Токсины
Токсичные вещества производят в процессе жизнедеятельности практически все группы живых организмов. Различают микробные, растительные и зоотоксины. Химическая природа и механизм действия токсинов
разнообразны. Многие токсичных веществ биологического происхождения применяются в защите растений. При этом большое значение имеют некоторые специфические свойства токсинов, прежде всего - селективность действия, высокая токсичность в минимальных дозах, быстродействие на виды-мишени, способность быстро распадаться в условиях окружающей среды.
Микробные токсины продуцируют преимущественно бактерии, грибы и многие виды пресноводных и морских микроводорослей. Различают два типа микробных токсинов - экзотоксины и эндотоксины. Экзотоксины, или настоящие токсины, производит микробная клетка в процессе вегетативного роста. Через ее стенку они попадают в окружающую среду. Эндотоксины образуются внутри микробной клетки, они нередко имеют кристаллическую структуру и высвобождаются только в случае гибели и разрушения микроорганизма.
Бактериальные токсины, действующие летально на вредные виды членистоногих, относительно мало изучены, их единой классификации нет. Кроме разделения на две группы по месту образования в бактериальной клетке (эндо-и экзотоксины), учитывают при классификации чувствительность токсинов до температуры (термолабильные и термостабильные), химическую природу и тому подобное. В бактериальных токсинов инсектицидной действия относят такие ферменты как лецитиназой, гиалуро-нидаза, фосфотаза, протеаза. Перечисленные ферменты, имеющие инсектицидные свойства, производит ряд видов бактерий. Так, образование лецитиназы обнаружено у многих видов энтомопатогенных бактерий. В патологии насекомых лецитиназой изучали как один из факторов патогенности бактерий группы В. thuringiensis, В. cereus и некоторых других.
Немало видов бактерий производят протеазы. Среди них такие энтомопатогенных формы как Pseudomonas aerugonisa, Proteus vulgaris, Serratia marcescens и другие.
Известны микробиологи, специалисты по инфекционной патологии насекомых О. Лысенко и М. Кучера выделяют три важнейших критерии, используемые для классификации токсинов: 1) анатомический - по месту, где бактериальная клетка вырабатывает токсины, 2) механизм, или место действия, в восприимчивом хозяину , 3) структура молекулы токсина.
Как уже отмечалось, за размещением токсины делят на две основные группы: эндотоксины, находящиеся внутри бактериальной клетки, и экзотоксины - растворимые вещества, выделяемые из бактериальной клетки в процессе ее роста в субстрате.
Эндотоксины, селективно действуют на насекомых, относительно хорошо изучены у бактерий группы В. thuringiensis. Это кристаллические образования, является постоянным признаком этой группы бактерий и играют важную роль в их энтомопатогенных свойства. Форма кристаллов токсина у В. thuringiensis варьирует в достаточно широких пределах. Наиболее часто встречаются бипирами-Дальний, сферическая, квадратная или неопределенных очертаний (рис. 19). Эндотоксин образуется одновременно с формированием споры. В большинстве разновидностей В. thuringiensis образования спор и кристалла сопровождается распадом остатков стенки спорангиуму, в результате чего токсин попадает в окружающую среду. В составе белка эндотоксина - 18 аминокислот. Основой структуры кристалла являются белковые субъединицы размером около 4,711,8 мкм. Кристалл нерастворимый в воде, однако разрушается в щелочных растворах. Токсичность кристаллов для определенных видов насекомых обусловлена ферментативной деградацией токсина в щелочных средах. Разрушенные компоненты кристаллического эндотоксина приводят к параличу кишечника, обычно сопровождается значительными изменениями структуры эпителия его среднего отдела. В начале контакта с токсичными компонентами клетки кишечного эпителия усиливают секреторную деятельность, затем обезвоживаются и отделяются друг от друга и от базальной мембраны. На поздних стадиях воздействия токсина клетки полностью разрушаются. Эти деструктивные процессы обусловлены ростом проницаемости мембран, в частности оболочек митохондрий, для ионов калия.
Сегодня среди довольно значительного разнообразия подвидов, или серо-типов, бактерий В. thuringiensis выделяют три типа кристаллических эндотоксинов, различающиеся между собой по форме и инсектицидным эффектом. Один из них, характерный для подавляющего большинства подвидов, в типичном случае имеет бипирамидальну форму и высокотоксичный для гусениц многих представителей чешуекрылых. Другой, продуцируемый В. thuringiensis subsp. israilensis, овоидные по форме и токсичен для личинок двукрылых, прежде комаров (CuUcidae) и мошек (Simulidae). Наконец, третий, продуцируемый подвидом В. thuringiensis subsp. tenebrionis, четырехугольной формы, эффективен против представителей ряда жесткокрылых.
