Использование агрохимикатов (пестицидов) для борьбы с биотическими стрессами, то есть сорняками, вредителями и болезнями за последние 50 лет увеличилось в 20 раз.
Среди биотических стрессов сорняки вызывают больше потерь урожая, чем другие, конкурируя за питание, воду и пространство. Одни только сорняки способны снизить урожайность до 34%, что выше, чем у любого другого вредителя, включая патогены, вызывающие снижение урожайности на 16%. По сравнению с сельскохозяйственными культурами, сорняки могут прорастать и расти с большей плотностью при стрессовых и нестрессовых температурных режимах из-за отсутствия борьбы с ними. Сорняки в основном влияют на растения, конкурируя с культурами за питательные вещества, воду, пространство, выделяя аллелохимические вещества и затеняя их, что снижает урожайность и качество урожая. Сорняки также вносят косвенный вклад в снижение урожая, выступая в качестве хозяев для разрушительных насекомых-вредителей и патогенов.
Борьба с сорняками включает в себя прямые и косвенные механизмы. Прямые механизмы направлены на контроль плотности популяции сорняков, в то время как косвенные методы предполагают принятие определенных профилактических мер, включающих использование методов культивирования, способствующих снижению прорастания, роста и размножения сорняков. Для уничтожения сорняков на посевных площадях используются традиционные подходы, то есть ручная, механизированная/механическая и химическая прополка. Эти методы помогают бороться с сорняками, но имеют ряд ограничений: ручные методы требуют квалифицированного труда, механические методы выделяют парниковые газы, а химикаты представляют серьезную угрозу для человека и биоразнообразия, что является серьезной проблемой в устойчивом растениеводстве. Поэтому очень важно найти решения для биологической борьбы с сорняками с минимальным ущербом для окружающей среды, биоразнообразия почвы, здоровья человека и качества продуктов питания.
Современные подходы к борьбе с сорняками, включая растительную и микробную аллелопатию, приобрели популярность в последнее десятилетие. Эффективность этих подходов заключается в специфичности для хозяев селективных бактерий и дифференцированной реакции сорняков и сельскохозяйственных культур. Кроме того, дополнительные преимущества дает стимулирующий рост культур эффект микроорганизмов (аллелопатических бактерий), обладающих различными способствующими росту признаками, то есть солюбилизацией минералов, выработкой фитогормонов и полезной ферментативной активностью. В обзоре представлено всестороннее сравнение традиционных подходов и их потенциальных ограничений с передовыми/биологическими подходами к борьбе с сорняками.
Микробная аллелопатия обладает рядом преимуществ по сравнению с растительной аллелопатией, включая производство аллелохимикатов в целевом месте (ризосфере сорняка) и их одновременное поглощение. Использование микроорганизмов-антагонистов растений, вырабатывающих аллелохимические вещества вблизи корней сорняков, может стать одним из вариантов борьбы с сорняками и минимизации потерь урожая. Эти микроорганизмы колонизируют корневую поверхность целевых растений и играют прямую или косвенную роль в подавлении роста, снижении плотности популяции и репродуктивной способности сорняков, что помогает снизить их воздействие на растениеводство.
Ризобактерии, способные продуцировать вторичные метаболиты в ризосфере сорняков и подавлять их рост, называются «аллелопатическими бактериями (AB)». Взаимодействие AB с культурными растениями может быть нейтральным, вредным или полезным. AB обладают свойством специфичности для хозяина, что делает их подходящим кандидатом для биоконтроля. Биоконтроль сорняков с помощью бактериальных агентов обладает многочисленными преимуществами, такими как быстрый рост, простые требования к распространению и легкость генетической модификации. Кроме того, аллелопатическая активность ризобактерий может продолжаться в течение всего сезона выращивания, ограничивая прорастание и рост целевых сорняков. Разработка гербицидов на биооснове, включающих АВ в естественных условиях, является привлекательным и экологичным вариантом борьбы с сорняками в наземных экосистемах.
Род Pseudomonas является доминирующим агентом биоконтроля сорняков и других патогенов сельскохозяйственных культур, включая P. fluorescence, P. trivialis, P. aeruginosa и P. putida. Сообщалось, что другие роды бактерий, такие как Agrobacterium, Aeromonas, Enterobacter, Bacillus, Burkholderia, Chryseomonas, Xanthomonas и Vibrio, также препятствуют прорастанию и росту некоторых сорных растений. К сожалению, только один гербицид на основе бактерий был зарегистрирован под торговой маркой Camparico в 1997 году, а второй под названием D7® был зарегистрирован Агентством по охране окружающей среды США в 2014 году против пушистого костреца, который содержал Pseudomonas fluorescens, но не смог достичь стадии коммерческого производства.
Тем не менее, передовые/биологические средства (растительная и микробная аллелопатия) борьбы с сорняками являются наиболее экологичной альтернативой химическим гербицидам. Избирательная и дифференцированная фитотоксичность аллелопатических бактерий дает возможность использовать их в качестве эффективного метода борьбы с сорняками. Переход от химической к биологической борьбе с сорняками не только снижает плотность популяции сорняков, но и уменьшает пагубное воздействие остатков гербицидов на окружающую среду и производство продуктов питания. Поэтому будущие исследования должны быть направлены на:
- Интеграцию бактериальной аллелопатии с уменьшенной дозой химических гербицидов для устойчивого растениеводства.
- Химическую идентификацию фитотоксинов на основе микроорганизмов и их влияние на физиологию сорняков и культур, а также их воздействие на структуру микробного сообщества.
- Потенциал интеграции аллелопатических бактерий в существующие методы биоконтроля (аллелопатия растений) для дальнейшей диверсификации и эффективной борьбы с сорняками.
- Разработку биогербицидов широкого спектра действия в качестве интегрированной технологии борьбы с сорняками.
