بخشی از مقاله
کشاورزی پایدار با بهره گیری از آفت کش های بیولوژیکی-باکتریایی
چکیده
مشکلات ناشی از استفاده غیراصولی آفت کش های مصنوعی و خطرناک، دانشمندان را بر آن داشته تا به جستجوی ترکیباتی با منشاء طبیعی بپردازند. ترکیباتی که ضمن توانایی در کنترل آفات، به دلیل داشتن اثر انتخابی، مضرات آفت کش های مصنوعی خطرناک را در پی نداشته باشند. شیمی تخمیری یکی از روش هایی است که از مدت ها پیش برای تولید آفت کش های سازگار با محیط زیست، توسط دانشمندان مورد استفاده بوده است و به کمک این فناوری و بهره گیری از باکتری های خاک زاد آفت کش های مهمی مانند آورمکتین ها، اسپینوزین ها، پیرول ها، تولید شده اند. این آفت کش ها به دلیل داشتن انتخابیت فیزیولوژیکی و اکولوژیکی ضمن توانایی فوق العاده در کاهش جمعیت آفات، فاقد اثرات سوء قابل توجهی بر روی دشمنان طبیعی و محیط زیست بوده و از ابزارهای مهم کنترل آفت در برنامه های مدیریت تلفیقی آفات (IPM) محسوب می شوند. در این مقاله سعی شده است تا ضمن معرفی این گروه از آفت کش های بیولوژیکی، نقش مفید و موثر آنها در تولید محصول سالم که از نتایج کشاورزی پایدار است مورد ارزیابی قرار گیرد.
واژه های کلیدی: آورمکتین، اسپینوزین، پلی ناکتین، حشره کش های پیرول، امامکتین بنزوآت
الف) آورمکتین ها
آورمکتین ها (Avermectins) گروهی از لکتون های ماکرو سیکلیک (macrocycliclactons) هستند که از تخمیر میکروارگانیسمی خاک زاد از گروه اکتینومیست ها با نام علمی Streptomyces avermitilis Burg بدست می آیند. آورمکتین های طبیعی در دو گروه A و B طبقه بندی می شوند. در گروه اول بر روی کربن 5 گروه متوکسی (-OCH3) و در گروه دوم بر روی این کربن گروه هیدروکسی (-OH) قرار دارد .(Davies and Green, 1986; Lasota and Dybas, 1991) این ترکیبات در سال 1976 توسط دانشمندان آزمایشگاههای پژوهشی مرک (Merck) در کشت های آزمایشگاهی گونه مذکور کشف و از مهمترین ترکیبات کنه کش و حشره کشی هستند که تاکنون شناخته شده اند( Jansson and Dybas, .(1998;Horowitz and Ishaaya, 2004; Mellin et al., 1983 استلیند و همکاران (1979) اولین کسانی بودند که فعالیت حشره کشی آورمکتین ها را گزارش نمودند.