Экзотоксины выделяют бактериальные клетки в окружающую среду во время роста и размножения. Они имеют ряд специфических свойств: иммунохимических являются отдельными антигенами; способны переходить в культуральный субстрат; являются белками с высоким молекулярным весом; способны в малых дозах повреждать восприимчивого хозяина. Бактерии продуцируют разнообразные по химической природе и специфичностью действия экзотоксины. Среди них наибольшее значение для защиты растений имеет термостабильный экзотоксин В. thuringiensis. По своей природе это вещество близка к нуклеотидов, которые, попадая в организм насекомого, нарушают АТФ-метаболизм. Термостабильный экзотоксин по своей биоцидной активностью малоспецифичний и вызывает гибель широкого круга насекомых и других беспозвоночных. Бактериальные токсины классифицируются и по месту или механизмом их действия на организмы. В первом случае учитывают родство токсинов относительно определенных тканей. При этом токсины, действующие на нервные клетки, называют нейротоксин, тех, которые повреждают кишечный тракт - энтеротоксин, токсины, вызывающие распад форменных элементов крови - гемолизина, а токсины, обусловливающие разрыв тканей - некротоксинамы т.д.. При всем удобстве приведенной классификации пользования ею наталкивается на определенные трудности, поскольку достаточно просто определить истинную причину патологических изменений в организме. Кроме того, токсины нередко проявляют родство не по одной, а нескольких тканей одновременно.
Классификация бактериальных токсинов по механизму действия на организмы основывается на биохимических критериях. Конечно токсины за их биохимической активностью являются ферментами, или ингибиторами ферментов. В большинстве случаев биохимия патологических процессов, происходящих при взаимодействии бактериальных токсинов из организма вредных фитофагов, остается не изученной.
Классификация токсинов по структуре молекулы сложная и наименее информативна. Этот тип классификации основывается на молекулярной структуре токсина и на росте этой структуры за токсического воздействия. В рамках классификации по молекулярной структуре различают три основных типа токсинов - простые, сложные и химические смеси.
Токсины грибов отнесены к различным группам химических веществ, в частности, кислот, производных стероидов, ароматических соединений и т.д..
Гифомицетни и ентомофторови грибы, поражающие ряд видов беспозвоночных, в том числе и вредителей сельскохозяйственных и лесных культур, способны вызывать у хозяев инфекционный процесс с проявлением токсикоза. В научной литературе имеются многочисленные примеры, подтверждающие энтомо-и акарицидным активность фильтратов культу-ральной жидкости и экстрактов многих видов энтомопатогенных грибов.
Изучены на сегодня в химических и биохимических аспектах токсины грибов делят на две большие группы: низкомолекулярные и високомоле-кулярный. Правда, значительная часть токсических веществ, продуцируемых грибами, остается малоизученной.
До низкомолекулярных токсинов относятся афлотоксин, дес-трукцины и некоторые другие. Афлотоксин продуцируют грибы Aspergillus fravus и A. parasitius. Они представляют собой комплекс родственных токсичных соединений, так называемых афлотоксинов В, и В2. В их составе преобладает афлотоксип Вг афлотоксин активные в отношении различных групп животных, в частности некоторых видов совок и других насекомых.
Различные формы деструкцинив выделено из гриба Metarhizium anisopliae (Metsch.) Sor. Это - циклические полипептидные вещества с широким спектром биоцидной активности, в том числе и инсектицидной. Близкий по химической природе к деструкцинив боверин, продуцируемый из гриба Beauveria bassiana (Bals.) Vuill. - Токсичен для разных видов беспозвоночных.
Важную роль в патогенезе микозов, вызываемых ентомопа-тогенним грибом В. bassiana, играет бассианолид, что положено по химической структуре к циклодегисипептидив. Бассианолид производит также гриб VerticiHium lecanii Zimm.
Различные виды токсинов выделяют высокоспециализированные ентомопа-тогенни грибы. Так, Entomophthora apiculata (Thax) Gustafs., Е. coronata Cost., Е. thaxteriana Petch. в процессе культивирования образуют вещества белковой природы, которые токсически действуют на насекомых и клещей. Энтомопатогенных аскомицетов Cordyceps militaris (L.) Link, в условиях in vitro производит кордицептин, что токсическое действие на различные виды чешуекрылых.
Действие токсинов различных энтомо-и акарипатогенних грибов на насекомых и клещей во многом похожа. Насекомые под влиянием Тоскин теряют координацию движений, аппетит, у них нарушаются процессы роста, развития и дифференцировки, в результате чего они погибают. Нередко наблюдается стерилизующий воздействие токсинов на чувствительных хозяев. Токсины Beauveria bassiana вызывают патологические изменения в ядрах их клеток. Обычно на ядерной мембране наблюдаются значительные наслоения хроматина, заметны уменьшение кариоплазмы. Под влиянием токсинов ентомофторових грибов в патологический процесс также вовлекаются ядра клеток жирового тела и гемоцитов. При этом нарушается структура хроматина. Токсины гриба M. anisopliae при взаимодействии с клетками тканей жуков-щелкунов (Coleoptera, Elateridae) обусловливают ряд специфических ультраструктурных изменений органелл, разрушаются метахондрии и мембраны эндоплазматического ретикулума.
