Чи є шанс вирішити проблему резистентності бур’янів до гербіцидів?

На цей час, за даними міжнародної бази даних Weedscience.org, серед 269 видів бур’янів (154 види дводольних і 115 видів однодольних) виявлено 552 резистентні до гербіцидів біотипи. Серед цих біотипів зустрічається резистентність до 165 різних гербіцидів, серед яких представлені 21 із 31 відомих механізмів фітотоксичної дії. Резистентні біотипи виявлені в посівах 99 сільськогосподарських культур у 72 країнах світу. Отже, резистентність бур’янів до гербіцидів є наслідком науково-технічного прогресу, проте й шляхи вирішення цієї проблеми може дати тільки наука. Аналіз стану проблеми, певних досягнень на шляху її вирішення та необхідних дальших дослід­жень, спрямованих на розв’язання проблеми резистентності бур’янів до гербіцидів, є предметом цієї статті.

Наука спить?

До сьогодні в Україні офіційно зареєстровано лише три випадки появи резистентних до гербіцидів біотипів бур’янів. Однак така незначна кількість виявлених проявів резистентності аж ніяк не є свідченням відсутності цієї проблеми в Україні, а скоріше – наслідком недооцінки важливості проблеми з боку керівників вітчизняної аграрної науки та наукової спільноти й, відповідно, відсутністю систематичних дослід­жень цього питання. На цей момент у спеціалізованих наукових виданнях найрозвиненіших країн переважна більшість публікацій присвячена проблемі резистентності бур’янів до гербіцидів. Здавалося б найбільш обізнаними й зацікавленими у вивченні проблеми резистентності мають бути вітчизняні науковці, чия діяльність тісно пов’язана з сільськогосподарським виробництвом, тобто співробітники установ Національної академії аграрних наук України. Однак у всіх трьох випадках ідентифікація резистентних біотипів бур’янів в Україні була проведена представниками академічної фундаментальної науки, а саме співробітниками Інституту фізіології рослин і генетики НАН України під керівництвом та за безпосередньої участі доктора біологічних наук, члена-кореспондента НАН України Віктора Валентиновича Швартау.

Частково недооцінка значення проблеми резистентності в Україні зумовлена тим, що здебільшого недостатня ефективність дії гербіцидів сприймається вітчизняними аграріями як ознака низької якості гербіциду. Такий погляд має підстави для існування, оскільки на ринку засобів захисту рослин в Україні контра­фактна продукція – не рідкісне явище. Проте досить легко можна відрізнити випадки, коли низька ефективність захисту є проявом резистентності, а коли – наслідком низької якості гербіциду. Одночасне виникнення резистентності в кількох видів бур’янів – малоймовірне. Тому, якщо після обробки гербіцидами низька ефективність контролювання спостерігається щодо кількох видів бур’янів – то це якість гербіциду, якщо ж стійким виявився лише один вид, а інші види бур’янів проконт­рольовані ефективно, є всі підстави вважати, що має місце резистентність.

Як уже було зазначено вище, існує величезна кількість публікацій, присвячених резистентності. Однак здебільшого стосується часткових питань: ідентифікації конкретних резистентних біотипів, вивчення фізіологічних механізмів, які зумовлюють підвищену стійкість бур’янів проти гербіцидів, а також визначення змін у геномі рослин, що призводять до появи резистентності. І лише деякі одиничні публікації торкаються проблеми загалом, тобто пошуку виходу з цієї ситуації. Серед таких публікацій є окремі вкрай песимістичні, котрі вважають, що хімічний метод контролювання бур’янів приречений і слід шукати альтернативні методи захисту посівів. Зокрема розглядаються можливості використання штучного інтелекту для розпізнавання бур’янів та створення роботизованих систем прополювання з використанням як робочих інструментів лазерного опромінення або електричного розряду.

