рослини, стає особливо актуальною.

Чому існуючі засоби не справляються?

— Мідьвмісні препарати: працюють проти локальних форм, але мідь накопичується в ґрунті, ефективність проти системних грамнегативних низька;

— Антибіотики: хоча мають деяку дію, не можуть широко застосовуватись у овочівництві/плодівництві через небезпеку потрапляння у харчовий ланцюг і розвиток резистентності у людей;

— Природні сполуки (фітонциди, алкалоїди): безпечніші, але часто мають низьку стабільність і складніші в промисловому використанні.

Тому потрібен принципово новий підхід — не просто вбивати патоген, а зламати його зброю й підняти щит для рослини.

Інноваційний підхід команди. Науковці пропонують зміщення парадигми у боротьбі з бактеріальними хворобами рослин — від прямого знищення патогенів до блокування їхніх механізмів вірулентності. Замість того, щоб вбивати бактерії (що неминуче призводить до відбору стійких штамів), метою стає позбавити їх здатності викликати хворобу.

Головна ціль у захисті від бактеріозів рослин - зміна парадигми:

• від прямої бактерицидної дії — до пригнічення вірулентності бактерій;

• від механічного знищення — до стимуляції природного захисту рослини.

Ключові напрями цього підходу:

1. Інгібування синтезу та дії фітотоксинів. Багато бактеріальних патогенів (Pseudomonas syringae, Xanthomonas spp.) продукують токсини, які ушкоджують клітини рослин і запускають некроз. Блокування біосинтезу цих сполук або нейтралізація їх дії знижує шкоду, навіть якщо бактерія присутня на рослині.

2. Порушення системи Quorum Sensing (QS). Це «мова» бактерій, завдяки якій вони координують утворення біоплівок, виділення ферментів та токсинів. Інгібітори QS переривають цей зв’язок, і бактерії втрачають можливість діяти як організована патогенна популяція.

3. Блокування ферментів, що руйнують тканини рослин. Такі ферменти (пектат-ліази, целюлази, протеази) є головним інструментом проникнення патогенів у рослинні клітини. Їх інгібітори можуть значно сповільнити розвиток інфекції.

4. Стимуляція природної імунної відповіді рослин. Замість прямої атаки на бактерію, деякі нові засоби «підштовхують» рослину до вироблення власних фітолексинів та PR-білків, що робить її менш сприйнятливою до патогенів.

Переваги підходу:

• мінімальний тиск відбору резистентних штамів;

• сумісність із біологічними та агротехнічними методами;

• менший екологічний вплив порівняно з антибіотиками та міддю;

• можливість профілактичного застосування.

Це не просто нова технологія — це зміна філософії захисту рослин, яка відкриває перспективу довготривалої ефективності та сталого землеробства. У центрі — багатовекторна стратегія: 1. Блокування ключових систем вірулентності (T3SS, синтез фітотоксинів); 2. Порушення системи Quorum Sensing — припинення координації бактерій; 3. Індукція імунної пам’яті рослини — priming, активація PR-білків, фітолексинів.

На підставі вивчення вірулентності патогенних бактерій на молекулярному рівні вченими розроблено концепцію структури інноваційних препаратів для контролю бактеріозів рослин. Дослідження молекулярних механізмів, які бактерії використовують для обходження захисних реакцій рослин, показало, що ефективна стратегія повинна враховувати різноманітні способи подолання патогенами природних бар’єрів імунітету.

Патогенні грамнегативні бактерії застосовують комплекс ефекторних білків, що транслокуються за допомогою системи секреції III типу (T3SS) безпосередньо у клітини рослин. Ці білки здатні пригнічувати вроджений імунітет, втручатися у протеасом-залежну деградацію білків, модифікувати сигнальні шляхи фітогормонів, перебудовувати цитоскелет, змінювати везикулярний транспорт та регуляцію експресії генів. Всі ці процеси спрямовані на зниження здатності рослини ефективно відповідати на інфекцію.

Виходячи з цього, групою вчених сформульовано принципи створення препаратів, які не просто знищують патогенів, а:

1. Блокують ключові механізми вірулентності — зокрема T3SS та синтез фітотоксинів, що полегшують проникнення і колонізацію тканин;

2. Порушують бактеріальні системи комунікації (quorum sensing), не створюючи прямого селекційного тиску та знижуючи ризик виникнення резистентності;

3. Активують природну імунну відповідь рослин шляхом індукції системних захисних реакцій (priming), забезпечуючи швидку та потужну відповідь на повторне зараження.

Таким чином, запропонована структура препаратів передбачає три синергійні компоненти, кожен з яких діє на різні ланки взаємодії «рослина–патоген», забезпечуючи багатовекторний і водночас екологічно безпечний підхід до контролю бактеріозів.

Вибір саме такої комбінації обумовлений прагненням досягти багатовекторної дії: одночасного ослаблення патогенів шляхом блокування їхніх ключових механізмів патогенності та активації природної захисної системи рослин. Подібний підхід не створює значного селекційного тиску на популяції збудників, що знижує ризик розвитку стійких штамів у довгостроковій перспективі.

Що вже зроблено:

— Ідентифіковано біологічно активні агенти з різними, але взаємодоповнювальними механізмами дії;

— Розроблено формуляції (EC і SC), протестовано на стабільність, сумісність із традиційними ЗЗР;

— Сумісність із фунгіцидами на основі міді, стробілуринів, триазолів не викликала деградації активних компонентів;

— Більше 10 дослідних препаратів нового покоління вже створено в рамках проекту.

Рис. Механізм дії біопрепарату в системі рослина–бактерія.

Переваги для ринку і екології:

• Відсутність прямої бактерицидної дії: знижується селекційний тиск і мінімізується резистентність;
• Можливість застосування у програмі ІЗР (інтегрований захист рослин);
• Екологічна безпека — менше навантаження на ґрунти, екосистему, людину;
• Ефективність на різних фазах розвитку культури — від насіння до перед цвітінням.

Заклик до дії. Це не просто продукт — це виклик старим парадигмам, це шанс для аграріїв змінити гру. Українські науковці створюють фундамент для агроінновацій, які можуть вивести нашу країну на провідні позиції у сфері біозахисту рослин. Тепер важливо — об’єднувати науку, бізнес і агровиробництво, щоб ця технологія пройшла шлях від лабораторії до середи поля.

Прибуток у світі від створення і комерціалізації препаратів проти бактеріозів рослин — сотні мільярдів доларів протягом наступного десятиліття, з щорічною виручкою на рівні близько 10 млрд доларів і більше.