آورمکتین ها آفت کش های انتخابی محسوب می شوند. یکی از دلایل انتخابی بودن این آفت کش ها برای پستانداران وجود تفاوت بین سیستم عصبی حشرات و مهره داران است. در مهره داران تنظیم فعالیت ماهیچه ها توسط سلول های عصبی حرکتی با کمک استیل کولین صورت می گیرد. ولی در حشرات و سایر بی مهرگان بجای استیل کولین، در محل اتصال سلول های عصبی به ماهیچه ها، گابا (gamma-aminobutyric acid) و یا گلوتامات (glutamate) مسئول انتقال پیام های عصبی می باشند. آورمکتین ها بصورت ترکیبات آگونیست برای کانال های کلر موجود در سیستم عصبی (GABA-gated chloride channels) عمل نموده و با تمایل زیاد به این کانال ها در غشاء سلولهای عصبی موجود در محل اتصال اعصاب به ماهیچه های آفات متصل و
2
سبب باز شدن آنها و در نتیجه ورود یون کلر به داخل سلول های عصبی می شوند که در نتیجه آن فعالیت سلول مختل می گردد و آفت تیمار شده فلج و تغذیه آن متوقف می شود (شکل Jansson and Dybas, 1998;Horowitz and Ishaaya, ) (1 .(2004; Mellin et al ., 1983
شکل (1) مکانیسم تاثیر گابا بر روی کانال های کلر (Verkman and Galietta, 2009)
اطلاعاتی نیز وجود دارد که نشان دهنده توانایی اتصال آورمکتین ها به سایر کانال های کلر (بعنوان مثال glutamate-gated (chloride channels می باشد .(Schaeffer and Haines 1989;Arena et al., 1992)آورمکتین ها همچنین تاثیر معنی داری در کنترل نماتد ها دارند ولی تاکنون هیچگونه تاثیر منفی از این ترکیبات بر روی قارچ های بیماری زای حشرات گزارش نشده است. بنابر این امکان ترکیب آنها با آفت کش های قارچی نیز وجود دارد .(Greathead, 1995) به دلیل دز پایین، عدم تجمع در خاک، تجزیه سریع باقی مانده این ترکیبات بر روی اندام های گیاهی، این آفت کش ها هیچگونه تاثیر منفی بر روی حشرات مفید برجای نمی گذارد .(Walia, 2005)
3
همانند هر آفت کش دیگر مصرف مکرر و غیر اصولی این آفت کش ها نیز می تواند سبب بروز مقاومت در حشرات گردد. کاهش حساسیت نقطه هدف، افزایش فعالیت سیستم آنزیمی MFO و کاهش نفوذ سم، از دلایل مقاومت مگس خانگی به آورمکتین ها گزارش شده است .(Scott, 1995) مطالعات بیانگر این موضوع است که مقاومت به آورمکتین ها پایدار نیست. سطوح مقاومت در جمعیت های کنه دو نقطه ای جمع آوری شده از مزرعه، 2-6 هفته بعد از جمع آوری و نگهداری در غیاب فشار انتخابی آفت کش، بطور معنی داری کاهش یافت .(Campos et al., 1995) نتایج مشابهی به وسیله سایر محققین نیز گزارش شده است. عدم پایداری مقاومت بدون شک به وراثت ژن های مسئول مقاومت بستگی دارد. این ویژگی ها در مگس خانگی به میزان بالایی مغلوب می باشند .(Clark et al., 1995)
-1 آبامکتین
ترکیب خامی که از تخمیر S. avermitilis حاصل می شود مخلوطی است از 8 آورمکتین هومولوگ شامل A1a, A1b, A2a, A2b, B1a, B1b, B2a, B2b که در بین آنها آورمکتین a) B1 و (b، (تجاری شده تحت عنوان آبامکتین) ترکیب اصلی بوده و دارای بیشترین تاثیر حشره کشی می باشد. آبامکتین مخلوطی از حداقل 80 درصد آورمکتین B1a و حداکثر 20 درصد آورمکتین B1b
می باشد که توسط شرکت Merck Sharp &Dohme (New Jersey, USA) برای کاربرد در زمینه کشاورزی ساخته شده است (شکل .(Fisher and Mrozik, 1989; Dowd, 2002; Dybas et al., 1989) (2 این آفت کش دارای محدوده اثر بالایی بوده و بر روی بسیاری از آفات از قبیل کنه های تار عنکبوتی، مگس های مینوز، مورچه ها، سوسری ها و بال پولکداران تاثیر بسیار خوبی دارد. LC90 این آفت کش برای کنه های گیاهی خانواده تترانیخیده (Tetranychidae)، اریوفیده (Eriophydae)و تارسونمیده (Tarsonemidae) بین 0/009 تا 0/24 قسمت در میلیون است ( Lasota and Dybas, .