Metarhizium anisopliae

Современная таксономическая классификация вида Metarhizium anisopliae включает следующие ранги^[7][8]:

• Домен: Эукариоты (Eukaryota)
• Царство: Грибы (Fungi)
• Подцарство: Высшие грибы (Dikarya)
• Отдел: Аскомицеты (Ascomycota)
• Подотдел: Pezizomycotina
• Класс: Сордариомицеты (Sordariomycetes)
• Подкласс: Hypocreomycetidae
• Порядок: Гипокрейные (Hypocreales)
• Семейство: Спорыньёвые (Clavicipitaceae)
• Род: Метаризиум (Metarhizium)
• Вид: Metarhizium anisopliae

Таксономия рода Metarhizium и, в частности, комплекса видов Metarhizium anisopliae, является предметом активных научных исследований. С развитием молекулярных методов классификация постоянно уточняется^[9].

Вид был впервые описан русским учёным Ильёй Ильичом Мечниковым в 1879 году. Он выделил гриб из хлебного жука (Anisoplia austriaca), в честь которого было дано видовое название, и первоначально именовал его Entomophthora anisopliae^[10][11].

Позднее, в 1883 году, другой учёный, Николай Васильевич Сорокин, перенёс этот вид в новый род Metarhizium, в результате чего гриб получил своё современное научное наименование — Metarhizium anisopliae (Metschn.) Sorokin^[10][12]. Эта таксономическая история отражена в полном научном авторстве вида^[11][12].

Современные таксономические исследования, основанные на молекулярно-филогенетических методах, показали, что Metarhizium anisopliae является не единым видом, а комплексом близкородственных, морфологически сходных (криптических) видов^[13][14]. В результате ревизий многие таксоны, ранее считавшиеся разновидностями или формами, были повышены до ранга самостоятельных видов или синонимизированы.

Виды, выделенные из комплекса M. anisopliae

• Metarhizium acridum (Driver & Milner) J.F. Bisch., Rehner & Humber, 2009^[13] — ранее M. anisopliae var. acridum.
• Metarhizium frigidum J.F. Bisch., S.A. Rehner & Humber^[15] — ранее M. anisopliae var. frigidum.
• Metarhizium hybridum Kobmoo, Mongkols., Thanakitp. & Luangsa-ard, 2024^[14]
• Metarhizium majus (J.R. Johnst.) J.F. Bisch., Rehner & Humber, 2009^[13] — ранее M. anisopliae var. major.
• Metarhizium neoanisopliae Kobmoo, Mongkols., Thanakitp. & Luangsa-ard, 2024^[14]
• Metarhizium parapingshaense Kobmoo, Mongkols., Thanakitp. & Luangsa-ard, 2024^[14]

Синонимы

• Entomophthora anisopliae Metschn., 1879 (базионим)
• Isaria anisopliae (Metschn.) R.H. Pettit, 1895
• Penicillium anisopliae (Metschn.) Vuill., 1904
• Oospora destructor (Metschn.) Delacr., 1893
• Isaria destructor Metschn., 1880
• Metarhizium album Petch, 1931
• Metarhizium anisopliae f. minor J.R. Johnst., 1915
• Metarhizium anisopliae var. lepidiotae Driver & Milner, 2000^[14]
• Metarhizium anisopliae f. oryctophagum Frieder., 1930 — в настоящее время синоним Metarhizium majus^[16].

Для массового производства гриба применяют два основных метода: глубинную (жидкофазную) ферментацию и твёрдофазную ферментацию на стерильных растительных субстратах^[17]. Глубинное культивирование используется для быстрого наращивания биомассы (мицелия) или для получения бластоспор и устойчивых к высушиванию микросклероциев^[18]. Однако полученная таким способом биомасса имеет низкую сохранность и быстро теряет биологическую активность^[19].