Розглядається також можливість підвищення конкурентоздатності культурних рослин завдяки збільшенню їх алелопатичної активності. Водночас прихильники іншої думки вважають, що створення гербіцидів є одним із великих епохальних досягнень людства, а обмеження застосування навіть окремих гербіцидних препаратів, зокрема гліфосату, не кажучи вже про тотальну відмову від використання гербіцидів, будуть мати катастрофічні економічні та соціальні наслідки. Прибічники такого погляду впевнені, що можливості вдосконалення хімічного методу не вичерпані. При цьому загальновизнаним є те, що вирішення проб­леми резистентності має бути комплексним і система захисту посівів від бур’янів реально, а не на словах має бути інтегрованою. Поява резистентних до гербіцидів бур’янів примушує відмовитися від думки, що наявність гербіцидів – це панацея, яка допомагає спрощувати агротехніку й скорочувати сівозміни.

Помилки в комплексуванні гербіцидів

Оскільки виникнення резистентності зумовлено створюваним гербіцидами селекційним тиском, очевидно, що для запобігання виникненню резистентності необхідно зменшувати спрямованість цього тиску.

Останнє підкреслює важливість сівозміни для боротьби з резистентністю, оскільки спрямованість селекційного тиску автоматично зменшується при використанні гербіцидів з різними механізмами фітотоксичності для захисту різних культур у сіво­зміні. Крім того, для боротьби з резистентністю дуже важливо відмовитися від звички перманентно рік за роком використовувати для захисту певної культури один і той самий гербіцид, хоча б і найефективніший, а час від часу застосовувати інші гербіциди. Однак і такого варіювання недостатньо. Найефективнішим засобом боротьби з резистентністю вважається комплексне застосування гербіцидів із різними механізмами фітотоксичності для захисту окремих культур.

Традиційно комплексування гербіцидів використовується для підвищення ефективності захисту, здебільшого завдяки розширенню спектра контрольованих видів бур’янів. Очевидно, що для цього компоненти гербіцидних композицій підбираються так, щоб доповнювати один одного за спектром дії. При цьому досить часто при створенні комплексних гербіцидних препаратів використовують діючі речовини з одним механізмом дії.

Гербіцидні композиції для боротьби з резистентністю принципово відрізняються від традиційних. Оскільки їх призначення – зменшення спрямованості селекційного тиску, обов’язковою вимогою є відмінність компонентів цих композицій за механізмами фітотоксичності. Інша принципова відмінність антирезистентних композицій гербіцидів – спільний або близький спектр дії компонентів. Запобігання виникненню резистентних біотипів тільки тоді може бути ефективним, коли на всі види бур’янів діють два або більше гербіцидів із різними механізмами фітотоксичності.

Очевидно, що це можливо лише за умови спільного спектра дії цих гербіцидів. При створенні антирезистентних композицій гербіцидів особливого значення набуває характер взаємодії їх компонентів. Зрозуміло, що при комплексуванні гербіцидів ефекти взаємодії завжди враховувалися. Очевидно, що в традиційних гербіцидних композиціях оптимальним варіантом є такий, коли завдяки взаємодії вплив на бур’яни синергічно зростає, а на культурні рослини – антагоністично зменшується. Такий характер взаємодії справді досягається в широко розповсюд­жених гербіцидних композиціях, в яких першим компонентом є гербіцид із групи похідних хлорацетанілідів або динітроаніліну, що ефективні здебільшого проти однорічних злакових бур’янів і діють на початкових фазах розвитку рослин, а другим – гербіцид із класу інгібіторів транспорту електронів (ТЕ), котрі переважно ефективні проти дводольних видів бур’янів і діють уже після формування фотосинтетичного апарату рослин.

Бакові суміші, створені за таким алгоритмом, застосовуються в посівах кукурудзи (ацетохлор, метола­хлор, диметенамід + тербутилазин), соняшнику (ацетохлор, метолахлор, диметенамід, трифлуралін, пендиметалін + тербутилазин, прометрин), сої (ацето­хлор, метолахлор, диметенамід, трифлуралін, пендиметалін + метрибузин, прометрин), цукрових буряків (метолахлор + ленацил). Для застосування в посівах кукурудзи та соняшнику за тим самим алгоритмом створений комплексний гербіцидний препарат Примекстра та його численні аналоги. Особливістю ефектів взаємодії в таких композиціях є те, що зміни фітотоксичності компонентів різноспрямовані. Фітотоксична дія першого компонента може синергічно посилюватися, а другого – антагоністично зменшуватися.