(1991 تاثیر این آفت کش حتی بر روی گونه های نزدیک به هم بسیار متفاوت است. بعنوان مثال، سمیت تماسی آبامکتین بر روی Helicoverpa zea (Boddie) و Heliothis virescens (Fabricius) مشابه است در حالیکه سمیت گوارشی آن برای H. zea در مقایسه با H. vorescens حدود 30 بار کمتر است. تفاوت در سمیت این ترکیب برای این دو گونه به تفاوت در گیرنده های GABA نسبت داده شده است زیرا سایر پارامترها مانند نفوذ و متابولیسم سم در هر دو گونه مشابه است ( Dowd, .(2002 آبامکتین در عمل تاحدودی بصورت انتخابی عمل می کند زیرا سریعا توسط بافت های گیاه جذب شده و بعنوان یک سم
4
تماسی دوام زیادی بر روی اندام های گیاهی ندارد. مطالعات نشان داده است که آبامکتین با یکی از اجزاء مهم مدیریت تلفیقی سفیدبالک گلخانه (Trialeurodes vaporarium)، یعنی زنبور پارازیتوئید Encarsia formosa سازگار می باشد .(Zchorifein et al., 1994) زمانی که حشرات کامل زنبور پارازیتوئید در معرض سطوحی که 24 ساعت قبل با آبامکتین سمپاشی شده بودند، قرار گرفتند، هیچگونه مرگ و میری اتفاق نیافتاد. محققین دیگری نیز نشان داده اند که استفاده از آبامکتین تاثیر سوئی بر روی جمعیت زنبورهای پارازیتوئید مگس مینوز ندارد .(Dybas, 1989) این سم بطور موثر سبب کاهش مگس مینوز Liriomyza trifolii (Burgess) در مزارع کرفس گردیده است بدون هیچگونه تاثیر منفی بر روی حشرات مفید (پارازیتوئیدها) که قادرند تا 90 درصد لاروهای این آفت را پارازیته نمایند. آبامکتین همچنین در کنترل کنه تارعنکبوتی بصورت انتخابی عمل نموده و تاثیر زیانباری بر روی شکارچی های این آفت ندارد .(Dybas, 1989;Lasota and Dybas, 1991) بطور کلی، سمیت آبامکتین برای بندپایان مفید کمتراز آفات است به ویژه اگر تماس آنها با گیاهان سمپاشی شده یک روز بعد از عملیات سمپاشی باشد .(Hoy and Cave 1985; Dybas 1989; Zhang and Sanderson, 1990)
آبامکتین بعنوان یک آفت کش انتخابی با سمیت نسبتا کم برای بسیاری از بندپایان غیرهدف مطرح است. این سم در دز پایین استفاده می شود و در صورت قرار گرفتن در معرض نور به ویژه زمانی که بصورت یک لایه نازک بر روی حشره و یا سطح گیاه استفاده می شود به سرعت تجزیه می شود .(Wislocki et al., 1989) نیمه عمر یک لایه نازک آبامکتین تحت شرایط نوری آزمایشگاه و نور خورشید بدون توجه به نوع سطح یا شاخ و برگ تقریبا 4 تا 6 ساعت است. علی رغم تجزیه سریع بعد از کاربرد، آبامکتین دارای فعالیت ترانس لامینار بوده و جذب سریع آن به داخل برگ های پنبه گزارش شده است .(Dybas, 1989) به علاوه، استفاده از روغن های معدنی (mineral oil) و یا سورفکتنت ها (surfactant) بصورت ترکیب با آبامکتین باعث افزایش سمیت این ترکیب بر روی کنه های نباتی و مگس های سفید شده است ( Dybas, 1989; Horowitz and Ishaaya, (2004 که دلیل احتمالی این موضوع افزایش فعالیت ترانس لامینار می باشد. هوروویتز و همکاران (1997) دریافتند که افزودن 0/5 درصد روغن معدنی (Ultra Fine oil) به آبامکتین (Vertimec) بطور قابل ملاحظه ای سبب افزایش کارآیی این سم در کنترل سفیدبالک Bemisia tabaci گردید. کاربرد 1 میلی گرم در لیتر از ماده موثره آبامکتین بر روی نهال های پنبه در شرایط اتاق رشد و بدور از تابش نور آفتاب، باعث مرگ و میر 86 درصدی حشرات کامل سفیدبالک گردید که در طول 28 روز به 39
5
درصد کاهش یافت. اضافه نمودن 0/5 درصد روغن UF سبب افزایش مرگ ومیر به 100 در روز اول و 88 درصد تا روز 28 شد. روندی مشابه در آزمایشان صحرایی نیز مشاهده گردید .(Horowitz et al., 1997) بنابراین، ترکیب آبامکتین با روغن معدنی مناسب، عامل موثری در کنترل سفیدبالک پنبه می باشد.
