Аллелохимикалии: естественная «химия» в сельском хозяйстве

Каждый год из-за сорняков и вредителей во всем мире теряются значительные объемы урожая основных культур. Решить вопрос можно, внедряя в практику севообороты, поликультуру и ряд альтернативных методов, привлекающих преимущества аллелопатии: помощь в борьбе с вредителями, защиту от абиотических стрессов, стимуляцию роста и повышение продуктивности сельхозкультур. Аллелопатические соединения, высвобождаемые растениями или микроорганизмами, могут быть вредными или полезными для роста растений-реципиентов – и в любом случае, эти соединения участвуют в экологическом комплексе агро- и экосистем. Как же аллелопатия может применяться в растениеводстве?

Урожайность – отличный индикатор того, подходят ли конкретной культуре условия возделывания на поле: этот показатель непосредственно отражает изменения качества почвы. Основная цель управления почвой в сельском хозяйстве — создать благоприятные условия для прорастания семян, развития растений, хорошего роста и урожая культур. Повышение урожайности зависит от эффективности агротехники: улучшения почвенного плодородия, улучшения питания растений, борьбы с сорняками, вредителями и болезнями.

Аллелопатия — важный механизм регуляции жизнедеятельности растений. Он связан с выбросом в окружающую среду вторичных метаболитов растений или продуктов обмена микробиоты. В природных экосистемах аллелопатия играет ключевую роль. Существует множество способов выброса аллелохимикалиев в корневую сферу, в частности, улетучивание, разложение растительных остатков, корневая экссудация и вымывание.

Аллелохимикалии могут ингибировать или стимулировать, они регулируют самые разные экологические функции: защиту растений, хелатирование питательных веществ и регуляцию почвенных микроорганизмов. Как именно сработают выделяемые вещества, зависит от их состава и концентрации. Например, применение аллелохимических водных экстрактов в малых концентрациях стимулирует прорастание, рост и продуктивность многих культур. Хорошо изучена и ингибирующая роль аллелохимических веществ.

Как можно использовать аллелопатию в растениеводстве:

·       для борьбы с сорняками с помощью биологического контроля

·       для биологического контроля насекомых и болезней

·       для улучшения качества почвы через добавление разложившихся растительных остатков в качестве питательных веществ

·       для улучшения почвы как среды для микроорганизмов

·       для повышения диверсификации сельскохозяйственных культур за счет снижения заражения сорняками и вредителями

·       для разработки биологических пестицидов с новым механизмом действия

·       для повышения устойчивости к абиотическим стрессам

В последние годы аллелопатические методы все больше используются в мировом сельском хозяйстве – продвижение их не останавливается благодаря успешным исследованиям и разработкам физиологов (специалистов по растениям в целом, по сорнякам и почве) и химиков, изучающих природные вещества и соединения.

Одна из групп исследований включает изучение эффекта экстрактов разных частей растений (стебля, корня, семян и листьев) как источников фитотоксичных соединений. Благодаря этим работам обнаружилось большое количество культур, аллелопатически воздействующих на своих соседей в поле или следующие за ними в севообороте растения. Они выделяют вещества-регуляторы в окружающую среду посредством выщелачивания корневых выделений, разложения растительных остатков микробиологическим путем и улетучивания.

Эти соединения оказывают ингибирующее и стимулирующее действие на многие жизненно важные процессы растений и микроорганизмов. Заметим, что действие аллелопатических соединений зависит от их природы и концентрации: одни соединения оказывают ингибирующее действие на прорастание и рост семян, а другие – стимулирующее.

Например, растительные остатки подсолнечника Helianthus annuus L. на разных стадиях развития (всходы, выход в трубку, цветение и созревание) вызывали четкое снижение всхожести и роста сортов пшеницы Triticum aestivum L. и двух сортов Helianthus annuus L., причем стадия цветения на исследуемые виды оказывала выраженное аллелопатическое действие.

В поликультуре количество выделяемых экосистемами аллелохимикалиев зависит не только от видов входящих в нее растений, но и методов посадки, и от факторов окружающей среды (температуры, влажности и уровня питательных веществ в почве).

Роль аллелопатии в биоразнообразии растений и устойчивом сельском хозяйстве

Аллелопатические соединения играют важную роль в определении разнообразия растений, в доминировании тех или иных видов в сообществе, в порядке сукцессии, в естественной вегетации и продуктивности растений в агроэкосистемах. Одна из частых причин снижения урожайности сельхозкультур – чрезмерное использование синтетических гербицидов. Это переиспользование обычно приводит к дефициту питательных веществ, дисбалансу почвенных микроорганизмов и изменению физико-химических свойств почвы.

Если говорить о популярном сегодня агролесоводстве, то еще в 2009 году исследователи обнаружили, что взаимодействие между сельскохозяйственными культурами и деревьями необходимо и для производства продуктов питания, и для сохранения лесов – особенно, для находящихся под угрозой исчезновения средиземноморских лесных экосистем. В этом исследовании изучалось аллелопатическое действие экстрактов почвы, зеленых и стареющих листьев дуба и иголок сосны на прорастание пшеницы, ячменя, чечевицы и нута.