Во всех случаях воздействие токсинов грибов на организмы сопровождается качественными и количественными изменениями форменных элементов гемолимфы насекомых. В их теле резко возрастает количество мертвых и патологических клеток.
Токсины обычно являются существенными факторами вирулентности энто-мопатогенних грибов. Во многих случаях отбор их активных штаммов ведется по признаку токсиноутворення.
Токсичные вещества продуцируют как зоопатогенни, так и Фитоп-тогенни грибы. Сегодня известно более 400 видов фитопатогенных грибов, способных продуцировать токсины различной степени фитотоксичности. Отдельные формы фитотоксинив могут вызывать тяжелые отравления человека и животных.
Фитотоксины могут быть как узкоспецифических, так и универсального действия, что позволяет отбирать такие формы, на основе которых можно сдерживать рост и развитие сорняков. Потенциальные возможности использования фитотоксинив в регулировании численности сорняков связанные с разной чувствительностью к токсинам одно-и двудольных растений, а также растений с различной чувствительностью в пределах семей и видов.
Биологически активные вещества, токсичные для различных групп фитофагов, синтезируются, а также накапливаются в тканях растений. Токсины растений, будучи факторами иммунитета, выполняют защитные функции и все шире применяются в регулировании численности многих видов фитофагов. Селекция культурных растений ведется именно в направлении увеличения содержания в их тканях определенных групп токсичных веществ по фитофагов.
Человек с глубокой древности использовала определенные виды растений для борьбы с вредителями культурных растений и с бытовыми вредителями и паразитами. Немало видов растений содержат те или иные действующих веществ токсично только определенные виды фитрофагив, т.е. для них характерна селективность. Современная классификация токсинов растений включает семь категорий (табл. 16).
Фитогемаглютины представляют собой вуглеводневмисни белки. им присуща способность вызывать агглютинацию эритроцитов, откуда и название токсинов. Фитогемаглютины широко распространены в разных группах систематических растений. Среди них некоторые смертельно ядовитые для личинок насекомых.
В семенах земляного ореха, сои, нута, ряда других бобовых содержатся ингибиторы протеаз насекомых, в частности, хрущака борошново-го. Ингибиторы амилаз насекомых обнаружены в семенах пшеницы и ряда видов бобовых.
Устойчивость растений фасоли по личинок зерновки - Callosobruchus chinensis L. связана с наличием сложного полисахарида, на долю которого приходится около 1% сухой массы семян.
Другой важной группой токсинов растений является цианогены. Известно более тысячи растений, синтезирующих синильную кислоту. Цианогены, содержащиеся в растениях, является цианогеннимы глюкозидами или цианогеннимы липидами. Цианогены токсичны для различных групп животных, в том числе и насекомых.
Сапонины особенно токсичны для пойкилотермных животных. В химическом отношении они гликозидами, в которых несахарный часть молекулы представлена стеролы или триперпеном. Содержание сапонинов нередко варьирует в различных частях растения и может изменяться в процессе их роста и развития.
Особое значение как токсины растений имеют алколоиды, в том числе в защите растений - никотин. Этого алколоиды выделено из 18-ти видов рода Nicotiana. Никотин выделяют из культуральной табака N. tabacum и махорки N. rustica, в которых содержание алколоиды составляет от 6 до 18%. В 1929 году в бывшем СССР было выделено родственный никотином алколоиды - анабазин с среднеазиатского кустарника - Anabasis aphylla ("семья Chenopodiaceae). Сульфат Анабазин получают промышленным путем из растительного сырья.
Из древесины тропического растения квассии горькой - Guassia Атаги получают гликозид квасиин, а схожую с ним вещество пикрасмин - с Пикрасма блестящей - Picrasma excelsa Pl. Оба алколоиды токсичны для членистоногих и применяются против мух и кровососущих членистоногих. Интересно, что обе эти вещества одновременно используют и как лечебное желудочное средство, а также добавляют для вкуса в пиво.
В растениях обнаружено более 200 аминокислот, не входящих в состав белков. Многие из них действуют как антиметаболиты, то есть - токсичны для некоторых видов фитофагов.
Кроме приведенных семи групп токсичных веществ, продуцирующих растения, известно немало других соединений, которые не включены в приведенную схему. Несмотря на многообразие токсичных соединений растительной природы, лишь некоторые из них применяются в защите растений. Наиболее известные среди них никотин, ретрины, ротеноиды, рианодин, аза-дирахтины и некоторые другие.
Никотин высокоэффективен против тлей и других, преимущественно мелких, членистоногих со слабо хитинизованимы покровами.
Среди ретринив как инсектициды давно применяют пиретрум, приготовленный из высушенных цветов Crysanthemun cinerariaefoium. Сегодня с пиретруму экстрадирован и идентифицированы активные вещества пиретрин И пиретрин II, жасмолин I и жасмолин II. Ретры-нам присущ широкий спектр инсектицидной действия.