گرچه آبامکتین ابتدا برای مبارزه با کنه های گیاهی استفاده شد. این آفت کش همچنین بر روی سایر آفات مانند مگس های مینوز خانواده آگرومیزیده (Liriomyza spp.)، Leptinotarsa decemlineata، Plutella xylostella، Keiferia lycopersicella، Phyllocnistis citrella و Psylla pyricola بطور موفقیت آمیز استفاده شده است ( Lasota and .(Dybas, 1991 علاوه براین تزریق آبامکتین به داخل درخت برخی از آفات مانند سوسک برگخوار نارون را برای مدت 83 روز کنترل نموده است .(Harrel and Pierce, 1994)
ایورمکتین و آبامکتین تنها آورمکتین هایی هستند که تاکنون بطور موفقیت آمیز تجاری شده اند. آبامکتین با نام های تجاری Avid، Agrimec، Agri-Mek، Dynamec، Epi-Mek، Vertimec و Zephyr در بازار موجود است. علاوه بر مصارف کشاورزی، آبامکتین همچنین بصورت مخلوط با طعمه در کنترل مورچه Selonopsis invicta و سوسری ها با نام تجاری Affirm و Avert موجود می باشد .(Lasota and Dybas, 1991) از ایورمکتین برای مبارزه با حشرات انگل حیوانات استفاده می شود. گروه دیگری از ترکیبات وابسته به آورمکتین ها، milbemycins نام دارند که از گونه S. hygroscopicus بدست می آیند. ساختمان و فعالیت بیولوژیکی این ترکیبات مشابه آورمکتین ها است. تلاش های زیادی برای افزایش فعالیت های بیولوژیکی و قدرت حشره کشی این ترکیبات انجام شده است ولی تاکنون نتیجه مطلوبی حاصل نشده است ( Lasota and Dybas, .(1990
استفاده از آبامکتین نیز باید بصورت اصولی و تناوب با سایر آفت کش ها صورت گیرد. در غیر اینصورت بروز مقاومت در آفات قطعی خواهد بود. دلایل مقاومت آفات به آبامکتین، افزایش دفع، کاهش جذب آفت کش، افزایش فعالیت آنزیم های سیستم
MFO، آنزیم های استراز و گلوتاتیون-اس-ترانسفراز و کاهش نفوذ آفت کش، گزارش شده است ( Clark et al., 1995; .(Campos et al., 1996
6
شکل (2) ساختمان مولکولی آبامکتین
-2 امامکتین بنزوآت
گرچه آبامکتین آفت کشی قوی برای کنترل کنه های نباتی و عده ای از حشرات است ولی تاثیر آن بر روی بال پولکداران کمتر می باشد. این نقطه ضعف در کارآیی با کشف آورمکتین نیمه سنتزی 4-epi-methylamino-4-deoxyavermectin B1 در سال 1984 برطرف شد. امامکتین بنزوآت (emamectin benzoate) با نام تجاری MK -244 1.9% EC حشره کش ماکروسیکلیک لکتونی جدید دیگری مشتق شده از خانواده آورمکتین است که توسط شرکت Merck Sharp & Dohme تولید شده و بر روی آفات به ویژه بال پولک داران (LC50< 1 ppm) موثر است (شکل .(Cox et al., 1995) (3 امامکتین طی 5 مرحله سنتز از آبامکتین بدست می آید. این حشره کش در نتیجه مطالعات غربالی وسیع بر روی چندصد عدد از مشتقات آورمکتین با استفاده از Heliothis virescens (Fabricius) و Spodoptera eridania(Cramer) کشف شد. مطالعات بعدی نشان داد که نمک بنزوآت امامکتین در مقایسه با ترکیب اصلی که در واقع نمک هیدروکلراید بود، دارای پایداری دمای و حلالیت بیشتری در آب می باشد. همانند آبامکتین این حشره کش نیز از طریق افزایش جریان یون کلر در محل اتصال سلول های عصبی به ماهیچه ها سبب اختلال در انتقال پیام های عصبی و در نتیجه توقف تغذیه و فلج آفت می شود ( Jansson and .(Dybas, 1998; Horowitz and Ishaaya, 2004