Твёрдофазная ферментация на стерильных субстратах является более распространённым методом для получения большого количества спор (конидий), которые отличаются большей стабильностью и могут длительное время храниться без потери биологической активности^[19]. В качестве субстратов используют различные доступные сельскохозяйственные продукты. Наибольшую продуктивность показывают такие зерновые, как рис, кукуруза, сорго, пшеница, булгур и маш (зелёный грам)^[20][21][22]. Также применяются их побочные продукты, например, пшеничные и рисовые отруби^[23].

Часто применяется двухфазный (или двухступенчатый) метод культивирования. На первом, жидкофазном, этапе гриб выращивают в питательном бульоне (например, на основе мелассы или в среде Чапека-Докса) для наращивания биомассы, которую затем переносят на твёрдый субстрат для стимуляции массового спороношения^[24][25].

Одним из возможных механизмов, обусловливающих изменение вирулентных свойств энтомопатогенных грибов, может быть спонтанная изменчивость.

Вирулентность энтомопатогенных грибов тесно связана с ферментативной активностью. Молекулярные основы патогенности M. anisopliae включают несколько ключевых этапов. Процесс заражения начинается с прикрепления конидий к кутикуле насекомого, что обеспечивается специальными белками, такими как гидрофобины^[26] и адгезины. В частности, адгезин MAD1 является критически важным для прикрепления к покровам насекомого, в то время как MAD2 отвечает за адгезию к поверхности растений^[27]. После прикрепления гриб проникает через кутикулу с помощью комплекса литических ферментов, в который входят протеазы, хитиназы и липазы^[28]. Ключевую роль играет протеаза Pr1, которая считается маркером высокой вирулентности^[29]. При длительном культивировании на искусственных средах ген, кодирующий этот фермент, может быть утрачен, что приводит к снижению патогенности штамма^[30]. Попав внутрь тела насекомого, гриб выделяет токсины, такие как деструксины^[31] и риботоксин анизоплин, которые ускоряют гибель хозяина^[32].

Для повышения вирулентности штаммов применяются различные методы. Традиционным подходом является пассирование штаммов через восприимчивое насекомое-хозяина, что позволяет увеличить их патогенность более чем в два раза за три пассажа. Современные подходы включают методы генной инженерии. В частности, была продемонстрирована успешная трансформация гриба генами, кодирующими нейротоксины скорпионов (например, LqqIT1). Такие генетически модифицированные штаммы показывают значительно более высокую смертность насекомых-вредителей и сокращают время их гибели^[33][34].

При температуре +20 °С сухая и жидкая биомасса могут храниться без потери биологической активности и жизнеспособности в течение 12 месяцев. При температуре +6 °С жидкая и сухая формы сохраняют жизнеспособность в течение 12 месяцев, однако жидкая биомасса к концу этого срока снижает биологическую активность до нулевого значения.

Эффективность M. anisopliae в полевых условиях во многом зависит от его устойчивости к абиотическим факторам, таким как ультрафиолетовое излучение, высокие температуры, засуха и засоление почвы.

• Температура: Оптимальная температура для роста и вирулентности большинства штаммов находится в диапазоне 25-30 °C. Некоторые изоляты способны расти при 35 °C, однако при температуре 38 °C и выше рост прекращается, а при 40-45 °C не наблюдается прорастания спор^[35][36]. Сочетание нескольких стрессоров, например, высокой температуры (37 °C) и водного дефицита, значительно подавляет рост гриба^[37].
• УФ-излучение и засуха: Ультрафиолетовое (УФ) облучение является одним из наиболее сильных негативных факторов, снижающих жизнеспособность конидий. Устойчивость к УФ-излучению и засухе значительно варьируется между штаммами. Как правило, изоляты, выделенные из засушливых регионов, демонстрируют повышенную устойчивость к высыханию^[38][39].
• Засоление: Некоторые штаммы гриба способны выдерживать высокие концентрации хлорида натрия (до 200 мМ) и могут способствовать росту растений в засолённых почвах^[40].