Однак цей антагонізм практично не впливає на ефективність застосування цих композицій, оскільки щодо чутливих до дії інгібіторів ТЕ видів бур’янів зменшення фітотоксичної дії не проявляється, а стійкі проти них види ефективно контролюються похідними хлорацетаніліду та динітроаніліну. Отже, прояви антагонізму в цих композиціях гербіцидів можливі лише щодо стійких проти обох компонентів видів рослин, а таким видом є культурні рослини. У такому разі антагонізм корисний, оскільки збільшує селективність гербіцидів. Однак такий характер взаємодії неприпустимий для антирезистентних композицій, в яких взаємодія має бути синергічною або хоча б адитивною, щоб ефективно контролювати саме стійкі рослини бур’янів. Так головною вимогою при відборі компонентів для створення антирезистентних композицій гербіцидів є синергічний або адитивний характер взаємодії цих компонентів.

Нові суміші – лише короткотривале гальмування

Для створення антирезистентних композицій гербіцидів у відділі фізіології дії гербіцидів ІФРГ НАН України проводилися дослід­ження ефектів взаємодії гербіцидів із різними механізмами фітотоксичності, але спільним спектром дії з метою відбору серед них комбінацій з синергічною та адитивною взаємодією.

Синергічна взаємодія спостерігалася при застосуванні в посівах кукурудзи бакової суміші гербіциду інгібітору синтезу каротиноїдів, сайтом дії якого є фермент гідроксифенілпіруват-діоксигеназа (ГФПД), толпіралату з гербіцидом інгібітором ТЕ тербутилазином. Завдяки синергізму суміш толпіралату з тербутилазином ефективно контролювала широкий спектр видів бур’янів, зокрема стійких проти дії толпіралату та тербутилазину окремо. Водночас поширенішим є інший варіант комплексного застосування гербіцидів інгібіторів ГФПД. На ринку України для посівів кукурудзи пропонуються комплексні гербіцидні препарати, які складаються з гербіцидів інгібіторів ацетолактатсинтази (АЛС) (нікосульфурон) та гербіцидів інгібіторів ГФПД (мезотріон, толпіралат). Перевагою цих препаратів, окрім високої ефективності, вважається також їх антирезистентність.

Справді, за механізмами та спектрами дії компонентів ці препарати начебто відповідають вимогам антирезистентності. Однак взаємодія в таких композиціях є антагоністичною, а цей антагонізм начебто долається за підвищення норми внесення інгібітору АЛС. Утім, було встановлено, що для стійких бур’янів прояви антагонізму можуть бути навіть за збільшеної норми внесення інгібітору АЛС, унаслідок чого ефективність контролювання цих бур’янів стрімко зменшується. Отже, такі композиції не можуть розглядатися як антирезистентні. Водночас як суміш гербіцидів інгібіторів ГФПД та ТЕ завдяки синергізму здатна ефективно контролювати стійкі рослини бур’янів і справді є чинником запобігання виникненню резистентних біотипів бур’янів.

Через зміну кліматичних умов і подовження періоду вегетації озимої пшениці восени особливої ваги набуває розробка гербіцидних сумішей для застосування в осінній період. Серед наявних композицій гербіцидів, рекомендованих до застосування в посівах пшениці, вимогам щодо антирезистентності відповідають комплексні гербіцидні препарати, які складаються з гербіцидів інгібіторів АЛС і синтетичних ауксинів. Прикладом таких препаратів є Пріма (флорасулам + 2,4-Д), Лінтур (тріасульфурон + дикамба) та Серто Плюс (тритосульфурон + дикамба). Однак восени наявні вельми значні обмеження щодо можливості використання цих препаратів. У зв’язку з цим проводилося вивчення ефектів взаємодії при комплексуванні гербіцидів трьох різних класів – інгібітору фітоендесатураз дифлуфенікану, інгібітору ТЕ метрибузину та інгібітору ферменту протопорфириногеноксидази (ПРОТО) карфентразону для визначення можливості застосування сумішей цих гербіцидів восени в посівах озимої пшениці.