7
طیف تاثیر امامکتین بیشتر از آبامکتین است. این حشره کش بر روی بال پولکداران متعددی همانند Plutella xylostella
(Linnaeus)، Trichoplusia ni(Hubner)، Spodoptera exigua (Hubner) و H. virscens موثر می باشد. این حشره کش نیز دارای فعالیت ترانس لامینار بوده که این ویژگی سبب افزایش دوام بیولوژیکی آفت کش می شود ( Ishaaya et al., .(2002a; Walia, 2005ماروگاراژ و همکاران (2006) گزارش نمودند که استفاده از امامکتین بنزوآت به میزان 11 گرم در هکتار سبب کنترل موفقیت آمیز کرم میوه خوار گوجه فرنگی (Helicoverpa armigera) و در نتیجه افزایش معنی دار عملکرد گردید. امامکتین بنزوآت جمعیت لاروها و در نتیجه خسارت این آفت را به ترتیب به میزان 89-92 و 89-91 درصد کاهش داد و باعث 48 درصد افزایش در عملکرد محصول گردید. امامکتین بنزوآت یکی از قوی ترین آفت کش های شناخته شده است. LC90 این آفت کش در برابر برخی از گونه های بال پولک داران بین 0/002 تا 0/89 قسمت در میلیون است ( Dybas, .(1989; Cox et al., 1995b امامکتین هیدروکلراید در برابر Spodoptera exigua حدود 1500 مرتبه سمی تر از آبامکتین است .(Trumble et al., 1987; Dybas et al., 1989) مطالعات اخیر نشان داده است که امامکتین بنزوآت در برابر H. virescens و S. exigua به ترتیب 875-2975 و 250-1300 مرتبه سمی تر از تبیوفنوزاید (tebufenozide) می باشد .(Jansson et al., 1997) اما سمیت این ترکیب برای سایر آفات کمتر است. بعنوان مثال، سمیت این آفت کش در برابر مگس مینوز 8-15 Liriomyza trifoli مرتبه کمتر از آبامکتین است .(Dybas et al ., 1989) همانند آبامکتین، امامکتین بنزوآت سمی کمتری بر روی بندپایان مفید دارد. باقی مانده این آفت کش بر روی شاخ و برگ گیاهان، سمیت جزئی (کمتر از 20 درصد) بر روی اکثر حشرات مفید داشت .(Cox et al, 1995) دلیل این امر دوام کم این آفت کش بر روی گیاه می باشد. کوک و همکاران (1996) نشان دادند که امامکتین هیدروکلراید (MK-243) کمترین اثرات سوء را در برابر دو گونه زنبور پارازیتوئید Pteromalus puparum) و (Cotesia orobenae برجای می گذارد. مطالعات انجام شده بر روی امامکتین بنزوآت نشان دهنده آن است که این آفت کش از نظر انتخابیت برای دشمنان طبیعی مشابه و حتی بهتر از آبامکتین بوده و کاملا با مدیریت تلفیقی آفات سازگار است .(Jansson and Dybas, 1998)
حشره کش های آورمکتین به میزان زیادی به تجزیه نوری حساس می باشند. مک کونل و همکاران (1989) نشان دادند که نیمه عمر آبامکتین در نور خورشید شبیه سازی شده کمتر از 10 ساعت بود. علی رغم پایداری کم در مجاورت نور خورشید، این
8