Аллелопатия и борьба с сорняками

Аллелопатия может играть важную роль в агроэкосистемах – это приводит к широкому спектру влияний и взаимодействий в биоценозах. Аллелопатические культуры обладают высоким потенциалом для создания сортов, более эффективно подавляющих сорняки в условиях контролируемого земледелия. В частности, бобовые культуры могут снизить биомассу сорняков на 68%; аллопатическим эффектом обладают многие культуры – пшеница, подсолнечник, сорго, ячмень, кукуруза…

В агроэкосистемах сорняки конкурируют с сельскохозяйственными культурами за ресурсы, что снижает урожаи и ухудшает их качество. Наиболее эффективным методом подавления сорняков является биологический контроль – естественный, безопасный, недорогой и пользующийся высокой общественной поддержкой процесс. Биологические методы включают использование насекомых, грибов, бактерий, аллелопатических культур, покровных культур и мульчирования.

Постоянное использование химических гербицидов приводит к появлению поколений устойчивых сорняков. Поэтому исследователи ищут альтернативы гербицидам, которые будут менее затратны и экологически безопасны, которые не повлияют на генетический состав сорняков. Такой альтернативой может стать биологический контроль с использованием аллелопатических соединений, которые могут подавлять и замедлять рост некоторых сорняков. Биологическая борьба с сорняками с использованием аллелопатических соединений в качестве гербицидов уже сегодня применяется широко как безопасный, полезный и менее затратный метод.

Аллелопатия для стимуляции роста

Как уже было сказано, аллелохимикалии одних растений могут стимулировать рост других. Агросистема в смешанной культуре с пшеницей усиливает рост и урожайность пшеницы. Внесение в почву побегов черного паслена усиливает рост сои и образование клубеньков на ее корнях. Рост и урожайность некоторых бобовых культур улучшаются при смешанном возделывании с гелиотропом.

Для регулирования физиологических процессов в растениях, для улучшения роста можно использовать биостимуляторы. Они стимулируют рост и развитие растений на протяжении всего жизненного цикла культуры, от стадии семени до зрелых растений, повышая эффективность метаболизма. Это дает повышение урожайности и улучшение качества продукции, облегчает усвоение и транспорт питательных веществ. Аллелохимикалии относятся к биостимуляторам: они повышают устойчивость растений к абиотическим стрессам и ускоряют восстановление после них.

В частности, выделяющие аллелохимикалии ризобактерии:

·       продуцируют регуляторы роста растений

·       способствуют усвоению питательных веществ

·       ускоряют минерализацию

·       снижают стресс растений

·       стимулируют образование клубеньков

·       обеспечивают фиксацию азота

·       стимулируют микоризу

·       подавляют болезни растений

·       действуют как нематоциды и инсектициды

Напомним, что аллелохимические вещества, выделяемые растениями, оказывают стимулирующее действие в низких концентрациях.

Аллелопатический эффект в питательной и экологической значимости почвенной системы

Между характеристиками почвы и аллелохимическими веществами существует двухсторонняя связь. Уровень фитотоксичности зависит от характеристик почвы, они тесно связаны друг с другом и влияют на процессы удержания, переноса и трансформации аллелохимических веществ в почве. Связанные с почвенной аллелопатией взаимодействия ученым еще необходимо понять – это создаст новые возможности для устойчивого контроля агроэкосистем.

Аллелопатия предложила новую альтернативу для разработки экологически чистых методов ведения сельского хозяйства, имеющих двойную цель: повышение продуктивности сельхозкультур и поддержание стабильности экосистемы. Аллелопатия подразумевает положительное или отрицательное воздействие донора (растения или микроорганизмов) на цель – соседние растения посредством выделения химических соединений в почву.

На количество, качество и фитотоксичность аллелохимических веществ, выделяемых растением-донором, могут влиять метеорологические, почвенные и растительные факторы. Некоторые почвенные факторы могут влиять на транспорт и трансформацию аллелохимических веществ в почве, на их присутствие в почвенном растворе для поглощения целевыми растениями.

Аллелохимические вещества могут влиять на абиотические и биотические процессы в почве. Например:

·       непосредственно воздействовать на организмы

·       разрушаться или трансформироваться под воздействием почвенных микроорганизмов

·       индуцировать образование третьими видами других соединений, которые негативно влияют на растения-доноры

·       вызывать изменения абиотических факторов почвы, влияющих на целевые растения

______________________

Аллелопатия — важный механизм воздействия на растения через дополнительные фитотоксины в окружающей среде. Химические вещества с аллелопатическим потенциалом присутствуют практически во всех растениях. При соответствующих условиях эти химические вещества могут выделяться в окружающую среду в достаточных количествах, чтобы повлиять на соседние растения. Аллелопатия может влиять на многие аспекты экологии растений, включая рост, этапы сукцессии растений, структуру растительных сообществ, доминирование, разнообразие и продуктивность растений.