Було встановлено, що лише в суміші карфентразону з метрибузином взаємодія має ознаки антагонізму, а в інших бінарних комбінаціях, а також у потрійній суміші взаємодія є адитивною. Бакова суміш дифлуфенікану з метрибузином та потрійна бакова суміш дифлуфенікану, метрибузину та карфентразону не поступалися за ефективністю захисту експериментальному комплексному препарату, який складається з дифлуфенікану та інгібіторів АЛС флорасуламу та пеноксуламу. Отримані результати свідчать, що застосування вказаних сумішей допомагає досягти високої ефективності захисту без використання гербіцидів інгібіторів АЛС. Застосування восени в посівах озимої пшениці бакових сумішей гербіцидів дифлуфенікану та метрибузину й потрійної суміші дифлуфенікану, метрибузину та карфентразону є ефективним засобом запобігання виникненню резистентних до гербіцидів біотипів бур’янів, зокрема біотипів, резистентних до гербіцидів інгібіторів АЛС.

З метою розробки гербіцидної композиції, яка б забезпечувала ефективний захист посівів соняшнику від бур’янів і була ефективним засобом запобігання виникненню в бур’янів резистентності до гербіцидів, вивчали ефекти взаємодії, ефективність контролювання бур’янів і селективність щодо культури при застосуванні суміші гербіциду інгібітору синтезу каротиноїдів аклоніфену з інгібітором ТЕ прометрином. Було встановлено, що при внесенні в ґрунт до появи сходів культури та бур’янів взаємодія аклоніфену з прометрином є адитивною. Застосування суміші аклоніфену з прометрином забезпечило високу ефективність контролювання бур’янів, яка не поступалася дії комплексного гербіциду Прим­екстра TZ Голд. При цьому спект­ри дії аклоніфену та прометрину практично збігаються в той час, як у діючих речовин препарату Примекстра TZ Голд метолахлору та тербутилазину перетинання спектрів лише часткове. Крім того, як вже зазначалося вище, при комплексуванні похідного хлорацетаніліду метолахлору з інгібітором ТЕ тербутилазином на стійких проти обох цих діючих речовин видах рослин дія тербутилазину антагоністично зменшується, а в суміші аклоніфену з прометрином адитивна взаємодія спостерігалася до всіх видів бур’янів. Отже, бакова суміш аклоніфену з прометрином відповідає всім вимогам щодо антирезистентних композицій гербіцидів, що за однакової ефективності захисту становить її перевагу над комплексним гербіцидом Примекстра TZ Голд.

Наявний асортимент діючих речовин допомагає створювати антирезистентні композиції гербіцидів, які можуть використовуватися для захисту основних сільськогосподарських культур. Однак слід чітко усвідомлювати, що це аж ніяк не радикальне вирішення проблеми, а тільки тимчасовий захід, який допоможе загальмувати розповсюд­ження резистентності та виграти певний час. По-перше, розроблені гербіцидні композиції є ефективними лише щодо біотипів, резистентність яких пов’язана з сайтами дії.

Зазирнути в корінь

Для боротьби з біотипами, стійкість яких зумовлена прискореною детоксикацією діючих речовин гербіцидів, необхідні інші заходи, зокрема розробка гербіцидів, здатних пригнічувати активність метаболічних систем рослин, які беруть участь у детоксикації ксенобіотиків. По-друге, при розробці антирезистентних композицій гербіцидів ми були вимушені йти на певні компроміси. Легко бачити, що тільки в одній із трьох комбінацій гербіцидів взаємодія була синергічною, а в інших двох – ми задовольнилися адитивною взаємодією. Зрозуміло, що використання в сумішах з інгібіторами ГФПД інгібіторів ТЕ замість інгібіторів АЛС приз­водить до збільшення пестицидного навантаження, оскільки ефективність інгібіторів АЛС на два порядки вища, ніж в інгібіторів ТЕ. Крім того, хоча резистентність до інгібіторів АЛС є найпоширенішою та заміна їх на гербіциди з іншими механізмами дії корисна для боротьби з резистентністю, але за поширенням резистентних біотипів інгібітори ТЕ займають друге місце, поступаючись лише інгібіторам АЛС. Водночас залучення до складу антирезистентних композицій гербіцидів з іншими механізмами фітотоксичності обмежується невідповідністю характеру їх взаємодії при комплексуванні.