Для повышения устойчивости гриба к стрессовым факторам применяются различные подходы:

• Селекция природных штаммов: Поиск и отбор изолятов из регионов с экстремальными климатическими условиями является перспективным направлением для получения устойчивых штаммов^[38].
• Защитные формуляции: Использование масляных эмульсий (типа «масло в воде») может повышать устойчивость конидий к высоким температурам^[41].
• Использование устойчивых структур: Покоящиеся структуры гриба, микросклероции, обладают большей устойчивостью к УФ-излучению и высоким температурам по сравнению с мицелиальными гранулами^[42].
• Эндофитное состояние: Находясь внутри тканей растения, гриб защищён от внешних абиотических стрессов^[43].
• Генно-инженерные методы: Внедрение генов биосинтеза меланина в геном гриба позволяет значительно повысить его устойчивость к УФ-излучению, экстремальным температурам и высушиванию^[44]. Другим эффективным методом является УФ-мутагенез, с помощью которого были получены мутантные штаммы с повышенной устойчивостью к тепловому шоку, а также к окислительному и осмотическому стрессу. Этот эффект связан с повышенной экспрессией генов, кодирующих белки теплового шока и компоненты антиоксидантной системы^[45][46].

Помимо инсектицидной активности, Metarhizium anisopliae и близкородственные виды обладают выраженными фунгицидными свойствами, подавляя развитие ряда фитопатогенных грибов. Гриб проявляет антагонистическую активность в отношении возбудителей таких заболеваний, как серая гниль (Botrytis cinerea)^[47], фузариозное увядание (Fusarium oxysporum)^[48], фузариоз колоса (Fusarium graminearum)^[49], ризоктониоз (Rhizoctonia solani)^[50], пурпуровая пятнистость малины (Didymella applanata)^[51] и азиатская ржавчина сои (Phakopsora pachyrhizi)^[52].

Механизм фунгицидного действия является комплексным и включает несколько стратегий^[52]:

• Антибиоз: выработка вторичных метаболитов с противогрибковой активностью. Культуральные фильтраты гриба, содержащие эти соединения (включая гидролитические ферменты, такие как хитиназы и глюканазы, а также деструксины), способны подавлять рост мицелия и прорастание спор патогенов^[49][47].
• Прямой антагонизм и конкуренция: активная колонизация ризосферы и тканей растения, что приводит к конкуренции с фитопатогенами за питательные вещества и пространство^[53].
• Микопаразитизм: способность гиф Metarhizium оплетать и разрушать мицелий других грибов, например Rhizoctonia solani^[54].
• Стимуляция защитных систем растения: эндофитная колонизация корней и других тканей активирует системную устойчивость растения, делая его более стойким к последующим атакам патогенов^[50].

Эффективность гриба подтверждена в лабораторных и полевых исследованиях. Например, обработка семян и опрыскивание колосьев пшеницы суспензией конидий M. anisopliae позволила снизить развитие фузариоза колоса на 38,6 % и 40,1 % соответственно^[49]. В другом исследовании применение гриба снизило заболеваемость окры корневой гнилью (Rhizoctonia solani) на 58,3 %^[50].

Metarhizium anisopliae и близкородственные виды из его комплекса являются одними из наиболее изученных и широко применяемых грибов для биологического контроля членистоногих-вредителей. На их основе создано множество коммерческих биопестицидов, эффективных против широкого спектра насекомых^[55].

Борьба с сельскохозяйственными вредителями

Гриб показал высокую эффективность против ряда ключевых вредителей сельского хозяйства. В полевых испытаниях на картофеле его применение позволило достичь до 90 % биологической эффективности в борьбе с колорадским жуком. Вид Metarhizium acridum, ранее считавшийся разновидностью M. anisopliae, обладает высокой специфичностью к саранчовым и является действующим веществом в таких биопестицидах, как «Green Muscle»^[56]. Гриб также используется в составе приманок и барьеров для контроля популяций термитов^[57], хотя некоторые виды, например Coptotermes formosanus, проявляют устойчивость благодаря социальному поведению — взаимной чистке, которая помогает удалять конидии гриба^[58].