Отже, для вдосконалення хімічного методу контролювання бур’янів, яке б допомогло радикально вирішити проблему резистентності, абсолютно необхідно розширення асортименту діючих речовин гербіцидів. Однак останнім часом він не тільки не розширюється, а, навпаки, скорочується. Скорочення асортименту зумовлено вилученням діючих речовин, які не відповідають критеріям гігієно-токсилогічної та екологічної безпеки й, отже, є абсолютно виправданим. Водночас оновлення асортименту завдяки розробці нових класів гербіцидів практично припинилося. Це гальмування зумовлено різними чинниками. Зокрема одним із них було створення трансгенних культур, стійких проти неселективних гербіцидів.

Однак, на наш погляд, найвагомішою причиною відсутності нових класів гербіцидів є витратність і низька ефективність емпіричного методу скринінгу, коли для відбору однієї нової молекули перевіряється наявність гербіцидної активності в сотні тисяч нових хімічних сполук. Залучення молекулярно-біологічних методів, які ефективно використовуються у фармакології, поки що не виправдало очікувань щодо розробки нових гербіцидів. Імовірно, на нашу думку, це зумовлено тим, що на відміну від фармакологічних препаратів, вимоги щодо ефективності нових гербіцидів є значно жорсткішими. Справді, якщо ми маємо класи гербіцидів, що діють у нормах від одиниць до десятків грам на гектар, нові гербіциди, для яких ефективні норми внесення перевищують тисячу грамів, не є конкурентоздатними. Отже, для реалізації можливостей молекулярно-біологічних методів пошуку нових гербіцидів необхідно визначити критерії відбору потенційних сайтів дії, які б гарантували високу ефективність нових класів гербіцидів. На жаль, аналіз наукової літератури свідчить про відсутність чіткого розуміння шляхів вирішення цього питання.

Донині продовжуються дискусії, що є ефективнішим із погляду гербіцидної дії: виникнення дефіциту важливих метаболітів унас­лідок інгібування гербіцидом якогось ферменту або, навпаки, накопичення активних поперед­ників реакції, яка інгібується дією гербіциду. Не вирішено, як на ефективність гербіцидної дії впливає поширення ферменту, котрий є сайтом дії гербіциду, активність цього ферменту, швидкість його переоновлення, а також місце в метаболічному шляху. Найдивнішим виглядає брак консенсусу у вирішенні питання, що є безпосереднім чинником загибелі рослин за дії гербіцидів. При цьому є переконливі дані, що патогенез, індукований дією гербіцидів, – це активний процес, а загибель рослин за дії гербіцидів із різними механізмами фітотоксичності відбувається внаслідок ініціації процесу програмованої загибелі клітин (ПЗК). Зокрема співробітниками відділу фізіології дії гербіцидів ІФРГ НАН України було показано, що деградація ДНК у рослинах за дії гербіцидів інгібіторів АЛС й ацетил-КоА-карбоксилази, що є кінцевою фазою ПЗК, відбувається внаслідок активації ендогенних нуклеаз. Цікаво відзначити, що більшість публікацій із цих питань з’явилася не в спеціалізованих гербологічних журналах, а у виданнях, спрямованих на висвітлення загальних питань фізіології рослин. Тобто очевидний для нас висновок, що гербіциди не вбивають рослини, а змушують їх до самогубства, не знайшов поки що загального визнання серед спеціалістів із фізіології дії гербіцидів.

Однак це питання часу. Дальші дослід­ження, спрямовані на розкриття механізмів ПЗК у рослинах, зокрема питання щодо взаємодії процесів аутофагії та ПЗК, безумовно покладуть край дискусіям і допоможуть визначити потенційні сайти, які гарантуватимуть високу ефективність гербіцидної дії. Як тільки це станеться, розробка нових ефективних гербіцидів буде питанням техніки й це знаменуватиме новий етап у розвитку хімічного методу контролювання бур’янів і радикальне вирішення проб­леми резистентності.