Контроль переносчиков заболеваний

Metarhizium anisopliae является перспективным агентом для борьбы с членистоногими-переносчиками заболеваний человека и животных.

• Комары: Заражение грибом взрослых самок малярийного комара Anopheles gambiae снижает их склонность к кровососанию и плодовитость^[59]. Масляные формуляции гриба показали эффективность против личинок, снижая их окукливание на 39-50 % в полевых условиях^[60]. Гриб вызывает гибель личинок Aedes aegypti при контакте за счёт действия протеолитических ферментов^[61], а его метаболиты обладают ларвицидной активностью против комаров родов Aedes, Anopheles и Culex^[62]. Также подтверждена его эффективность против личинок москитов Phlebotomus papatasi, переносчиков лейшманиоза^[63].
• Клещи: Полевые испытания продемонстрировали значительное снижение численности нимф Ixodes scapularis^[64]. Гриб эффективен против клещей Rhipicephalus microplus (включая устойчивые к пиретроидам штаммы), Hyalomma anatolicum и Dermacentor albipictus^[65][66][67]. Применение масляных и гранулированных формуляций значительно повышает его акарицидную активность^[68][67].

Для повышения инсектицидной активности применяются методы генной инженерии. Созданы трансгенные штаммы гриба, экспрессирующие гены нейротоксинов скорпионов, которые показывают повышенную вирулентность и сокращают время гибели таких вредителей, как Spodoptera litura и Aphis craccivora.

Помимо своей роли как энтомопатогена, Metarhizium anisopliae и близкородственные виды способны существовать как эндофиты, колонизируя внутренние ткани растений, не причиняя им вреда^[69]. Эта способность обеспечивается наличием специализированных белков, в частности адгезина MAD2, который отвечает за прикрепление гриба к поверхности растений. Гриб активно колонизирует ризосферу (прикорневую зону)^[70] и может проникать в корни, побеги и даже листья таких культур, как томат, огурец, чай, кукуруза и сорго^[69][71].

Эндофитная колонизация оказывает положительное влияние на развитие растений-хозяев. Исследования показали, что инокуляция грибом приводит к значительному увеличению высоты растений, длины корней, а также сухой массы побегов и корней у томатов и сои^[69]. Одним из механизмов этого эффекта является стимуляция развития корневой системы: гриб увеличивает плотность корневых волосков, что способствует лучшему поглощению питательных веществ^[72]. Кроме того, M. anisopliae способен вырабатывать фитогормоны, в частности индол-3-уксусную кислоту (ИУК), и ферменты, такие как фосфатазы и фитазы, которые повышают доступность питательных веществ в почве^[73].

Помимо стимуляции роста, гриб повышает устойчивость растений к различным стрессовым факторам. Подтверждена его способность смягчать воздействие засоления почвы на томаты и сою. Эндофитное состояние также обеспечивает защиту самого гриба от неблагоприятных абиотических факторов, таких как УФ-излучение и колебания температуры, что позволяет ему дольше сохраняться в агроценозе и обеспечивать длительную защиту растения. Более того, колонизация грибом может активировать системную устойчивость растения, изменяя уровень защитных фитогормонов (салициловой и жасмоновой кислот), что делает его более устойчивым к атакам травоядных насекомых^[74].

Помимо основной роли в биоконтроле, Metarhizium anisopliae исследуется в качестве агента для биоремедиации — очистки окружающей среды от токсичных соединений. Исследования показали, что гриб способен разрушать микотоксины, в частности зеараленон, который является опасным загрязнителем сельскохозяйственных культур и кормов. Кроме того, подтверждена его способность способствовать снижению загрязнения почвы и воды тяжёлыми металлами, такими как ртуть^[75].